压力分散型预应力锚索在隧道洞口防护中的应用

摘要：山岭地区洞口大多岩层破碎、风化严重，在节理裂隙相当发育的情况下，普通的锚杆支护并不能起到稳定边仰坡、保证洞口施工安全的效果。在这类地质条件下，承载力高和耐久性好的压力分散型锚索对边仰坡的稳定防护可以起到很好的效果，确保隧道洞口的施工及整个运营时期的安全。

关键字：节理裂隙发育；洞口防护；压力分散型；预应力锚索

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0135-03

隧道洞口施工是隧道工程的一个难点，特别是山岭地区的洞口施工非常困难，主要是因为：隧道口部一般都穿越山体表层，而山体表层岩石大都岩层破碎、松散、风化严重，且有的节理裂隙都相当发育，若洞口开挖破坏原山体坡面的平衡状态易导致滑坡、崩塌的发生；洞口大多处于浅埋软岩地段，并且围岩破碎松散，隧道洞口部位成洞也较为困难；隧道轴线与山体或岩层走向斜交，洞口显著偏压。

近年来，压力分散型预应力锚索在复杂高边坡加固工程中应用越来越广泛。而山岭地区隧道洞口地质越来越复杂，将承载力高和耐久性好的压力分散型预应力锚索运用在洞口防护，将达到长期稳固边仰坡、缩短施工工期、确保安全的目的。

一、工程概况

岩湾隧道是湖北沪蓉西高速公路恩施至利川段的一座长大隧道，隧道左、右线分别长2765.275m、2773m。隧道进口为标准分离式隧道，出口分岔段依次经历普通小间距隧道、超小间距隧道、变间距夹心连拱隧道和定间距夹心连拱隧道。隧道出口位于小河深切河谷岸坡上，地势陡峻，自然坡角40o-50o，出露地层为寒武系灰岩，纵横裂隙将岩体切割成大小不一的块体，裂隙以高倾角裂隙为主，且节理和卸荷裂隙发育以及部分层面夹泥等不良情况。由于初期对地质情况认识不足，锚杆的防护没能保证边仰坡的稳定。在中导洞爆破出洞后洞口在隧道中导洞开挖爆破过程中底部出现卸荷作用，边坡平衡遭到破坏，发生垮塌。

为保证隧道的安全出洞及临近大桥施工单位的人员和设备安全，根据临时防护与永久防护相结合即安全、可靠、便于施工的原则制定了具体的技术方案，主要有：增设洞口肋板套拱，套拱上设置6片钢筋混凝土肋板以支撑洞口倒坎；以肋板顶部的横梁为界，仰坡上部施作单墩预应力锚索，间距3m*3m，共设置4排，锚索长度分别为30m、25m、20m、16m，向下俯斜35o~40o；仰坡下部采用水平预应力锚索加锚杆防护的综合措施，水平预应力锚索设置在套拱肋板或地梁上，长30m。预应力锚索为压力分散型，是该方案的主要力学承载体，其成功的施工、工作对出洞的安全起着至关重要的作用。

二、压力分散型锚索的基本概念

压力分散型锚索属于单孔复合锚固系统。是指在同一钻孔中安装几个单元锚索，而每个单元锚索有自己的索体、自由长度和固定长度，而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的，并通过预先的补偿张拉（补偿各单元锚索在同等荷载下因自由长度不等而引起的位移差）而使所有单元锚索始终承受相同的荷载[l]。

三、压力分散型锚索的主要优点

压力分散型预应力锚索结构合理，锚固端压力分散合理。由于受力更加均衡，避免了由于应力集中导致的锚索失效，增强了锚固效果和减缓锚索应力损失时间，从而延长了锚固寿命，达到长期稳固边坡的目的。

压力分散型预应力锚索依靠承载板传递锚固力，对钢绞线与浆体的粘结力没有很高的要求，降低了不可靠因素，可以提供更大的锚固力。

压力分散型锚索采用了无粘结预应力钢绞线，油脂及高密度聚乙烯（PE）塑料可以提供有效的保护。

压力分散型锚索可以缩短锚索长度，节省工程材料。注浆工序一次完成，不需要区分锚固端和张拉自由段，减少了施工工序，大大缩短了施工工期，降低了工程造价。

压力分散型预应力锚索是由多个单元锚杆按一定技术要求组合而成的锚索实体，具有将抗拉拔力按技术要求均衡准确的分散到各个不同地质地段以及局部岩体因变形引起的局部应力能分部到整个张拉段上。[2-4]

四、锚索的施工工艺

压力分散型锚索施工时，相对于拉力型锚索各锚索单元容易产生受力差异，当差异较大时，容易造成个别单元应力超限或破坏，影响锚固效率，因此科学合理的施工工艺是应力分散型预应力锚索实施的重要环节。

锚索的主要施工程序为：孔位放样—搭设支架—钻孔一清孔—锚索编制及安装一压浆—锚墩（肋板）施工—张拉—封锚。

（一）放孔位

在洞口边仰坡安全排查及处理后，根据图纸所示锚孔孔位放样。孔位间纵横误差不得超过士100 mm，当坡面特别不平顺或场地特殊困难时，经设计和监理单位认可后可适当放宽定位精度或调整孔位。

（二）搭设支架

施工支架（脚手架）应满足相应承载能力和稳固条件，采用建筑钢管脚手架从洞口平台往上搭建，覆盖施工范围。脚手架必须配置相关的防护设施，确保施工安全。

（三）钻孔

在钻孔时，应根据设计要求的钻孔参数和地层类型，确定适用的钻孔设备和工艺。采用潜孔钻机无水干钻，以保证孔壁的粘结能力并防止恶化仰坡岩体地质条件。

该方案共有89个直径130mm的锚孔，2排水平预应力锚索和4排俯斜式预应力锚索。待套拱完成后施工钢筋砼地梁及横梁，再施作水平预应力锚索，后施工俯斜式预应力锚索。

注意事项：

锚索孔深不应小于设计长度，但也不宜过大，根据实际地质情况和钻孔角度，决定超深以20～40 cm。还应特别注意孔底至隧道开挖外缘最小距离不少于3米。

水平锚索钻孔倾角允许误差为士1.0O，方位允许误差士2.0O；俯斜式锚索钻孔倾角在35 O ~40O之间，方位允许误差士2.0O，用地质罗盘仪检查。

锚索成孔后应及时清孔，采用0.2～0.4M Pa的高压空气将孔内粉碴及水体吹出孔外，以确保注浆体与孔壁的粘结强度。清孔完成后及时进行锚索安装和注浆。

在钻孔过程中有地下水从孔口溢出时，应采用固结注浆，以免锚固段注浆体流失或强度降低。

（四）混凝土框架及锚墩施工

框架为C25现浇钢筋砼，锚墩为C30现浇钢筋砼，均采用常规施工方法。绑扎钢筋前应在坡面设砂浆垫层。特别注意锚垫板安装要准确，保证锚垫板与钢绞线轴向垂直，防止将来张拉时应力集中或造成钢绞线断丝，并加强锚孔周围混凝土的振捣。

（五）锚索的编制及安装

锚索在洞口平台集中编制。压力分散型锚索，由三个单元锚索组成，每个单元锚索分别由两根无粘结钢绞线内锚于钢质承载体组成，钢绞线通过特制的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上，要求单根的连接强度大于200KN，经用千斤顶现场试验实际连接强度在245~255kN之间，均能满足要求。钢质承载体要求采用45号钢材加工制作。

钢绞线采用φj15.24mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。安装前，要确保每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，除锈、除油污，对有死弯、机械损伤及锈坑处剔出。钢绞线沿锚索体轴线方向每1.0～1.5m设置一隔离环，保证锚索体保护层厚度不小于20mm，安置好压浆管和导向帽。安装锚索体前再次认真核对锚孔编号，确认无误后再用高压风吹孔，人工缓缓将锚索体放入孔内，用钢尺量出孔外露出的钢绞线长度，计算孔内锚索长度（误差控制在50mm范围内），确保锚固长度。

（六）压浆

穿索完毕应立即压浆，以防坍孔。压浆采用孔底返浆方式注浆直至孔口溢出浓浆液或排气管停止排气。若发现孔口浆面回落，要在30 min内进行孔底压注补浆2～3次， 以确保孔口浆体充满。注浆压力不小于0.4 MPa，宜先压下排锚孔，后压上排锚孔，以防串浆。

（七）张拉

当水泥浆体达到设计强度的80%以上时，方可进行张拉。依次按中、上、下的次序（两根锚索则先上后下）进行张拉。

压力分散型锚索由于各个单元锚索的自由长度不同，要求先分别对单元锚索进行张拉，当各单元锚索在同等荷载条件下因自由段长度不同引起的弹性伸长差得到补偿后，方可同时张拉各单元锚索。

设计张拉力为800KN，初张拉值取0.25倍设计张拉值，确保锚固体各部分接触紧密，钢绞线布置平顺，不能交叉。正式张拉应采用分级张拉，最大张拉值为1.1倍设计张拉力。

分级张拉宜分别为0.25，0.5，0.75，1.1 倍设计张拉力，最后一级张拉应持荷15 min，其余每级持荷5 min。采用应力应变双控。考虑到锚索的张拉受地质影响较大，张拉过程应以张拉力控制为主，伸长量校核为辅。当伸长量超出理论值的-6%～+15%时应查明原因，并采取措施后方可继续进行。张拉锁定后不得立即封锚，应观测7d左右，看是否有明显的预应力损失，若发现有，应及时进行补偿张拉。

张拉方法采用先单元差异荷载张拉后超荷整体张拉法，从理论考虑，通过先差异张拉可实现整体张拉的完全相同，证明如下：

F_A=F_B=F_C（1）

F_A+F_B+F_C=F（2）

Δ=Δ_A=Δ_B=Δ_C（3）

Δ_A=(F_A-F_AL)×L_A/（E_S×A_P（4）

式中：Δ_A，Δ_B，Δ_C——单元A，B，C的理论伸长值

F_A，F_B，F_C——单元A，B，C的张拉荷载

F——张拉总荷载

L_A，L_B，L_C——单元A，B，C的有效张拉长度

F_AL，F_BL，F_CL——单元A，B，C的差异张拉荷载

通过（1）~（4）式换算，即：

F_CL=（1-L_A/L_C）×F/3+F_AL×L_A/L_C（5）

式（5）中给定F_AL一个张拉荷载，即可算出整体张拉各单元拉力相等的另两个单元的出示张拉力。

张拉工艺具体如下:

30米锚索：按单元实施设计张拉力的25%，50%，75%，100%（A单元长24米），101%（B单元长27米），102%（C单元长30米），然后整体张拉110%。

其余锚索按式（5）类推。

实际张拉结果显示伸长值都能满足要求，整体平均伸长值比理论伸长值大1.9%，分析其原因可能由于坡面破碎岩层较厚，锚孔轴向压缩与锚固段孔壁剪切变形所致。

（八）封锚

切割锚索时应留有10c m的外露钢绞线，以防拽滑。最后用水泥净浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，并按设计要求用C25混凝土封闭锚头，以防止锈蚀和兼顾美观。

五、锚索的监测

按照技术规范要求，锚索检验数量不少于每种类型锚索总数的5%，且不得少于3根。[5]我们选取了4根俯斜式预应力锚索和一根水平预应力锚索进行监测。根据要求锚垫板的外平面必须与穿索孔轴线垂直，其不垂直度要小于5。压力盒锚力计底部内环直径必须略大于锚垫板中心外径，其底部外环直径略小于锚垫板外端有效直径。安装压力盒前将锚垫板清理干净。并对压力盒电缆插头做好防水保护，保证信号传输电缆要贯穿到监测的全过程。

1.工作锚板；2.压力盒(锚索侧力计)；3.锚垫板；4.钢筋砼锚墩

锚索在整体超张拉时，最大压力应控制在压力盒满量程的80%。

监测步骤：

1．按工程监测要求选择好要监测的锚索。

2．按测力计的安装要求，将每个测力计安装于所选定的锚索。

3．按锚索工作锁定荷载将锚索进行张拉锁定。

4．观测记录应力值的变化，在最初10d每天记录一次，第11d至2个月每10d 记录一次。

监测结果显示，张拉应力值及其变化符合技术规范要求。10天预应力损失2.2%，两月后预应力损失3%，并逐步趋向稳定。说明锚索工作状态良好，实现了设计要求。

六、结语

从开始进行洞口防护到隧道的顺利出洞用了5个月时间，如果能在隧道施工前期就采用该方案，可以避免中导洞出洞时发生的垮塌事件，也将不会影响正洞的出洞工期。

出洞爆破时，边仰坡稳定性良好，几乎没有从边仰坡滚落的大块岩体。通过后期的观测，坡体变形稳定，工作状态良好。虽然压力分散型预应力锚索只是洞口施工方案中的一部分，但它对洞口的边仰坡的稳定及洞口的安全施工的起了非常重要的作用。压力分散型预应力锚索在该工程的成功运用对该类地质条件下的洞口防护提供了参考。

参考文献

[1]程良奎.单孔复合锚固法的理论和实践[M].工业建筑，2001.

[2]赵明阶，等.边坡工程处治技术[M].北京:人民交通出版社，2003.

[3]顾金才，等.预应力锚索内锚固段受力特点现场试验研究. 岩土锚固新技术[M]. 北京：人民交通出版社，2000.

[4]段振西.锚杆支护技术新发展岩上锚固新技术[M]. 北京：人民交通出版社，2000.

[5]中华人民共和国国家标准. 锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB 50086-2001)[M].北京:中国计划出版社.

作者简介：王崇明（1967- ），男，湖北沪蓉西高速公路建设指挥部工程师。