預應力錨索樁板墻在鐵路深路塹邊坡中的應用分析

佟秀文

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江哈爾濱 154006）

0 引言

在對深路塹進行挖掘施工期間，不可避免地會擾動整個邊坡結構及力場，破壞其完整性及穩固性，進一步降低其力學指標，導致邊坡土質松散，無法維持穩固的形態，加之降水、大風等環境因素也將進一步降低邊坡巖土結構的穩定性，產生裂隙、斷層等現象，造成邊坡結構失穩，影響鐵路建設安全。相關技術人員通過引進預應力錨索樁板墻的施工方式，可使錨索、抗滑樁、邊坡巖土形成統一整體，并重新分配重量，能夠有效規避坡體下滑風險，進而達到邊坡加固的目的。

1 實例分析

本文以X 線DIK125+700—DIK126+075 路段為例，該鐵路段邊坡地勢陡峭且表面覆蓋大量植被，巖土結構為碎裂巖+人工填筑粉質黏土，其中碎裂巖層大多由灰褐色、灰黃色的變質砂巖構成，屬于一級破碎程度，輕輕錘擊巖體就會發生結構面斷裂情況，10m 以上的巖體其應力值σ0大小約為400kPa，10m以下的巖體其應力值σ0大小約為600kPa；人工填筑粉質黏土則主要表現為灰黃色的普通填料。考慮到該路段的邊坡較高，因此技術人員主要利用預應力錨索樁板墻的施工形式開展深路塹邊坡治理作業，確保鐵路通車安全。

2 加固機理

通常情況下，當邊坡土體挖開后，其坡面釋放的壓力將遠遠大于坡體內部釋放的壓力，此時若是使用預應力錨索樁板墻施工方式，將有效限制邊坡下滑情況，同時其支擋結構也會發生相應形變，產生反作用力，防止坡體進一步發生崩塌、滑落等病害，進而使其重新恢復成穩定狀態，起到加固邊坡的作用。具體的加固機理如下。

2.1 擋土板與土體之間的相互作用

由于抗滑樁前側存在一定的臨空面，因此即使利用抗滑樁限制了坡體下滑趨勢，但樁與樁之間的巖土受到重力作用，仍會發生局部形變，為有效避免此部分影響施工安全，需要在樁與樁之間加裝擋土板限制邊坡形變。

2.2 抗滑樁與土體之間的相互作用

由于在土方開挖環節極易擾動邊坡結構，因此在重力的影響下，邊坡巖土將使得已經固定好的抗滑樁發生形變，重新調整內力，抵消巖土下滑力，此時樁間土壤將逐漸放緩滑動趨勢直至停止。從實際情況來看，由于不同區域的土體所受到的約束力不同，因此越靠近抗滑樁的土體其剝落現象越不明顯，樁間及樁后的土體其抗剪力不同，進而在局部范圍內形成土拱，以此可將樁間土壤受到的下滑力轉移至樁體，起到一定的抗滑作用，確保坡體的穩固性。

2.3 預應力錨索與土體之間的相互作用

預應力錨索的兩端被分別固定在加固物及穩定地層中，由此將形成全新受力結構，可充分發揮砂漿、巖體、錨索的膠合作用，及時傳遞張拉力并牽制坍滑體，滿足邊坡加固的要求。

2.4 預應力錨索與抗滑樁之間的相互作用

在抗滑樁加裝預應力錨索后，樁體逐漸形成簡支或彈性支撐形式，增大了抗滑樁的彎矩，因此抗滑樁的埋入深度及截面積可適當減小。同時，抗滑樁背部的受力方式逐漸轉變為受拉力，加之受到預應力影響，可有效提高抗滑樁穩固性。另外，抗滑樁也可有效阻擋巖土下滑，避免預應力錨索再次出現松弛問題，充分發揮二者的協同作業優勢，保障邊坡作業安全[1]。

3 預應力錨索樁板墻的設計

3.1 設計參數

3.1.1 錨索最優方位角

通過計算預應力錨索張拉部分lz在滑動面上的法向投影數值hz，可得到其阻滑力Fm的大小，具體計算公式如下：

式（1）～式（2）中：α+β 表示錨索最優方位角；α 表示滑動面與水平面夾角；β 表示錨索與水平面夾角；ζ 表示Fm與lz的比值。若是錨索的剪切力及拉斷力同時被破壞，則此時的α+β=60°+φ/2，φ表示滑動面內摩擦角。為保證在盡量減小剪切位移量的同時使錨索處于受拉屈服狀態，此時α+β=（45～55°）+φ/2，通過計算可知，β 取值約為20°，因此可選用8 根規格為φ15.2 的鋼絞線制作強度等級約為1.86×103MPa的錨索。

3.1.2 錨索預應力

通過分析滑面處樁身彎矩為零時樁頂位移數值，可精確判定錨索預應力值大小，依據抗滑樁受力條件，該工程選擇的錨索張拉力大小約為300kN。

3.1.3 錨固段錨固長度

該錨固段主要可分為錨固、自由、張拉三個部分，其總長度即為三個環節的長度之和，其長度大小與砂漿+周圍巖體的極限抗剪力、巖體間的極限抗剪力、砂漿+鋼絞線的極限抗剪力大小有關，分別計算不同狀況下的極限抗剪力，并取最小值計算錨固長度，可得到錨索極限抗拔力Tu的計算公式。

若砂漿及鋼絞線緊密相連，則D 表示鋼絞線直徑；若錨索會發生孔內滑動問題，則D 表示鉆孔直徑；LM表示錨固段長度；τ()z 表示阻抗剪應力在內錨固段長度方向上的分布參數。該工程中僅需在抗滑樁后加設一根錨索，因此可計算其D 取值150mm，LM取值10m，錨索總長取值20m。

3.1.4 抗滑樁錨固長度

抗滑樁最小錨固長度hm的計算公式如下。

式（4）中：Fk表示抗滑樁滑坡推力；[ ]σ 表示側壁容許應力；Bp表示抗滑樁計算寬度，Bp=b+1，b 表示抗滑樁設計寬度；h1表示抗滑樁受荷端長度。通過計算可知，hm的取值約為3m。由于錨桿擋墻施工結構特殊，因此影響Fk取值的因素較多，依據相關設計規范及實際工程土質狀況，可將Fk取值設為1.2。

3.2 作業原則

第一，需做好施工流程及指導方案的編制工作，嚴格依據現有鐵路建設規定標準，科學安排施工步驟，合理劃分施工進度，確保工程建設的規范性及條理性，同時，依據工藝技術設計平行及交叉作業方案，有效提高施工效率，確保其可在規定工期內完成作業。第二，需做好質量把控，依據單位內部及行業要求設計質量保障機制，并將其貫穿落實到實際施工建設中，保證各作業流程均符合圖紙規范，提高施工質量。第三，注意施工安全，落實安全第一的理念，增強施工人員安全意識，確保施工期間穿戴好各類安全保護裝置，特殊工種需持證上崗，避免發生重大安全事故。第四，合理調配建材、設備等資源，選擇滿足施工要求的設備及建材規格，保證施工合理化，提高施工效率。第五，遵守法律規章制度，避免對當地的生態環境造成破壞，樹立可持續發展理念，落實文明建設、綠色施工要求[2]。

3.3 工程設計

3.3.1 樁板墻

該工程主要利用錨索樁板式擋土墻加固方法，其樁截面尺寸為2.5m×3.5m，各抗滑樁間的距離應控制在5m，樁長約23m，樁身及擋板可選用規格為C20的普通鋼筋混凝土，樁間可選擇預制槽型擋板，擋土板板長需控制在2m，且板厚約0.35m。擋板后續額外加設厚約30cm 的砂夾卵石作為反濾層，并在底部的擋板下層加設厚約30cm 的厚夯填黏土作為防滲層，樁頂平臺可利用規格為M5 的漿砌片石進行封閉，挖樁護壁則可選擇規格為C1S 的素混凝土材料，確保護壁的厚度達到25～30cm。

3.3.2 預應力錨索

第一，需在錨固樁頂部加設一排預應力錨索，可在5-22 號抗滑樁距樁頂2m 左右的區域設計錨固支點，連接一根長約20m 的錨索，此時需保證其錨固段的錨索長度約為10m，并控制錨索鉆孔深度，使其保持在23.5m，錨索與水平夾角之間的度數需控制在15～20°，且其錨孔孔徑大小約為15cm。第二，需確保錨索的張拉噸位約300kN，設計其預應力噸位約700kN。第三，選擇規格為φ15.2mm、強度為1860MPa 的高強度鋼絞線8 根，并將其綁扎為一根錨索，并在錨孔外預留長約150cm 的張拉區間，且孔底的沉渣段長需控制在50cm。第四，需在樁頂加裝寬約5m 的平臺，并在邊坡上利用錨索格梁的方式進行加固，此時錨索的錨固段長度可控制在8m，錨索與水平夾角之間的度數需保持在30°，錨索設計張拉力大小約為100kN。錨索需按照矩形的方式進行統一排列，其水平及豎直間距分別為4m 及3m。鋼筋混凝土格梁的規格約為40cm×40cm，采用矩形布設的方式，其格梁節點需加設預應力錨索，此時錨索鉆孔直徑約為13cm[3]。

3.3.3 施工過程及注意事項

(1)需重視樁板墻施工

首先，應提前做好準備工作，整平孔口，并挖掘地表降水排水溝渠，防止出現滲漏問題。若是在雨季施工，則應提前加裝好雨篷等防雨設施，與地面相距50cm 以內的巖土則應提前做好襯砌作業，同時準備好各類設備及建材，架設通風、照明、排水等裝置，并依據施工需要設計施工流程。另外,也需要提前加設可觀測邊坡形變狀態的觀測樁，提前為施工人員的安全撤離規劃路線，做好安全防護作業。

其次，保證抗滑樁開挖及支護作業質量。為保證邊坡穩固性，在挖掘樁孔時，可選擇跳兩根樁的開挖方式，以人工挖掘為主，利用電動搖頭爬桿清理廢渣。具體的開挖及支護流程如下：利用分節開挖的方式，以0.5～2m 為間距，確保每挖完一節就立即開展支護作業，若是圍巖較為破碎且含水量較多，則可依據需要適當縮短分節長度；可選擇就地灌注混凝土的方式完成側壁支護工作，嚴格按照規定要求進行灌注，并在混凝土灌注24～36h 后拆除混凝土模板支架；若是圍巖周邊土質環境較為松軟，且存在滑動現象，則施工人員可在護壁內側沿著邊坡的方向加裝臨時支撐橫桿，及時做好加固檢測作業，一旦發現橫撐受力形變問題，則應立即引導施工人員撤離現場；若是使用爆破開挖的方式，相關施工人員需積極引進并落實各類減震措施。

再次，需做好抗滑樁的混凝土灌注作業。施工人員應提前檢查斷面的清潔性，依據施工方案做好鋼筋放樣。整個施工流程嚴禁出現中斷問題，可利用鋼筋籠的方式，使其在樁孔內進行固定搭接，此時應確保搭接口遠離土石分界面及滑動面。混凝土的振搗及拆模作業應依據規定進行設計，若是邊坡出現明顯的滑坡現象或需要縮短工期，則可更換為凝固時間較短的混凝土。

最后，當混凝土澆筑完成后，若其強度大于規定標準的70%，則可開展后續的土石方作業。在澆筑混凝土期間，需提前在抗滑樁上預留錨索孔，并使其與水平方向的夾角成20°，符合施工要求[4]。

(2)應做好預應力錨索作業

第一，應提前開展拉拔試驗，檢測砂漿與巖體之間的抗剪強度，以此驗證、設計錨固段長度，確保最終的拉拔試驗結果滿足預先設定的施工標準。第二，開展錨索作業前應提前確定錨孔位置并標注編號，嚴禁在施工作業期間隨意調整錨孔位置。第三，在鉆孔前應調整鉆桿位置，保證其與錨索方向始終一致。在鉆孔期間為避免出現塌孔問題，可選擇跟管鉆進的方式，及時利用高壓風清理錨孔，排出粉塵、巖屑等雜質。第四，編制錨索前需做好除銹、除污作業，嚴禁受損鋼絞線應用到工程中，及時掛牌標注，確保錨索與錨孔一一對應。第五，需選擇一次注漿法進行作業，加涂防銹油并套上波紋管，在向管內灌滿黃油后可進行封閉，應一次灌滿錨固及張拉端，嚴禁出現縫隙，保證其張拉強度在規定標準的70%以上。第六，張拉作業前需調整配套設備，提前使用15%的拉力完成預張拉，確保錨索順直緊實。第七，張拉作業可分為25%、50%、75%、100%、110% 五個等級，除最后環節需保持15min，其他環節均需維持5min，在張拉鎖定10d，需進行補張拉，使其起到補償預應力損失的作用。第八，封孔注漿結束后，需預留3cm 的鋼絞線，剪去多余部分，完成封堵作業。

4 質量控制與驗收

其一，在鉆孔階段需控制孔深小于20cm，孔斜誤差小于3%，孔口位置誤差小于10cm。其二，承壓墊座應始終垂直，最大誤差不超過0.5。其三，張拉壓力精度應大于1.5 級，且配套設備誤差需小于2%，最大張拉力低于鋼絞線標準受力強度的75%。其四，驗收及竣工可合并檢查，抽樣檢測環節所選樣品數量應為總錨數的5%，測得預應力數值應在設計值的3%～5%范圍內。其五，需按照來料數的10%檢測鋼絞線質量，其中3%用于靜載試驗，5%用于硬度檢測，10%用于外觀檢測。通過檢測可知，此次工程作業滿足預先設計的作業標準，驗收合格，可繼續完成后續的土方石挖掘作業。

5 結語

綜上而言，本文以實際工程為例，探究了預應力錨索樁板墻在鐵路深路塹邊坡中的實際應用，通過計算錨索最優方位角、錨索預應力、錨固段錨固長度、抗滑樁錨固長度等參數，設計工藝流程、注意事項、質量驗收等方案，以此確保在正常推進鐵路施工作業、保障人員安全的同時，減少土方石挖掘、填筑工作量，提高施工經濟性，確保其滿足現代化鐵路施工建設需求。