预应力锚索在百米级深覆盖松散体边坡加固中的应用

谢军兵，何富刚

(二滩水电开发有限责任公司，四川成都 610051)

1 前言

采用预应力锚索加固岩质边坡在水电工程建设中已得到广泛应用，相关技术较为成熟。但采用预应力锚索加固深厚松散层的边坡，尚存在很多需进一步研究之处。

某水电工程人工骨料加工系统场地位于大坝右岸一片三面环山的围椅状区域，施工区场地坡度约10～25°，地势宽阔，场地上有常年流水，受降水的影响雨季和旱季水量变化较大。经地质勘探，场地大部分覆盖层主要是冲洪坡积堆积块碎石土、含碎石粉质粘土和湖积堆积的含碎卵石土，厚度普遍超过100 m，下伏基岩为二叠系上统上段和中段的玄武岩。经稳定分析计算，为确保该施工场地在施工期及运行期的稳定，需采取加固处理措施。

针对该场地的特征，采取了在场地正面各级边坡设置锚索框格梁及坡脚抗滑桩的加固处理方案。所设置锚索为1 000 KN和750 KN自由式压力分散型预应力锚索。

2 深厚覆盖层边坡预应力锚索加固设计

采用锚索加固深厚覆盖层边坡与加固岩质边坡存在一些差异。松散覆盖层自身强度低，往往还存在地下水位线较低的特点，在做加固处理时，如仅采用抗滑桩，则存在抗滑桩较深，工程量大、工期长的问题。如辅以布置合理的预应力锚索，则可大大减少工程量，节约工期，减小施工安全风险。但鉴于深厚覆盖层自身物理特性，在采用预应力锚索加固处理时应注意如下几点:

2.1 确保锚索锚固力

堆积块和砂砾沉积松散体覆盖层往往是固液气三相的结合体，当覆盖层厚度较大时，往往存在锚索的锚固段全部或部分位于松散体中。预应力锚索是靠锚索张拉荷载转化成对注浆体的压力，引起注浆体与岩体孔壁间的剪应力，从而达到锚固效果。因此，影响锚固段锚固效果的主要有三个因素，锚索体与水泥砂浆间的粘着力，砂浆体与土体(岩体)间的粘着力，锚固段土体(岩体)的抗剪力。在处理深厚覆盖层边坡时，起控制作用的主要是砂浆体与周围松散体孔壁间的粘着力。为加强锚固力，可采取加长锚固段长度，增大砂浆体直径等方法。

鉴于压力分散型锚索注浆体轴向压应变沿锚固体轴向分布不均，靠近承压板处产生应力集中现象，在有效长度内衰减至零。已有研究得出锚固段的有效长度一般不大于10 m，进一步增加锚固段长度是无效的。

2.2 预防锚索预应力衰减

预应力锚索锚固力的稳定，关系到被加固工程的长期安全性。预应力锚索锚固力的锁定值受松散体的蠕变、钢铰线松弛、降雨、温度及施工质量等因素的影响会产生一定的变化。锚固力损失超过一定值时，将导致其锚固功能的减弱或失效，给工程带来极大的危害。

锚索张拉过程中，张拉荷载通过外锚墩和锚固段传递到松散体中，使锚索张拉影响范围内的松散体处于受压状态。对于松散层的加固，压缩徐变导致的预应力衰减则应引起关注。为减少锚索预应力的损失，可采取加大外锚墩尺寸、设施框格梁及采用小吨位锚索等方式解决。这样可以减少对松散体的压缩，避免单根锚索吨位过大，应力较为集中，反而对边坡全面稳定不利的问题。

经分析计算，为避免锚索吨位过大对堆积体产生较大压缩，本工程主要采用1 000 KN和750 KN的锚索来进行加固，并在锚墩间设置钢筋混凝土框格梁，待框格梁混凝土达到一定强度后再行张拉锚索。实际施工证明，张拉效果较好，如再行加大锚索吨位，由于覆层堆积层受压缩变形，锚索将很难张拉到设计吨位。

2.3 发挥锚索群锚效应

在松散体覆盖层边坡加固中，为充分发挥预应力锚索的作用，对锚索的群锚效应也应作仔细的研究。当锚索间距过小时，临近的锚索可能会相互影响，降低锚固效果，这都会造成群锚的负效应。反之，如锚索间距过大，锚索间将会出现应力的跌落区，不能体现群锚整体加固的优越性。

根据计算表明，加固松散体覆盖层边坡的预应力锚索的间距，以3 m到5 m为宜。本工程锚索间距设置为4 m，并设置框格梁将各个锚墩相连。实际施工证明框格梁的设置对发挥锚索群的整体效应和确保锚索张拉到设计吨位，都发挥了积极的作用。

3 锚索钻孔施工工艺

常规预应力锚索主要运用在岩质边坡、地下洞室围岩加固、坝工基础处理加固和混凝土结构中。本工程为深厚松散体覆盖层边坡加固，锚索钻孔要穿越超过100 m的覆盖堆积层边坡，在国内锚索施工中尚属首次。在厚度较小覆盖堆积层中钻孔主要采用常规的“直锤钻孔结合固壁灌浆”和“单级套管跟进钻孔”方法。经试用，上述方法在前期施工中应用很不理想，单孔钻孔周期长、成孔率低、易塌孔且钻具消耗较大。

如何快速高效的在超过100 m深度的覆盖堆积层内造孔，成为制约整个工程施工成败的关键因素。经过对前期钻孔施工的研究和数据分析发现:“直锤钻孔结合固壁灌浆”方法钻孔过程中反复出现塌孔现象，固壁灌浆施工周期较长且灌浆效果不理想;“单级套管跟进钻孔”方法在跟管至55 m孔深左右时，出现管靴与套管连接处断裂或第一节套管与第二节套管连接处断裂的问题，20 m孔深以上的断裂管靴和管套无法拔出。

经进一步研究，提出了“二级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”的钻孔施工工艺。“二级套管跟进”采用较大直径管靴、套管和钻头钻进至50 m左右时取出全部钻具，换装直径较小管靴、套管和钻头钻进至设计深度，将锚索从较小直径套管中下入孔底，依次将较小直径和较大直径套管拔出，再进行后续施工。“单级套管反复多次跟进”采用跟管方式钻进至50 m左右时(管靴和第一节套管覆盖堆积层内跟进极限深度)取出全部钻具并拔出管靴和套管，更换管靴和第一节套管后，从原孔重新钻进，钻至75 m左右时再次更换管靴和第一节套管，直至钻至设计深度。

“二级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”钻孔工艺简单，解决了超过100 m厚覆盖堆积层边坡锚索造孔周期长、废孔率高、设备损耗大等问题。该施工工艺在此类地质条件下运用效果良好，极大的提高了锚索施工效率，保证了工程进度和质量，为本工程的按期完工创造了条件。

4 场地加固效果

为监测该施工场地在采取加固措施后的稳定情况，在场地内布设有测斜孔、外观变形观测点和锚索测力计。

根据加固处理完成后近一年的监测成果显示，加固处理效果良好。该施工场地除部分区域因受上部加载影响发生局部沉降变形外，场地整体未发生较大变形，外观变形监测成果见图1、图2。锚索预应力衰减得到有效控制，衰减量绝大部分未超过设计吨位的8%，且区域稳定，锚索测力计监测成果见图3。

5 结 论

在该百米级深覆盖堆积层施工场地边坡的加固处理中，采用了预应力锚索和坡脚抗滑桩相结合的方案。本文总结分析了在预应力锚索加固方案设计中如何确保预应力锚索锚固力、减少预应力损失及充分发挥群锚效应等问题，并对锚索造孔施工中的经验教训进行了总结，提出了“二级套管跟进”和“单级套管反复多次跟进”的钻孔施工工艺。

图1 外观测点X方向监测成果过程线

图2 外观测点H方向监测成果过程线

图3 外观测点X方向监测成果过程线

通过预应力锚索在本工程场地加固中的成功应用，表明了采用预应力锚索加固深覆盖层边坡的方式是可行的，且在节约工期和投资上效果显著，为同类工程的设计和施工提供了宝贵的经验。

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