深厚碎石土覆蓋層預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)研究

高 強, 舒 媛, 林 思 波

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

國道G317線起點為四川成都,終點為西藏阿里地區(qū)噶爾縣。G317線獅子坪水電站改線公路K230+970 ～ K231+350路段邊坡由于其自身地質(zhì)條件較差,在暴雨等因素影響下,該段邊坡近年來持續(xù)變形、已經(jīng)嚴(yán)重危及到其下方G317國道的暢通及附近居民的人身財產(chǎn)安全。建設(shè)方最終決定采用“預(yù)應(yīng)力錨索+框架梁+排水孔”的方法對其進(jìn)行加固治理。

設(shè)計單位在Ⅰ區(qū)中后部區(qū)域分2級增加了6排錨索,單根錨索由6束Φ15.2 mm、1 860 MPa級無粘結(jié)鋼絞線組成,錨索設(shè)計噸位為750 kN,錨索長度分為60 m和65 m兩種,共計576根。框架梁采用3 m×3 m形式。根據(jù)現(xiàn)場情況酌情增加了坡面仰斜式排水孔,用于疏導(dǎo)地下水。該工程合同計劃工期為3個月。

本次待加固區(qū)域的坡體略有起伏,兩側(cè)略高,中間略有下凹,強變形區(qū)坡體順直,坡度約為44°。斜坡上巖體厚度極大,成分以崩坡積碎石土為主,滲透性較好,其巖土界線相對較陡,約為32°,覆蓋層下部發(fā)育角礫層且該層粉粒含量較高,力學(xué)性能相對較差。本文闡述了錨索施工遇到的難點及采用的施工技術(shù)。

2 錨索施工的難點

2.1 成孔施工難度非常大

該工程錨索設(shè)計長度為60 m和65 m兩種,錨固段長10 m,屬于深孔錨索。對于邊坡覆蓋層錨索鉆孔主要采用跟管鉆進(jìn),根據(jù)以往多個類似工程的施工經(jīng)驗,覆蓋層錨索的跟管深度一般在40 m以內(nèi)最為合理、經(jīng)濟(jì)。但因該工程的跟管深度超過40 m且含有大量、分布不均的孤石,極大程度地增加了跟管施工的難度。孤石的存在容易導(dǎo)致跟管過程中出現(xiàn)卡鉆、管靴斷裂等孔內(nèi)事故,進(jìn)而造成施工工效降低、成本增加,甚至影響到工程質(zhì)量。

2.2 錨索施工安全風(fēng)險高

根據(jù)設(shè)計文件,本次待治理坡體長期處于勻速變形狀態(tài),變形量約為5～10 mm/d,其后緣及兩側(cè)已經(jīng)形成貫穿性裂縫,坡體在天然工況下已處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下處于欠穩(wěn)定與不穩(wěn)定狀態(tài)。錨索施工期間將投入大量的人力及設(shè)備物資,由于荷載的增加,將進(jìn)一步惡化邊坡的穩(wěn)定性。因此,確保錨索施工期間的安全是該工程的重點和難點。

2.3 錨索施工工期緊、任務(wù)重

由于該工程屬于應(yīng)急搶險工程,合同工期僅為3個月,考慮到前期施工準(zhǔn)備、框格梁施工、質(zhì)量檢查及工程驗收,其有效施工時間僅為75 d,錨索日鉆孔強度達(dá)476 m。在實現(xiàn)成本控制目標(biāo)的前提下,如何快速、有效成孔是實現(xiàn)該工程節(jié)點工期的關(guān)鍵。

3 施工技術(shù)方案的選擇

傳統(tǒng)的覆蓋層錨索成孔施工多采用偏心錘跟管鉆進(jìn)[1]輔以固壁灌漿[2]成孔,但該方法工效低、灌漿量大、卡鉆及套管起拔困難、廢孔率高。為解決上述難題,通過引入勘查工程中常用的多級鉆孔[3]工藝、厚壁內(nèi)外粗絲螺紋套管、同心跟管鉆具及爆破工藝,實現(xiàn)了深厚碎石土崩坡積覆蓋層錨索快速成孔。

該技術(shù)方案采用“孤石靜態(tài)爆破[4]+地層預(yù)判+覆蓋層多鉆具(偏心錘與同心鉆具)跟管聯(lián)合鉆進(jìn)+基巖段釬頭鉆進(jìn)+分體液壓三頂式頂管機頂拔套管”核心工藝,先進(jìn)行地層鉆探,再根據(jù)鉆探情況預(yù)判地層,大致掌握地層內(nèi)孤石分布的深度與數(shù)量以確定覆蓋層采取偏心錘跟管鉆進(jìn)或同心跟管鉆進(jìn)工藝,進(jìn)入基巖面后,更換釬頭鉆進(jìn),直至終孔。

4 預(yù)應(yīng)力錨索的施工

4.1 地層預(yù)判

在大面積錨索鉆孔施工前,采用大扭矩的錨固鉆機按照30～50 m2的范圍選取一個錨索孔兼做勘探孔,采用偏心錘跟管鉆進(jìn)。若能跟管至覆蓋層與基巖面交接處,則該區(qū)域內(nèi)的錨索首選偏心錘跟管鉆進(jìn)工藝;反之,選用同心跟管鉆進(jìn)[5]工藝。

4.2 淺表層孤石解小

鉆孔前,對裸露在外的淺表層孤石進(jìn)行解小處理,以減少后續(xù)錨索跟管施工的難度,同時為修建錨墩或框架梁提供一個較為平坦的建基面。由于該邊坡為蠕動體,采用常規(guī)炸藥爆破將進(jìn)一步惡化邊坡的安全穩(wěn)定性,故選用靜態(tài)爆破方法解小孤石。表層孤石現(xiàn)場解爆情況見圖1。

爆破孔布孔前需要先確定至少一個臨空面,鉆孔方向應(yīng)盡可能做到與臨空面平行。臨空面越多,單位破石量越大。切割巖石時,同一排鉆孔應(yīng)盡可能地保持在一個平面上。孔距與排距的大小與巖石硬度有直接關(guān)系,硬度越大,孔距與排距越小;反之則大。根據(jù)邊坡外露巖石的單軸飽和抗壓強度設(shè)計出的炮孔布孔間距為20～30 cm,呈一字型布置。

爆破孔采用YT-28手風(fēng)鉆風(fēng)動沖擊成孔,孔徑為50 mm,巖石鉆孔深度為待解小孤石體厚度的75%～85%。成孔后,在孔內(nèi)裝入靜態(tài)爆破劑,按水∶藥劑=1∶3的配比拌制藥劑,迅速倒入孔內(nèi)。藥劑下入孔后立即在孔口加上30 cm長的膨脹鋼楔堵孔,堵孔一定要密實。每次裝填藥劑時都要觀察并確定巖石、藥劑、拌和水的溫度是否符合要求。灌裝過程中,對于已經(jīng)開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥劑不允許裝入孔內(nèi)。

4.3 鉆孔

(1)測放孔位。錨索孔孔位采用GPS測量儀定位,錨索孔位的偏差不得大于設(shè)計要求的允許偏差。鉆機方位角采用DQY-1A地質(zhì)羅盤測量,鉆機傾角采用WR400數(shù)顯角度尺控制。

(2)鉆孔要求。錨索孔方位角的偏差不得大于2°,孔斜度不得大于孔深的2%,終孔孔深不得欠深且不大于設(shè)計深度30 cm;終孔孔徑不得小于設(shè)計孔徑10 mm。

(3)鉆孔。采用YXZ-70或YXZ-90型液壓錨固鉆機造孔。對于有條件的區(qū)域可以采用HM-90A履帶鉆機造孔。覆蓋層鉆孔根據(jù)地層預(yù)判結(jié)果選用偏心錘跟管或同心跟管聯(lián)合鉆進(jìn)工藝。偏心錘跟管鉆進(jìn)采用Φ127 mm偏心錘跟管鉆具,同心跟管鉆進(jìn)采用Φ146 mm三翼同心跟管鉆具,基巖段采用Φ110 mm釬頭沖擊成孔。套管采用內(nèi)外螺紋1 cm厚的厚壁地質(zhì)套管,套管間采用絲牙連接。覆蓋層和破碎巖層采用跟管鉆進(jìn)的方式,而對于完整的基巖則采用釬頭鉆進(jìn)。

鉆孔過程中,孔斜的控制采用粗徑鉆桿加設(shè)扶正器,施工過程中使用測斜儀檢測孔斜。

4.4 清孔

鉆孔結(jié)束時,連續(xù)不斷地用高壓風(fēng)徹底清理孔內(nèi)的沉渣及積水,鉆孔清理干凈后方可安裝錨索。

4.5 錨索的編制及安裝

4.5.1 錨索的編制

(1)鋼絞線按照實際鉆孔的深度下料。下料前檢查鋼絞線的表面,對于有損傷的鋼絞線不得使用。

(2)沿錨索的軸線方向:自由段每隔1.5 m設(shè)置對中隔離支架,錨固段按0.8 m的間距設(shè)置對中隔離支架。

(3)錨索的鋼絞線按規(guī)律編排并綁扎成束,每根鋼絞線的長度必須一致。

4.5.2 錨索的安裝

(1)錨索運輸過程中必須防止錨索發(fā)生彎曲和損傷,對組裝好的錨索進(jìn)行編號。

(2)錨索下索前,再一次對鉆孔進(jìn)行通孔檢查,對于孔中的塌孔、掉塊應(yīng)清理干凈,不得欠深。

(3)安裝前應(yīng)對錨索體進(jìn)行詳細(xì)的檢查,檢查排氣管的位置是否準(zhǔn)確和暢通;核對錨索編號與鉆孔號。

(4)在將錨索體推送至預(yù)定深度后,檢查排氣管和注漿管是否暢通,否則應(yīng)拔出錨索體、排除故障后重新安放。

4.6 套管的起拔

套管頂拔采用的拔管機為分體、液壓三頂式拔管機,拔管機的起拔力為200～400 t。拔管機采用分體式結(jié)構(gòu),由液壓站、油缸、底座、內(nèi)卡座、外卡座、自鎖裝置組成,其結(jié)構(gòu)輕巧、組裝便捷;頂拔時三個液壓千斤頂同時傳遞頂拔力,使其受力更均勻,起拔力更大。

套管的起拔由專人負(fù)責(zé)施工。起拔時不得帶出已下入孔內(nèi)的錨索。起拔時,應(yīng)隨時觀察液壓站壓力,避免油壓超高發(fā)生油管爆裂。對于拔出來的套管,應(yīng)及時對連接部位進(jìn)行清洗并涂抹潤滑油后整齊存放。

4.7 錨索注漿

(1)錨索安裝后應(yīng)及時注漿,采用水灰比為0.45∶1的水泥凈漿進(jìn)行灌注。

(2)注漿采用SGB6-10型高壓灌漿泵注漿,注漿全程采用三參數(shù)記錄儀進(jìn)行記錄。

(3)錨索下索后、外錨墩混凝土澆筑之前,在孔口封閉后進(jìn)行全孔一次性注漿,待錨索張拉檢查合格后進(jìn)行封孔回填注漿。

(4)錨索屏漿壓力為0.6～0.8 MPa。注漿結(jié)束后,若孔道內(nèi)漿體不飽滿,則需進(jìn)行補充注漿。

4.8 錨墩的澆筑

錨索的錨墩尺寸必須符合設(shè)計要求。錨墩混凝土采用強制式拌和機現(xiàn)場拌制、溜槽配合人工下料入倉,ZN50插入式振動棒振搗密實,澆筑完畢及時灑水加以養(yǎng)護(hù)。

4.9 錨索的張拉及鎖定

(1)張拉程序。錨索張拉程序為:張拉設(shè)備校定→分級理論值計算→錨固段注漿體和錨墩混凝土強度檢查→張拉機具安裝→單根鋼絞線預(yù)緊→整索分級張拉→鎖定。

(2)張拉設(shè)備。單根預(yù)緊錨索采用YDC-240QXB型液壓千斤頂;整體張拉的千斤頂選用YCW-200型液壓千斤頂;張拉動力由ZB4-400油泵提供。

(3)張拉。①待注漿體和錨墩混凝土抗壓強度達(dá)到設(shè)計強度要求后方能進(jìn)行錨索的張拉。②單根鋼絞線的預(yù)緊應(yīng)力為150 kN。每根鋼絞線進(jìn)行兩個循環(huán)的預(yù)緊,要求兩次預(yù)緊的伸長值小于3 mm,且每根鋼絞線的伸長值不得小于理論值的10%。③整束張拉分4級進(jìn)行,按設(shè)計永存張拉力的50%、75%、100%和115%進(jìn)行張拉,每級持荷時間為5 min,最后一級持荷穩(wěn)定觀測20 min即可鎖定。④在錨索鎖定后的48 h內(nèi),若錨索應(yīng)力下降到設(shè)計值以下10%時則需進(jìn)行補償張拉。

4.10 外錨頭保護(hù)

錨索張拉鎖定后,為防止外錨固部件外露,使用切割機切去工作錨板以外多余的鋼絞線,用環(huán)氧砂漿對錨頭進(jìn)行保護(hù)。對需要長期應(yīng)力監(jiān)測的錨索外錨頭使用金屬帽進(jìn)行保護(hù)。

4.11 安全監(jiān)測

為確保施工安全,該工程實施期間連續(xù)對滑坡體安全穩(wěn)定及施工用排架進(jìn)行安全監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)工程施工。

(1)滑坡體的安全穩(wěn)定監(jiān)測。施工期滑坡體的安全監(jiān)測工作主要為施工區(qū)域及毗鄰的施工邊緣地帶,共布置監(jiān)測剖面線5條,其中在施工區(qū)域布置監(jiān)測剖面3條,施工區(qū)邊緣地帶布置監(jiān)測剖面2條。鑒于滑坡的過程是漫長而緩慢的,如果不借助儀器觀察僅憑肉眼極難發(fā)現(xiàn),故該工程采用了先進(jìn)的GNSS監(jiān)測技術(shù)用于地表位移監(jiān)測,極大程度地提高了施工期間的安全。GNSS地表位移監(jiān)測是利用GNSS和計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進(jìn)行集成,通過對不穩(wěn)定滑坡體、地面塌陷及地面沉降等部位進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、分析地表變形數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對多種地質(zhì)災(zāi)害表面的形變位移監(jiān)測,達(dá)到了從數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預(yù)報的自動化,再到遠(yuǎn)程在線網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控的目的。其主要由GNSS天線、太陽能電池板、主控制機箱和安裝支架組成。

本次滑坡體安全監(jiān)測共布置一體化GNSS地表位移監(jiān)測站[6]16套,一體化裂縫自動監(jiān)測站6套,無線預(yù)警廣播1套,實現(xiàn)了滑坡體區(qū)域安全監(jiān)測24 h不間斷、全覆蓋。

(2)施工排架的安全監(jiān)測。錨索施工用排架在其使用期間必須按照設(shè)計要求進(jìn)行安全監(jiān)測,項目部分別在排架左側(cè)、中部、右側(cè)三個斷面選取9根橫桿布設(shè)監(jiān)測點,采用卷尺測量錨桿與腳手架橫桿的距離,用全站儀對橫桿與錨桿的垂直距離進(jìn)行觀測,以判斷排架和邊坡是否存在位移變形;同時選取三根立桿安設(shè)應(yīng)力傳感器以監(jiān)測其應(yīng)變。施工排架安全監(jiān)測的頻率按照每班不少于2次進(jìn)行控制。若遇大雨等惡劣天氣,則需加強監(jiān)測頻率。

該工程錨索施工通過采用“孤石靜態(tài)爆破+地層預(yù)判+覆蓋層多鉆具跟管聯(lián)合鉆進(jìn)+基巖段釬頭鉆進(jìn)法”對所遇到的深厚崩坡積碎石土覆蓋層進(jìn)行有針對性的治理,取得了良好的施工效果和經(jīng)濟(jì)效益。滑坡體治理施工整體效果見圖2。該工程采用該工藝共計完成錨索576束,鉆孔36 560 m,相較傳統(tǒng)跟管鉆進(jìn)或固壁灌漿施工其孔斜合格率達(dá)到100%,套管一次起拔率達(dá)98%,套管完好率為95%,節(jié)約工期21 d,節(jié)約成本62.9萬元人民幣,取得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 滑坡體治理施工整體效果圖

5 結(jié) 語

深厚覆蓋層錨索施工的重點和難點在于錨索成孔,其成孔質(zhì)量的好壞及快慢往往決定了錨索施工工期及成本是否受控。傳統(tǒng)的覆蓋層錨索成孔施工采用單一直徑的偏心錘跟管鉆進(jìn)及固壁灌漿鉆進(jìn),該方法存在工效低、跟管深度淺、孔內(nèi)事故頻繁、施工成本高、環(huán)境污染大等缺點,愈發(fā)不適應(yīng)錨索施工需要,尤其不適用于應(yīng)急搶險處治工程,迫切需要一種更加高效的錨索成孔方法。獅子坪水電站改線公路沙壩段應(yīng)急搶險治理工程錨索成孔采用“孤石靜態(tài)爆破+地層預(yù)判+多鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)”核心工藝,取得了良好的效果。通過對地層提前預(yù)判及淺表層孤石靜態(tài)解小,為采取何種跟管鉆具進(jìn)行錨索成孔提供了有力的支撐,降低了跟管鉆進(jìn)的難度。同心跟管鉆進(jìn)和偏心跟管鉆進(jìn)工藝的聯(lián)合應(yīng)用,很好地解決了覆蓋層傳統(tǒng)跟管鉆進(jìn)存在的深度淺、卡鉆頻繁、套管易斷裂等難題,所取得的經(jīng)驗可供類似工程參考。