預應力錨索在蘭州市北環路安寧隧道滑坡治理中的應用

裴國鈞

(蘭州市城市建設設計院，甘肅蘭州 730030)

1 滑坡概況

蘭州市北環路工程是蘭州市政府確定的重點工程建設項目。北環路安寧隧道滑坡位于蘭州市安寧區徐家灣洄水灣溝北部山坡上。安寧隧道為雙向隧道，單側隧道為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的大關山溝。由于隧道臨近金城關斷裂，受此斷裂影響，巖體破碎，次級構造發育，開挖時左、右隧道均發生大范圍坍塌。其中左線(北側)隧道在ZK0+270處發生坍塌(距隧道進口118 m)，坍塌石方量達1 000m3；右線(南側)隧道在YK0+418處發生坍塌(距隧道進口246m)，坍塌石方量達200m3。引發山體變形的工程活動主要為南側隧道，大跨度隧道的開挖改變了周圍原有巖體的應力分布條件，加之開挖時爆破作業的影響，使表層本已破碎的巖土體開裂下錯，形成滑坡，目前還未形成統一的滑面，坡體未出現整體下滑。

2 滑坡治理的原則、目標及方案

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定狀態，沒有削坡條件，應選用占地少、簡單易行、具備施工條件、便于實施的治理方案。

(2)經濟合理，行之有效。

選用的治理方案和措施應經濟合理，又能夠有效地遏止滑坡變形破壞的進一步發展，基本保障人民群眾的生命財產安全。

2.2 滑坡治理的目標

根據上述治理原則，提出如下治理目標：

(1)通過對滑坡體治理后，保證不發生滑坡整體滑動，保護滑坡體上或其影響區內人民群眾的生命財產安全，達到減災防災目的。

(2)各類支護結構設計均能滿足穩定性、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，擬采用預應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定滑坡。預應力錨索對坡體擾動小，對隧道建設影響小，施工技術成熟，安寧隧道滑坡應用預應力錨索框架治理最為適宜。

3 錨索工程設計

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，防治工程設計按自重工況安全系數K s=1.30計算滑坡推力，推力計算斷面經現場劃分為2-2’、3-3’、4-4’三個驗算面(見圖 1)，計算結果詳見表 1。

由表1可知，滑坡下滑段與阻滑段以隧道為界，隧道處下滑力達到最大值，因此錨索框架布置于隧道以上滑體內，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 錨索設計

(1)錨索設計錨固力

根據傳遞系數法進行計算，考慮預應力錨索沿滑面施加的抗滑力，不考慮垂直滑面產生的法向阻滑力，所需錨固力為：

式(1)中：T——設計錨固力，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，設計錨固力3 837 kN/m，擬布設錨索水平間距4.0 m，即設計錨固力15 348 kN。擬布設錨索18排，下部12排錨索設計錨固力11 520 kN，每束錨索所承受的軸向拉力設計值Na=960 kN；上部6排錨索設計錨固力3 828 kN，每束錨索所承受的軸向拉力設計值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——地層與錨固體粘結強度特征值，kPa，取320 kPa；

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

計算結果分別為：la≥6.4 m，la≥4.9 m

錨索鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度應滿足式(4)要求：

式(2)中：As——錨桿鋼筋或預應力鋼絞線截面面積，mm2；

ξ2——錨筋抗拉工作條件系數，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，取1.3；

fy——錨筋或預應力鋼絞線抗拉強度值，取1 860 MPa。

計算結果分別為：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同時滿足地層對砂漿粘結力和砂漿對鋼筋的握裹力要求外，還應滿足構造設計規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，取6根；

γo——邊坡工程重要系數，取1.3；

fb——鋼筋與錨固砂漿間的粘結強度設計值，取 2.95 MPa；

ξ3——鋼筋與砂漿粘結強度工作條件系數，對永久性錨索區0.60。

計算結果分別為：la≥1.6m、la≥1.6m

根據錨固段長度計算結果，結合經驗數據，確定錨固段長度為9m。

(4)群錨效應

錨索間距宜大余4m，該工程設計錨索間距4m，應進行群錨效應分析，計算公式如下：

式(5)中：D——錨索最小間距，m；

L——錨索長度，50m；

T——設計錨固力，960kN；

ρ——修正系數，取10(6kN·m)。

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

(5)錨索構造

根據以上分析計算結果確定錨索結構：

9φs15.2錨索孔徑φ150mm，錨索由9根φs15.2高強度低松弛預應力鋼絞線制成，設計載荷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高強度低松弛預應力鋼絞線制成，設計載荷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 框架梁設計

錨索框架坡率以現有坡形設計，坡率1∶1～1∶1.3，框架每片橫向寬度7.98m，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，在節點處設置錨索。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。每兩片之間設置2cm伸縮縫，內填瀝青木板條，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 其它工程設計

(1)被動防護網(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，因此必須采取防止滾石、落石措施。設計采用柔性防護體系支護即SNS系統進行落石的攔截，被動防護網長度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，設計對局部小陡坎進行修整。

(3)滑坡監測

為及時了解滑坡的動態變形情況，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對滑坡地表位移變化進行觀測，共設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月份監測頻率每月30次，9～12月份監測頻率每月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 被動網示意圖

圖3 設置被動網現場照片

由于斜坡錨固工程主體為地下隱蔽工程，且工程質量與施工技術密切相關，對錨固工程施工隊伍的專業技術水平要求較高，應加強施工質量監督與管理，確保邊坡穩定和結構安全。

(1)錨固工程是該工程項目的重要組成部分，按照規范要求，應在現場進行錨固力試驗，以檢驗和確定各項設計參數，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、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計值，鉆孔時應采用干鉆。鉆孔完成之后必須使用高壓風將錨孔清洗干凈，以免降低水泥砂漿與孔壁巖土體間的粘結強度。錨孔成孔并清孔完畢后，應立即放置錨筋并注漿。

(6)錨索錨筋采用高強度低松弛預應力鋼絞線制作，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，應先剝除錨固段PE并除油除銹，按設計要求設置架線環；制作的錨筋長度應增加1～2 m的張拉段，具體根據張拉設備要求確定；錨索孔位、孔徑、孔深和布置形式應符合要求；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備進行標定，正式張拉前先進行預張拉，荷載為設計值的0.1倍。錨索張拉荷載為設計值的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計拉力的 0.25、0.5、0.75、1.0、1.1倍，除最后一級需要穩定10～20 min外，其余每級需要穩定5 min，并分別記錄每一級鋼絞線的伸長量，在每一次穩定時間里必須讀錨頭位移3次，待錨索預應力沒有明顯衰減時再進行鎖定，鎖定荷載與設計拉力值相同。機具切除多余的鋼絞線，嚴禁電割，并留10 cm鋼絞線，以防拽滑，對錨頭經除銹、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“動態設計、信息化施工”的原則。

4.2 框架梁

(1)由于框架設置在現有坡面上，各段邊坡坡率可能不一致，因而框架豎肋長度可根據實際情況進行相應調整。

(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→養護→驗收。

(4)施工總體要求：放線準確、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，鋼筋間距要滿足設計要求。

(6)坡面不平順處應先清理，坡面浮土需清除，梁底凹處應采用同標號混凝土找平后，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一次完成。

(8)框架混凝土澆筑時應振搗密實，以保證質量，特別是節點處更應加強振搗，以防錨索張拉時產生破壞。

5 滑坡監測

5.1 地表位移監測

地表位移觀測采用大地測量系統，布控三角觀測網來實現，滑坡地表位移觀測采用全站儀，觀測的精度和觀測網的布置精度不低于測量規范要求的國家三等技術標準。根據監測工作的目的及主要任務要求，監測工作的主要內容有以下幾個環節：

(1)建立控制基準網。根據該工程及地面情況，水平控制基準網為任意坐標系位移監測網，嚴格依照國家大地測量規范三等要求建網，并精確測定一條基線，基線邊采用往返多測回，導線閉合差不大于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點。監測網控制點應埋設在遠離被觀測對象的穩定體上，盡可能沒有人為干擾的地方，采用現澆水泥強制對中樁，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在最能反映邊坡變形特征的位置，依照國家大地測量規范三等要求，設立強制對中裝置，并標識警示給與保護。簡易裂縫觀測布置示意見圖5。

(3)依據項目實際要求，參照《國家三角測量和精密導線測量規范》(GB-T17942-2000)、《工程測量規范》(GB50026-93)等技術準則確立觀測精度。

(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)監測工作精度要求按《工程測量規范》(GB 50026-93)有關規定執行。其中，基準網按二等精度要求，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，對出現貫通裂縫的區域布設簡易觀測樁，形成觀測樁斷面，采用人工尺量的方法進行觀測。讀數精確到0.1 mm，正常情況下每天確保兩次觀測，當該區域施工時加密測量次數。

簡易觀測樁具有布置方便、不需要設備、觀測直接、操作簡單和費用低等優點，但這種方法獲得數據少，不能進行連續監測，無法知道滑坡發生變形的確切時間。

6 結語

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

[1]宋家齊.工程地質[M].武漢理工大學出版社,2004.

[2]尚守平.結構抗震設計[M].北京：高等教育出版社,2003.