客運專線高路塹邊坡預應力錨索加固技術研究

周光民 中鐵二十四局集團有限公司

預應力錨索是通過施加張拉力以加固巖土體使其達到穩定狀態或改善內部應力狀況的支擋結構，它是一種主要承受拉力的桿狀構造。通過鉆孔及注漿體將鋼絞線固定深部穩定地層中，在被加固體表面對鋼絞線張拉產生預應力，達到使被加固體穩定和限制其變形的目的，其最大特點是能夠充分利用巖土體自身強度和自承能力，減輕結構自重，節省工程材料，是高效和經濟的加固技術。采用預應力錨索對邊坡進行加固，可以充分調用工程地質體或構筑物自身潛在的穩定性并改善其內部應力狀態，阻止不穩定塊體的塌滑，抑制塑性區的擴展，從而更好地起到提高邊坡穩定性的作用。

1 工程概況

浙江某新建鐵路工程為時速250 km的高速鐵路客運專線，全線多為山谷丘陵地帶，DK94+134~DK94+190段為典型的高路塹地段，路塹邊坡高度30~40 m，邊坡高且坡度陡。該山體主要以含碎石粉質黏土和凝灰質砂巖為主，強風化，節理發育，巖層較破碎，考慮到預應力錨索已經成功應用于高邊坡工程的加固，根據工程實際，本工程擬采用預應力錨索進行加固，加固面積約為1900 m2。設計采用了擋墻加預應力錨索支擋（如圖1所示）。

圖1 高路塹邊坡錨索加固圖

2 試驗方案

為了確定該路塹邊坡地層中錨桿的極限承載力和安全系數，揭示在該地層條件下影響錨桿錨固力的各種影響因素及其影響程度，檢驗錨桿工程的施工工藝，校核設計參數，為高邊坡錨固工程的動態設計提供有關參數，擬進行預應力錨索基本驗證性試驗。

2.1 錨索類型

本次試驗主要試驗兩種類型的預應力錨索結構，其一為拉力分散型，即將處于不同長度的無粘結鋼絞線末端按一定長度剝除高密度聚乙烯(PE)套管，即變為粘結段，分三級制成錨固段，當漿體固結后，錨索預應力通過剝除段鋼絞線與漿體的粘結力傳遞給被加固體，將預應力由原來普通拉力型錨索集中于一個部位的拉應力分散到三個部位段，提高錨固力，改善了固結體的受力狀態；其二為壓力分散型，錨根段為二級壓力分散，自由段為自由式錨索體結構。其結構是在不同長度的無粘結鋼絞線末端套以承壓板和擠壓套，當錨索體漿體固結后，以一定荷載張拉對應于承載體的鋼絞線時，設置在不同深度部位的數個承載體將壓應力通過漿體傳遞給被加固體，這樣對在錨固段范圍的被加固體提供分散的錨固力。

2.2 試驗孔布置

根據實際坡面狀況，共設置三組試驗孔，土層預應力錨索結構為土層壓力分散型，布置3孔；巖層預應力錨索結構為拉力型，布置2孔，其中一孔錨固段設置波紋鋼套管，另一孔則不設置波紋鋼套管，且錨固段已設置波紋鋼套管的錨索參數與未設置的相同。

2.3 設計參數

土層壓力分散型預應力錨索孔深20 m，孔徑110 mm。錨固段長分別為8 m、12 m、16 m，分兩個受力單元；漿液采用P.042.5水泥，水灰比1：0.50；錨索外留長度1.5 m；反力結構采用C25鋼筋混凝土錨墩結構，截面120 cm×120 cm，厚40 cm。

巖層拉力型預應力錨索孔深14 m，孔徑110 mm，傾斜角度為15°；錨固段長6 m；漿液采用P.042.5水泥水泥，水灰比1：0.50；錨索外留長度1.5 m；反力結構采用C25鋼筋混凝土錨墩結構，截面120 cm×120 cm，厚40 cm。

2.4 試驗步驟

按照試驗要求，采用與工程孔完全相同的施工工藝。在試驗過程中出現以下之一的情況均視為錨固體已破壞。①后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生的位移增量的兩倍；②錨頭位移不收斂；③鋼筋被拉斷；④錨頭總位移超過設計允許位移值。

2.5 數據分析

根據試驗數據，試驗結果整理見表l所示。

表1 試驗數據成果表

由上表的試驗數據可以看出，在土層中的三個試驗孔的安全系數基本隨錨固段長度的增加而增加，盡管試驗-3安全系數小于2.0，不滿足規范要求。可以適當調整錨固段長度來提高安全系數。在巖層中的兩個試驗孔均滿足安全系數大于2的要求。

3 施工工藝

根據試驗的數據對設計進行優化，采用預應力錨索錨孔孔徑為φ=110 mm，拉索材料采用高強度低松馳預應力鋼絞線，預應力鋼絞線的強度級別為1860 MPa，其直徑φ15.24 mm，錨索長9~26 m，土體中錨固段長度當大于12 m，巖層中錨固段長度為6 m。間距4 m×4 m(縱向間距×豎直向間距)，每孔錨索設計錨固力384 kN。錨具采用與其配套的QVM15-3錨具系列，錨孔內灌注M35水泥砂漿。

3.1 施工工藝

施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程圖

控制工期的工序為鉆孔及錨墩養生。

3.2 立錨墩

根據設計資料，測量人員將錨索孔位放樣確定后，就開始在孔位處清理坡面，立模現澆錨墩（見圖3），錨墩緊貼坡體，它把錨具的集中荷載傳遞到坡面，并起調整坡面受力方向的作用，錨墩用鋼筋混凝土加早強劑現澆而成，錨墩中部應按設計鉆孔傾角預埋塑料管形成孔道，錨墩混凝土養生需要一段時間，因此應先施工。

圖3 立錨墩圖

3.3 鉆孔

采用潛孔沖擊式鉆機，根據現場地形搭設雙立柱式腳手架用于鉆機行走及安放，鉆孔角度的控制用事先按設計角度制作好的角度儀進行定位，將鉆機按角度固定于腳手架上，鉆孔深度應超出錨索設計長度0.5 m，以防巖土屑沉落孔底而使孔深不夠，根據鉆進情況和吹出的巖粉作好詳細的施工記錄，主要內容包括：巖性、巖體完整性，地下水、裂隙、巖粉顏色、顆粒大小、數量、孔深、事故情況等。鉆進中應經常進行高壓風吹孔，堆積層（孔深6 m以內）可采用填充粘性土進行護壁，土夾石地層，可上下來回掃孔，防止掉塊堵孔。

鉆孔結束，拔出鉆桿鉆頭，用一根聚乙烯管復核孔深，并用高壓風清孔，然后拔出聚乙烯管，用水泥紙塞好孔口。

3.4 特殊情況的處理

3.4.1 滲水

吹孔時吹出的都是一些大顆粒而無粉塵，說明孔內有滲水，巖粉已貼附于孔壁。這時若孔深已夠，則注入清水用高壓風洗孔，洗凈孔壁。若孔深不夠，為防止巖粉堵塞鉆桿，應立即停鉆，并拔出鉆桿，洗孔后再鉆。有時孔內滲水量大，吹出的是泥漿和碎石，只要沖擊器工作，可以繼續鉆，如果沖擊器受淹不工作，應采取壓力注漿堵水后再鉆。

3.4.2 坍孔

鉆孔遇強風化巖層或巖體破碎帶時，常發生坍孔，坍孔的標志是孔中吹出黃色巖粉夾雜原狀的，非鉆頭擊碎的、非新鮮的、無光澤的石塊，這時應立即停鉆，拔出鉆具，壓漿固壁。注漿前用清水和高壓風將孔內泥漿洗出，注漿壓力取0.4 MPa漿液為水泥玻璃雙液注漿，24 h后重鉆。

3.4.3 制作錨索

錨索可以在現場制作也可以在外地預制后運來。錨索由3股（按設計圖紙要求）鋼鉸線組成。首先根據計算長度下料，鋼鉸線的下料長度應為錨索設計長度，錨頭高度、千斤頂長度、錨具厚度，以及張拉余量（取20 cm）的總和。用砂輪切割機截斷，然后平順放在作業臺架上，在內錨固段范圍內每隔1～1.5 m穿一個對中隔離支架形成錨束，并使鋼鉸線間有一定間隙，保證壓漿時能充填密實，兩對中支架之間扎緊固環鐵絲一道，使內錨段形成波紋形狀，自由段每1.5 m扎一道鐵絲，形成直線形狀，自由段采用除銹、防腐、涂黃油、穿套聚乙烯管，最后在錨索端頭套上導向帽，制作完畢后按孔號編號掛標簽存放。錨索體結構見圖4。3.4.4安放錨索

孔內再用高壓風清孔一次，然后放入錨索，錨索外套上定位片使錨索居中，應防止錨索扭壓、彎曲，注漿管應隨錨索一同入孔，注漿管頭部距孔底5～10 cm，錨索定位止漿環到達孔口時停止推送，再檢查一遍排氣管是否暢通。

圖4 錨索體結構圖

3.4.5 錨固段注漿

采用排氣注漿，下傾的孔砂漿由孔底注入，空氣由錨索孔排出。上傾和水平孔砂漿由孔口注入，空氣壓向孔底，再進入排氣管排出孔外，注漿壓力0.4～0.6 MPa，砂漿必須用425號水泥，中砂過篩，加早強劑，砂漿攪拌機攪拌均勻，漿液在初凝之前用完，并不得混入雜物，注漿到錨固段注滿后即停止。

3.4.6 張拉、注漿封孔

錨墩及砂漿達到70%強度后，可進行初張拉，張拉設備儀表應事先進行標定，張拉前在錨索頭部套入墊板和錨具，然后安放張拉千斤頂，軸線與錨索軸線一致，張拉采用整體分級張拉的程序，每級穩定10 min，待錨墩混凝土達到100%強度后，進行末張拉，為確保預應力部分損失后不低于設計值，應進行超張拉。

張拉完成后，通過預留注漿管，管口距原砂漿面30 cm，進行封孔注漿，孔中的空氣由設在定位止漿環處的排氣管排出，要求孔中注滿漿液，然后從錨具量起留5 cm鋼鉸線，用鏨截子去多余部分，外覆8 cm厚的細石混凝土保護層。

3.4.7 錨索施工質量控制

錨索在施工過程對其孔位放樣，其允許誤差±1 cm，孔徑誤差±2 mm。采用高壓風洗孔應干凈徹底，孔中不得殘留巖粉和水。錨索制作要確保每一根鋼鉸線始終排列均勻、平直，不扭不叉銹、油污要除凈，對有死彎、機械損傷及銹蝕者應剔除。

錨索安放要保證錨索孔壁有不少于1 cm的注漿厚度。砂漿水灰比，灰砂比允許誤差為±0.03。自由段注漿必須待漿液溢出孔口穩定1～2 min后，方可停止注漿，24 h后還需補漿，以確保注漿飽滿。

4 結束語

根據巖土錨索技術規程（CECS22：2005）要求，錨索施工結束后，要對錨索進行驗收試驗，且驗收數量不得低于錨索總數的5%，并不能少于3根。本工程結束時選擇3根錨索做驗收試驗，3根錨索的最大荷載均大于錨索軸向拉力設計值的1.5倍，滿足規范要求。在后期運營階段對5根預應力錨索（規范要求3根）的檢測數據表明，初始預應力值的平均變化為5.3%，小于10%的規范要求。

從加固效果看，本段高路塹邊坡的加固既美觀又安全有效地提高了高邊坡巖土的整體性與穩定性。隨著我國大力發展鐵路客運專線與高速公路的建設，今后在處理類似高邊坡山體加固時可以考慮運用預應力錨索加固方案。