預應力錨索在高速公路高邊坡治理防護中的應用

■朱燁豪

（福建中馳交通工程有限公司，漳州 362000）

1 引言

漳詔高速公路于2002年建成通車，至今已經投入營運十余年，由于高速公路長期受到雨水的侵蝕，邊坡受雨水沖刷較為嚴重，尤其是路塹多級邊坡出現滑坡、坍塌、溜方等水毀病害現象較多，如不及時治理，嚴重影響高速公路的通行安全，造成巨大的經濟損失，所以對高邊坡的水毀病害治理防護在養護工作中顯得尤為重要。

2 工程概況

漳詔高速公路AK2353+800～AK2354+142.67段右側路塹多級邊坡原設計為8級高邊坡，高度約有70米，坡度為1:0.75，防護方式為石砌擋墻+拱形骨架+植被防護。現該邊坡第二～五階坡面發生滑塌，后緣張拉裂縫位于第五階坡面中下部，錯臺高度約2.5～3.0 m，剪出口位于第二階坡面中下部，第五階平臺中部出現張拉裂縫。場區內地層情況主要為：殘積砂質粘性土、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖，坡體夾有大量孤石。坡體風化差異大，K2353+947.37附近處于風化交界帶。滑坡體前緣第一階可見2處出水點，有大量水流流出，流量約0.1～0.3L/s，且坡面滲水嚴重。

根據滑坡處治設計圖，結合以往的路塹多級邊坡治理經驗，本次防護措施主要采用“坡面適當修坡+寬平臺+錨索框架加固+坡面、坡體排水”的綜合治理方案。本文主要介紹預應力錨索施工技術[1]。

3 預應力錨索框架工作原理

預應力錨索框架是一種新型支擋結構，廣泛應用于公路滑坡整治和邊坡加固，該結構通過錨索張拉后的彈性回縮，使框架、錨索和巖土體形成新的受力體系，增強抗滑力，以平衡巖土體下滑力或邊坡卸荷松弛產生的巖土壓力，使邊坡保持穩定[2]。

4 預應力錨索施工技術

預應力錨索施工主要包括施工準備、錨孔鉆造、錨筋制安、錨孔注漿、框架梁施工、錨索張拉鎖定和驗收封錨等工作流程（見圖1）。

圖1 預應力錨索施工工藝流程圖

4.1 施工準備

先做好施工組織設計，明確施工方法、施工工藝、工序流程、人員組織和施工設備、材料、試驗、監測安排及安全、質量管理。接著申請單項工程開工，開工條件包括開工報告、錨筋材料試驗、漿體材料試驗、配合比試驗、相關機械設備等。注意張拉設備及有關機具應進行標定。開工申請報復后，錨固工程開工前應對錨索進行基本試驗（即破壞性抗拔試驗），以確定錨索的極限承載力，檢驗錨索在超過設計拉力并接近極限拉力條件下的工作性能和安全程度，以便在正式使用前調整錨索結構參數或改進錨索的制作工藝，保證施工質量。

4.2 錨索試驗計算

根據設計要求，本次錨索為壓力分散型，每束6根Φ15.24無粘結鋼絞線，分三個單元布置，設計荷載為700kN，鎖定荷載為600kN，超張拉荷載為1050kN。試驗采用柳州市銀橋預應力機械廠生產的千斤頂，型號YCW150G，壓力表號HY64510100408，其校準方程y=0.0335x-0.284，其中:x為千斤頂拉力 （kN），y為油表讀數。

按照試驗張拉設備標定的回歸方程:y=0.0335x-0.284，及表 1（詳見《巖土錨桿（索）技術規程》），編制循環加卸荷等級與位移觀測間隔時間表、荷載與油表讀數關系表，明確張拉順序。

表1 施加應力與壓力表讀數對應數值表

因破壞荷載未知，故計算差異伸長量采用超張拉設計荷載150%即1050kN進行計算。按平均分配法計每根鋼絞線拉力為1050/6=175kN[4]。根據設計文件，錨索張拉采用差異分步張拉，根據試驗孔的錨索長度不同，分別計算差異伸長量，鋼絞線伸長量△L（mm）按以下公式（1）計算：

式中：

P——預應力筋的平均張拉力（取175kN）；

L——預應力筋的長度（mm）；

E——預應力筋的彈性模量（取1.98×105MPa,從試驗報告取平均值所得）；

A——預應力筋的截面積（取140mm2）。

（2）差異荷載計算

△P1=E×A×（△L1-2/L1）×2

△P2=E×A×（△L2-3/L2+△L2-3/L1）×2

經過計算，SY1、SY2、SY3各單元補償荷載及各錨索初始荷載見下表2。

表2 各單元補償荷載及各錨索初始荷載表

從試驗鉆造施工過程中看，坡體為殘積砂質粘性土、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖，坡體夾有大量孤石。適宜采用預應力錨索作為加固防護措施，本邊坡地層地質條件基本能滿足動態設計要求，注漿材料滿足要求，錨索施工工藝比較理想[5]。

4.3 錨孔鉆造

按照設計圖紙進行邊坡復測（包括中線、水平、橫斷面），然后根據設計樁號采用拉線測量并結合水準測量進行放線，并用鐵釬和油漆標記準確定位錨孔位置,并依據設計要求進行編號。鉆機嚴格按照設計孔位、傾角和方位準確就位，采用測角量具控制角度，鉆機導軌傾角誤差不超過±1°，方位誤差不超過±2°。鉆孔孔徑、孔深要求不得小于設計值，并超鉆50cm，鉆進達到設計深度后，不能立即停鉆，要求穩鉆5min，防止孔底尖滅，并及時清理錨孔。經現場監理檢驗合格后，方可進行錨筋體安裝。

4.4 錨筋制安

受施工場地限制，錨筋的制作組裝場區只能搭建于應急停車帶上，搭設的組裝架高于地面70cm、長度與錨筋設計長度相適應，并搭設簡易防曬防雨棚。預應力錨索為壓力分散型錨索，錨筋材料是無粘結高強度低松馳鋼絞線，對鋼絞線同單元和鋼筋錨接頭進行醒目可靠的標記。錨筋下料應整齊準確，誤差不大于±50cm，預留張拉端鋼絞線長度1.5m，鋼筋錨桿0.5m。下料應注意各單元錨索長度是不同的，鋼絞線一律采用機械切割下料。

擠壓頭的組裝：擠壓套、擠壓簧安裝準確，擠壓頂推進應均勻充分，進行3%抽樣檢測，確保單根擠壓強度不低于200kN。組裝承載體時應定位準確，擠壓套通過螺栓在承載體和限位片之間栓接牢固。架線環間距為1.2m（規范為1.0～1.5m），應準確定位、綁接牢固，錨孔孔口位置必須設置一個架線環。注漿管穿索安裝準確定位，綁扎結實牢固，深入導向帽7cm。導向帽可點焊固定于最前端承載板上，留溢漿孔，保證孔底返漿。所有的鋼質部分均應均勻涂刷防腐油漆。錨筋體擺放順直，不扭不叉，排列均勻。錨筋體安裝時應按設計傾角和方位平順推進，嚴禁抖動、扭轉和串動，防止中途散束和卡阻。

4.5 錨孔注漿

錨索注漿采用水灰比0.45的純水泥漿，其中錨固段遇土質或砂土狀強風化巖層且富水時應采用二次高壓劈裂注漿法來提高地層錨固力。注漿材料要求嚴格按照經試驗合格的配比備料，注漿漿液應嚴格按照配合比攪拌均勻，隨拌隨用，漿體強度41MPa。錨孔注漿必須采用孔底返漿方法（注漿壓力一般為2.0MPa左右），直至孔口溢出新鮮漿液，嚴禁抽拔注漿管或孔口注漿；如發現孔口漿面回落，應在30min內進行孔底壓注補漿3次，確保孔口漿體充滿。

采用二次劈裂注漿提高地層錨固力時，以漿體強度控制開始劈注時間 （一次注漿體強度為5MPa），在二次注漿管的錨固段內設花孔和封塞，二次注漿的高壓注漿管應采用鍍鋅鐵管或鋼管。注漿材料加入聚丙烯腈纖維（PAN），摻入量為每方 1.9kg（纖維抗拉強度不小于 700MPa）。

4.6 錨筋張拉鎖定

在注漿漿體與框架混凝土強度達到設計強度80%以上時（注漿、框架梁混凝土澆筑完成7d后），方可進行張拉鎖定作業。錨斜托臺座的承壓面應平整，并與錨筋的軸線方向垂直。錨具安裝應與錨墊板和千斤頂密貼對中，千斤頂軸線與錨孔及錨筋體同軸一線，確保承載均勻。錨筋的張拉必須采用專用設備，設備在張拉作業前應進行標定，錨具、夾片等檢驗合格后方可使用。

錨索正式張拉前，取15%的設計張拉荷載，對其預張拉2次，使其各部位接觸緊密，鋼絞線完全平直。因各孔錨索長度不同，張拉應注意嚴格按設計次序分單元采用差異分步張拉，根據設計荷載和錨筋長度計算確定差異荷載，并根據計算的差異荷載進行分單元張拉。錨索的預應力在補足差異荷載后分5級按有關規范或規定施加，即設計荷載的20%，50%，75%，100%，110%。在張拉最后一級荷載時，應持荷穩定10min后卸荷鎖定。詳見表3所示為錨索張拉荷載等級劃分和觀測時間表。

表3 錨索張拉荷載等級劃分和觀測時間表

4.7 鎖定錨索

錨筋張拉至設定最大荷載值并荷穩定15min，然后進行鎖定作業。夾片以及錨具的選擇，應該充分考慮鋼絞線的股數，鋼絞線從底部插入錨具，同時將鋼板壓平，相關的操作過程必須依據相應的操作規范。在張拉過程中發現有明顯預應力損失，應及時進行補償張拉。

4.8 錨孔驗收封錨

完成錨索張拉相關的驗收工作后，應該對錨頭及時進行封錨以及補漿工作，為了避免外錨頭被腐蝕，應該用砼進行封頭。

5 預應力錨索施工效果評價

預應力錨索施工完成后邊坡加固效果顯著，美觀，安全，見圖2。

該工程于2014年4月27日開始施工，至2014年12月14日完工，共完成預應力錨索3758m，根據漳州市交通工程質量檢測中心試驗室的檢測，檢測結果全部合格，合格率達到100%，施工達到預期效果。

圖2 施工前與施工后的效果對比

6 經濟效益比較分析

6.1 幾種邊坡防護方案的對比分析

邊坡防護方案主要有：植物防護、圬工防護等、錨索混凝土框架植物防護。以上各種方案對比分析如下：

植物防護：方法簡單，施工方便，但防護初期抗沖刷能力弱，容易受風吹雨淋等因素的影響而大量流失，導致坡面植被覆蓋率很低。

圬工防護：圬工防護投資大，造價高，工程量大，但治理面積小，需長期投入大量的人力、物力和財力進行檢修。

錨索混凝土框架植物防護：它既保留了錨桿對風化破碎巖石邊坡的主動加固作用,防止巖石邊坡經開挖卸荷和爆破松動而產生的局部楔形破壞,又吸收了漿砌片石骨架植草防護的造型美觀、便于綠化的優點,適用于土質邊坡和坡體中無不良結構面、無風化破碎的巖石路塹邊坡。

6.2 施工成本測算

預應力錨索施工成本跟邊坡的破壞程度、巖土性質、邊坡高度及施工難易度有關系。以漳詔高速公路AK2353+800～AK2354+142.67段右側高邊坡施工為例，成本為482.3元/m2，詳見表 4。

表4 預應力錨索單價分析

7 結語

綜上所述，在高速公路高邊坡病害治理過程中，使用預應力錨索可以起到良好的邊坡加固效果，不僅可以有效保證工程的施工質量，而且可以在一定程度上降低地震、洪水、自然災害對公路結構穩定性，減少了施工產生的干擾，值得類似工程借鑒和參考。

[1]劉效堯,朱新實.預應力技術及材料設備（第3版）[M].北京:人民交通出版社，2012..

[2]廖知勇.預應力錨索樁錨索拉力研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[3]張團結.蘭州至海石灣高速公路土質高邊坡穩定性分析與預應力錨索的工程應用[D].西安：長安大學，2009.

[4]李廣柱,趙大民.預應力錨索框架在高速公路高邊坡加固中的應用[J].北方交通，2009（03）：32-34.

[5]李志強.高速公路高邊坡工程中預應力錨索的施工技術[J].珠江水運，2016（21）：68-69.