預(yù)應(yīng)力錨索在蘭州市北環(huán)路安寧隧道滑坡治理中的應(yīng)用

裴國鈞

(蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅蘭州 730030)

1 滑坡概況

蘭州市北環(huán)路工程是蘭州市政府確定的重點工程建設(shè)項目。北環(huán)路安寧隧道滑坡位于蘭州市安寧區(qū)徐家灣洄水灣溝北部山坡上。安寧隧道為雙向隧道，單側(cè)隧道為3車道，隧道寬16.5m，高9 m，兩個隧道相距50 m，隧道進口均為滑坡西側(cè)的大關(guān)山溝。由于隧道臨近金城關(guān)斷裂，受此斷裂影響，巖體破碎，次級構(gòu)造發(fā)育，開挖時左、右隧道均發(fā)生大范圍坍塌。其中左線(北側(cè))隧道在ZK0+270處發(fā)生坍塌(距隧道進口118 m)，坍塌石方量達(dá)1 000m3；右線(南側(cè))隧道在YK0+418處發(fā)生坍塌(距隧道進口246m)，坍塌石方量達(dá)200m3。引發(fā)山體變形的工程活動主要為南側(cè)隧道，大跨度隧道的開挖改變了周圍原有巖體的應(yīng)力分布條件，加之開挖時爆破作業(yè)的影響，使表層本已破碎的巖土體開裂下錯，形成滑坡，目前還未形成統(tǒng)一的滑面，坡體未出現(xiàn)整體下滑。

2 滑坡治理的原則、目標(biāo)及方案

2.1 滑坡治理原則

(1)因地制宜，便于實施。

鑒于該滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，沒有削坡條件，應(yīng)選用占地少、簡單易行、具備施工條件、便于實施的治理方案。

(2)經(jīng)濟合理，行之有效。

選用的治理方案和措施應(yīng)經(jīng)濟合理，又能夠有效地遏止滑坡變形破壞的進一步發(fā)展，基本保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

2.2 滑坡治理的目標(biāo)

根據(jù)上述治理原則，提出如下治理目標(biāo)：

(1)通過對滑坡體治理后，保證不發(fā)生滑坡整體滑動，保護滑坡體上或其影響區(qū)內(nèi)人民群眾的生命財產(chǎn)安全，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)目的。

(2)各類支護結(jié)構(gòu)設(shè)計均能滿足穩(wěn)定性、強度驗算。

2.3 治理方案

安寧隧道滑坡位于山體中上部，坡面較陡，滑坡體厚度大，擬采用預(yù)應(yīng)力錨索對滑坡體進行深層加固，將滑坡推力傳入錨固段以穩(wěn)定滑坡。預(yù)應(yīng)力錨索對坡體擾動小，對隧道建設(shè)影響小，施工技術(shù)成熟，安寧隧道滑坡應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索框架治理最為適宜。

3 錨索工程設(shè)計

3.1 滑坡推力計算

安寧隧道滑坡防治工程等級按Ⅰ級考慮，防治工程設(shè)計按自重工況安全系數(shù)K s=1.30計算滑坡推力，推力計算斷面經(jīng)現(xiàn)場劃分為2-2’、3-3’、4-4’三個驗算面(見圖 1)，計算結(jié)果詳見表 1。

由表1可知，滑坡下滑段與阻滑段以隧道為界，隧道處下滑力達(dá)到最大值，因此錨索框架布置于隧道以上滑體內(nèi)，滑坡剩余下滑力以最大值3 706 kN/m(3號斷面計算值)考慮。

3.2 錨索設(shè)計

(1)錨索設(shè)計錨固力

根據(jù)傳遞系數(shù)法進行計算，考慮預(yù)應(yīng)力錨索沿滑面施加的抗滑力，不考慮垂直滑面產(chǎn)生的法向阻滑力，所需錨固力為：

式(1)中：T——設(shè)計錨固力，kN；

P——滑坡推力，取3 706 kN；

θ——錨索傾角，取15°。

計算得：T=3 837 kN。

滑坡剩余下滑力最大值為3 706 kN/m，設(shè)計錨固力3 837 kN/m，擬布設(shè)錨索水平間距4.0 m，即設(shè)計錨固力15 348 kN。擬布設(shè)錨索18排，下部12排錨索設(shè)計錨固力11 520 kN，每束錨索所承受的軸向拉力設(shè)計值Na=960 kN；上部6排錨索設(shè)計錨固力3 828 kN，每束錨索所承受的軸向拉力設(shè)計值Na=638 kN。

圖1 斷面推力計算圖

表1 滑坡剖面推力計算表(K=1.30)

(2)錨索鋼筋截面面積

錨索鋼筋截面面積應(yīng)滿足式(2)的要求：

式

(3)中：la——錨固段長度，m；

D——錨固體直徑，9φs15.2錨索直徑0.15，6φs15.2錨索直徑0.13 m；

frb——地層與錨固體粘結(jié)強度特征值，kPa，取320 kPa；

ξ1——錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù)，對永久性錨索取1.00，對臨時性錨索取1.33。

計算結(jié)果分別為：la≥6.4 m，la≥4.9 m

錨索鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度應(yīng)滿足式(4)要求：

式(2)中：As——錨桿鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面面積，mm2；

ξ2——錨筋抗拉工作條件系數(shù)，永久性錨索取0.69，臨時性錨索取0.92；

γo——邊坡工程重要系數(shù)，取1.3；

fy——錨筋或預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強度值，取1 860 MPa。

計算結(jié)果分別為：As≥972 mm2、As≥646 mm2，單根Ф15.2鋼絞線公稱截面積為139 mm2，每束錨索分別需9根與6根Ф15.2鋼絞線。

(3)錨索錨固段長度

錨索錨固段長度除應(yīng)同時滿足地層對砂漿粘結(jié)力和砂漿對鋼筋的握裹力要求外，還應(yīng)滿足構(gòu)造設(shè)計規(guī)定的最少錨索錨固長度的要求。

錨索錨固體與地層的錨固長度應(yīng)滿足式(3)的要求：

式(4)中：la——錨筋與砂漿間的錨固長度，m；

d——錨筋直徑，取0.015 2 m；

n——鋼筋(鋼絞線)根數(shù)，取6根；

γo——邊坡工程重要系數(shù)，取1.3；

fb——鋼筋與錨固砂漿間的粘結(jié)強度設(shè)計值，取 2.95 MPa；

ξ3——鋼筋與砂漿粘結(jié)強度工作條件系數(shù)，對永久性錨索區(qū)0.60。

計算結(jié)果分別為：la≥1.6m、la≥1.6m

根據(jù)錨固段長度計算結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定錨固段長度為9m。

(4)群錨效應(yīng)

錨索間距宜大余4m，該工程設(shè)計錨索間距4m，應(yīng)進行群錨效應(yīng)分析，計算公式如下：

式(5)中：D——錨索最小間距，m；

L——錨索長度，50m；

T——設(shè)計錨固力，960kN；

ρ——修正系數(shù)，取10(6kN·m)。

計算得：D=3.83m。設(shè)計錨索間距大于最小間距，符合規(guī)范要求。相鄰錨索不宜等長設(shè)計，本次錨索內(nèi)端排列長短差在2～5m之間。

(5)錨索構(gòu)造

根據(jù)以上分析計算結(jié)果確定錨索結(jié)構(gòu)：

9φs15.2錨索孔徑φ150mm，錨索由9根φs15.2高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制成，設(shè)計載荷960kN，錨固段長度9m，安裝傾角15°，錨索間距4×4m，錨索孔內(nèi)灌注純水泥漿或M30水泥砂漿，水灰比0.45～0.5，灰砂比1∶1，砂漿體強度不低于30MPa，注漿壓力不低于0.1MPa。

6φs15.2錨索孔徑φ130mm，錨索由6根φs15.2高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制成，設(shè)計載荷638kN，錨固段長度9m，安裝傾角15°，錨索間距4×4m，錨索孔內(nèi)灌注純水泥漿或M30水泥砂漿，水灰比0.45～0.5，灰砂比1∶1，砂漿體強度不低于30MPa，注漿壓力不低于0.1MPa。

3.3 框架梁設(shè)計

錨索框架坡率以現(xiàn)有坡形設(shè)計，坡率1∶1～1∶1.3，框架每片橫向?qū)挾?.98m，垂直高度11.0m，坡面長度15.6～18.0m，每片框架由2根豎肋和3道橫梁及頂梁連接而成，在節(jié)點處設(shè)置錨索。框架梁、豎肋截面尺寸0.6m×0.7m，豎肋橫向間距4m，橫梁豎向間距4m，框架為C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土，豎肋及其所連橫梁和頂梁組成一片框架，每片框架整體澆筑，一次完成。每兩片之間設(shè)置2cm伸縮縫，內(nèi)填瀝青木板條，深度20cm。混凝土框架嵌置于斜坡中，嵌置深度大于框架截面高度的2/3。

3.4 其它工程設(shè)計

(1)被動防護網(wǎng)(見圖 2、圖 3)

在邊坡施工中，不論是挖掘機施工，還是人工施工，都將擾動山體，使一些活石、危石松動墜落，造成事故，因此必須采取防止?jié)L石、落石措施。設(shè)計采用柔性防護體系支護即SNS系統(tǒng)進行落石的攔截，被動防護網(wǎng)長度146m，型號RX-050，防護高度6.0m。

(2)坡面清理

施工前，進行巡山清除活石，對坡面上的危巖體、碎石、滾石進行清除。錨索框架工程區(qū)局部山體存在小陡坎，為方便框架工程施工，外觀橫平豎直，設(shè)計對局部小陡坎進行修整。

(3)滑坡監(jiān)測

為及時了解滑坡的動態(tài)變形情況，確保治理工程施工安全，在施工期間及施工完后一段時間內(nèi)對滑坡地表位移變化進行觀測，共設(shè)置了地表位移觀測點6個，簡易裂縫測點6個。地表位移觀測點檢測周期為2012年4月至2012年12月，4～8月份監(jiān)測頻率每月30次，9～12月份監(jiān)測頻率每月15次。簡易裂縫測點檢測周期為2012年4月至2012年6月，監(jiān)測頻率每月30次。

4 滑坡治理的要求及注意事項

4.1 錨索

安寧隧道滑坡位于蘭州市安寧區(qū)徐家灣洄水灣溝北部山坡，洄水灣溝道出口與洄水灣路相接，且有盤山簡易道路可至滑坡頂部，交通較為便利。

圖2 被動網(wǎng)示意圖

圖3 設(shè)置被動網(wǎng)現(xiàn)場照片

由于斜坡錨固工程主體為地下隱蔽工程，且工程質(zhì)量與施工技術(shù)密切相關(guān)，對錨固工程施工隊伍的專業(yè)技術(shù)水平要求較高，應(yīng)加強施工質(zhì)量監(jiān)督與管理，確保邊坡穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

(1)錨固工程是該工程項目的重要組成部分，按照規(guī)范要求，應(yīng)在現(xiàn)場進行錨固力試驗，以檢驗和確定各項設(shè)計參數(shù)，確保工程安全有效。

(2)施工方法：采用機械成孔、機械注漿。

(3)施工工序：測量→定位→搭腳手架→安裝鉆機→成孔→清孔→安裝錨索→注漿→張拉鎖定→驗收。

(4)施工總體要求：鉆機安放平穩(wěn)、角度正確，保證孔深、孔徑，錨索居中，注漿飽滿，張拉到位。

(5)錨索成孔后的孔徑不得小于設(shè)計值，鉆孔時應(yīng)采用干鉆。鉆孔完成之后必須使用高壓風(fēng)將錨孔清洗干凈，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體間的粘結(jié)強度。錨孔成孔并清孔完畢后，應(yīng)立即放置錨筋并注漿。

(6)錨索錨筋采用高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作，強度等級為1 860 MPa。要求鋼絞線順直、無損傷、無死彎。錨索錨筋制作時，應(yīng)先剝除錨固段PE并除油除銹，按設(shè)計要求設(shè)置架線環(huán)；制作的錨筋長度應(yīng)增加1～2 m的張拉段，具體根據(jù)張拉設(shè)備要求確定；錨索孔位、孔徑、孔深和布置形式應(yīng)符合要求；鋼絞線下料采用砂輪切割機切割，避免電焊切割。

(7)錨索張拉要求：錨索張拉前必須對張拉設(shè)備進行標(biāo)定，正式張拉前先進行預(yù)張拉，荷載為設(shè)計值的0.1倍。錨索張拉荷載為設(shè)計值的1.1倍，依次按上、下(或中、上、下)的次序分兩次進行張拉，每次張拉值為總張拉值的一半。必須待每根錨索張拉完第一次后，再按(或中、上、下)的次序進行第二次張拉，且每次張拉分五級進行，每次荷載分別為錨索設(shè)計拉力的 0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，除最后一級需要穩(wěn)定10～20 min外，其余每級需要穩(wěn)定5 min，并分別記錄每一級鋼絞線的伸長量，在每一次穩(wěn)定時間里必須讀錨頭位移3次，待錨索預(yù)應(yīng)力沒有明顯衰減時再進行鎖定，鎖定荷載與設(shè)計拉力值相同。機具切除多余的鋼絞線，嚴(yán)禁電割，并留10 cm鋼絞線，以防拽滑，對錨頭經(jīng)除銹、涂防腐漆三度后封錨。

(8)為保證工程實施效果，在整個項目實施過程中須遵循“動態(tài)設(shè)計、信息化施工”的原則。

4.2 框架梁

(1)由于框架設(shè)置在現(xiàn)有坡面上，各段邊坡坡率可能不一致，因而框架豎肋長度可根據(jù)實際情況進行相應(yīng)調(diào)整。

(2)施工方法：采用人工開挖、人工澆筑。

(3)施工工序：測量→放線→基槽開挖→制安鋼筋→支模→澆筑→養(yǎng)護→驗收。

(4)施工總體要求：放線準(zhǔn)確、基槽開挖平直，鋼筋居中、支模牢固，澆筑密實、振倒均勻、及時養(yǎng)護。

(5)框架梁施工要保證框架梁頂面的平順和美觀，鋼筋間距要滿足設(shè)計要求。

(6)坡面不平順處應(yīng)先清理，坡面浮土需清除，梁底凹處應(yīng)采用同標(biāo)號混凝土找平后，再綁扎鋼筋。

(7)框架按沿邊坡走向每8m為一片進行施工，同一片框架混凝土澆筑應(yīng)一次完成。

(8)框架混凝土澆筑時應(yīng)振搗密實，以保證質(zhì)量，特別是節(jié)點處更應(yīng)加強振搗，以防錨索張拉時產(chǎn)生破壞。

5 滑坡監(jiān)測

5.1 地表位移監(jiān)測

地表位移觀測采用大地測量系統(tǒng)，布控三角觀測網(wǎng)來實現(xiàn)，滑坡地表位移觀測采用全站儀，觀測的精度和觀測網(wǎng)的布置精度不低于測量規(guī)范要求的國家三等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)監(jiān)測工作的目的及主要任務(wù)要求，監(jiān)測工作的主要內(nèi)容有以下幾個環(huán)節(jié)：

(1)建立控制基準(zhǔn)網(wǎng)。根據(jù)該工程及地面情況，水平控制基準(zhǔn)網(wǎng)為任意坐標(biāo)系位移監(jiān)測網(wǎng)，嚴(yán)格依照國家大地測量規(guī)范三等要求建網(wǎng)，并精確測定一條基線，基線邊采用往返多測回，導(dǎo)線閉合差不大于3 mm。相對中誤差不大于1/50 000。高程采用三角高程測量，與水平控制點重合，不再另外建立高程基準(zhǔn)點。監(jiān)測網(wǎng)控制點應(yīng)埋設(shè)在遠(yuǎn)離被觀測對象的穩(wěn)定體上，盡可能沒有人為干擾的地方，采用現(xiàn)澆水泥強制對中樁，埋深不得小于80 cm，地面以上至少大于1 m。

(2)在滑坡周界以外及坡體上布設(shè)簡易裂縫檢測點，地面測點示意見圖4。簡易裂縫檢測點需設(shè)在最能反映邊坡變形特征的位置，依照國家大地測量規(guī)范三等要求，設(shè)立強制對中裝置，并標(biāo)識警示給與保護。簡易裂縫觀測布置示意見圖5。

(3)依據(jù)項目實際要求，參照《國家三角測量和精密導(dǎo)線測量規(guī)范》(GB-T17942-2000)、《工程測量規(guī)范》(GB50026-93)等技術(shù)準(zhǔn)則確立觀測精度。

(4)采用全站儀測水平角、水平距進行計算的方法，對設(shè)于變形體上的工作點進行定期觀測。每次觀測遵守“三固定”的原則，即：觀測所用設(shè)備固定、觀測人員固定、觀測路線固定，盡可能減少觀測中誤差，誤差范圍不大于3 mm。

圖4 地面測點示意圖

圖5 簡易裂縫觀測布置示意圖

(5)監(jiān)測工作精度要求按《工程測量規(guī)范》(GB 50026-93)有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。其中，基準(zhǔn)網(wǎng)按二等精度要求，水平位移測量選為三等精度要求，即變形點的點位中誤差不大于±6.0 mm；垂直位移測量選為四等精度要求，即變形點的高程中誤差不大于±2.0mm,相鄰變形點高差中誤差不大于±1.0mm。

5.2 簡易裂縫觀測

在搶險加固工程中，對出現(xiàn)貫通裂縫的區(qū)域布設(shè)簡易觀測樁，形成觀測樁斷面，采用人工尺量的方法進行觀測。讀數(shù)精確到0.1 mm，正常情況下每天確保兩次觀測，當(dāng)該區(qū)域施工時加密測量次數(shù)。

簡易觀測樁具有布置方便、不需要設(shè)備、觀測直接、操作簡單和費用低等優(yōu)點，但這種方法獲得數(shù)據(jù)少，不能進行連續(xù)監(jiān)測，無法知道滑坡發(fā)生變形的確切時間。

6 結(jié)語

滑坡治理范圍僅為已發(fā)生滑動的部位。該項目的應(yīng)急治理保證治理后的滑坡體整體穩(wěn)定，山體治理后不會整體滑動，但隨著安寧隧道施工的進行，會發(fā)生新的擾動，存在誘發(fā)新滑坡的可能性。在隧道施工時要對線路沿線開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及防治工作，同時要加強洞內(nèi)支護工程，確保措施到位與工程安全。

[1]宋家齊.工程地質(zhì)[M].武漢理工大學(xué)出版社,2004.

[2]尚守平.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[M].北京：高等教育出版社,2003.