锚杆框架梁在挖方高边坡防护中的应用

苏 忆

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

随着国家基础建设的迅速发展，山区新建的高速公路不断增加。由于山区地形起伏较大，高填深挖不可避免，出现挖方高边坡在山区高速公路建设中十分普遍。工程实践表明，由于未采取有效的防护措施或者采取的防护措施不当，挖方高边坡时常会出现溜坍、滑塌、落石甚至滑坡等地质灾害，是高速公路路基病害易发段落，这对高速公路工程的建设和正常运营造成了一定的不良影响。另外，高速公路是个带状工程，挖方高边坡面积大，防护措施是否经济合理对工程投资影响较大。因此，合理的挖方边坡防护措施对高速公路建设项目的工程投资规模影响比较大。同时，随着国民经济的快速发展，高速公路建设对绿化及充分体现低碳环保理念的要求也越来越高。因此，挖方高边坡防护的设计既要做到保证边坡稳定、安全，又要做到经济、美观。本文结合成渝高速公路复线重庆段的实际工程实践，详细阐述了挖方高边坡锚杆框架梁防护的特点及锚杆框架梁防护的设计及施工技术要求。

1 工程地质条件

成渝高速公路复线重庆段按双向六车道标准进行建设，路基宽度34.5 m，设计速度120 km/h。项目所在区域地貌以低山丘陵地貌为主，地形起伏较大，沿线高填深挖路基分布比较多。

本项目高挖方边坡岩体主要以侏罗系下统珍珠冲组泥岩、砂岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎，其中砂岩属较软岩，泥岩属极软岩。砂岩及泥岩均具有易风化、易崩塌、对水敏感等工程特性。因此，路堑边坡开挖时，易产生崩塌、垮落等现象。边坡成型后，在长期风化、降雨作用及人工活动等的影响下，边坡易产生局部塌落、掉块等失稳现象，甚至会出现大范围的浅层溜坍等病害。

2 锚杆框架梁防护的特点

锚杆框架梁防护是近年来发展起来的一种新型防护形式，具有如下几个特点:

1)节省工程材料，工程造价低。由于该防护形式中锚杆的使用对加固土层起到加筋作用，同时通过锚杆使框架梁结构与地层连锁在一起，形成一种共同作用体系，增强了地层的强度，改善了地层的力学性能，能有效地调用和提高岩土自身强度和自稳能力[1]，可大大减少坡面防护的圬工数量，具有节省工程材料，工程造价低的特点。

2)边坡绿化效果好，充分体现了低碳环保的设计理念。由于该防护形式尽可能地减少了圬工防护的工程数量，而且可以采用挂三维喷播植草或挂双网喷有机基材等形式对框架内挖方边坡进行充分的绿化，具有边坡整体绿化效果好的特点。能使挖方边坡达到与周围环境相协调，保持生态环境相对平衡，美化公路、改善行车条件的效果，充分体现了低碳环保的设计理念。

3)具有随机补强、随机优化的特点，利于对挖方高边坡进行信息化动态设计[2]，使挖方高边坡防护措施更为经济合理。

由于挖方高边坡是个带状工程，分布广、范围长，在勘察和设计阶段对挖方高边坡岩土体的认识是有限的。基于有限的信息提出的防护工程设计不可能十分精确合理，而随着施工开挖的逐步进行，真实的工程地质条件逐步摆在面前。因此，在施工过程中根据边坡开挖揭示的地质情况，及时进行优化设计，能使设计更为合理。锚杆框架梁防护可采用边开挖边防护的方式进行，并可以根据开挖揭示的地质情况及时调整锚杆长度或框架尺寸，具有随机补强、随机优化的特点，有利于对挖方高边坡进行信息化动态设计，使高挖方边坡防护措施更为经济合理。

1) 缺乏竹林的可持续经营。低投入和无序采伐导致竹材产量下降、品质降低。目前，埃塞竹材供应零散，且无规范的采伐标准，更无资源可持续发展政策措施。土地为国家所有，农民没有合法的土地使用权。竹材采伐取决于中间商的需要，随采随卖，缺乏存放场所。因此，竹林面积呈逐年下降趋势，竹材质量也在不断降低。

下文结合成渝高速公路复线重庆段的工程实践，详细阐述了挖方高边坡锚杆框架梁防护的设计、施工技术要求及施工注意事项。

3 锚杆框架梁设计

挖方高边坡锚杆框架梁防护设计按如下的设计原则进行:首先仔细研究每个深挖方段落的地勘资料，并根据岩土体的工程特性、风化程度、完整程度，主要结构面的特征及组合关系，工程地质和水文地质条件等因素确定合理的挖方边坡坡率，然后采用赤平投影分析对每个挖方边坡的整体稳定性做出定性的判断。边坡稳定性定性分析结果有如下五种情况:a最稳定的;b稳定的;c较稳定的;d较不稳定的;e不稳定的[3]。对于分析结果为a、b、c三种情况的挖方边坡，锚杆框架梁防护设计时可只考虑浅层防护，以防止坡面出现塌落、掉块及局部溜坍等病害的发生。对于分析结果为d或e的挖方边坡，在进行锚杆框架梁防护设计时还应进行边坡稳定性计算分析，并应根据稳定性分析计算确定锚杆长度。

3.1 锚杆设计

1)锚杆采用全长粘结性锚杆[4-5]，杆体材料采用HRB335钢筋，锚杆按轴心受拉构件设计，其所需锚筋面积，按式(1)计算:

式中 As——普通钢筋的截面面积(m2);

K——荷载安全系数，采用2.0;

Nt——锚杆轴向拉力设计值(kN);

fy——普通钢筋的抗拉设计强度(kPa)。

2)锚杆长度确定

对于边坡整体稳定，无不利结构面，只需考虑浅层稳定的挖方高边坡，锚杆长度采用4.0 m，锚孔直径采用50 mm，锚杆采用单根φ18钢筋。

对于边坡较不稳定或不稳定的挖方高边坡，锚杆长度根据边坡稳定性计算分析确定，计算时锚杆有效锚固端长度不宜小于2.0 m。设计时采用的不同长度锚杆的设计抗拔力，采取的锚孔直径及锚杆材料详见表1。

表1 锚杆设计一览表

3)锚杆采用弯筋挂接格子梁主筋的方式与格子梁连接，锚杆长度＞4.0 m时，应设置定位器，定位器采用φ6.5钢筋弯制，并点焊于锚杆主筋上，定位器设置间距1.5 m。

4)锚杆锚固体采用M30水泥砂浆灌注。

3.2 框架梁设计

1)框架梁单元形状采用矩形，梁单元尺寸采用3.0 m×3.0 m，锚杆布置在框架梁节点位置。具体布置形式如图1所示。

图1 锚杆框架梁坡面布置(单位:cm)

2)框架梁截面形式采用矩形截面，框架梁内弯矩、剪力按连续梁计算。梁结构按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GBJ10)计算，荷载分项系数取1.3，附加安全系数取1.23。

3)通过计算确定框架梁截面尺寸采用0.2 m×0.2 m，0.3 m×0.4 m两种形式。其中0.2 m×0.2 m截面框架梁用于边坡整体稳定，只需进行浅层防护的挖方边坡;0.3 m×0.4 m截面框架梁用于比较不稳定或不稳定挖方边坡的防护。

4)梁内主筋通长布置，主筋采用HRB335钢筋，其中0.2 m×0.2 m框架梁内配有5根φ16钢筋;0.3 m×0.4 m框架梁内配有6根φ16钢筋。钢筋保护层厚度不小于50 mm。

5)框架梁采用C25混凝土浇筑，横梁每10～15 m设一道伸缩缝，缝宽2 cm，缝内填塞沥青麻絮。

6)截面尺寸为0.2 m×0.2 m框架梁底嵌入坡面岩体内深度不宜小于0.10 m，截面尺寸为0.3 m×0.4 m框架梁底嵌入坡面岩体内深度不宜小于0.15 m。

4 锚杆框架梁防护施工技术要求

4.1 锚杆施工

锚杆施工前应按土建技术规范清坡，然后按绿化技术要求进行人工修坡，修坡后坡面整体应平整、自然。每个大框架内坡面起伏不宜超过15 cm。锚杆的施工应遵守下列规定:

1)应根据设计要求，定出孔位，做出标记。锚杆孔距的允许偏差为5 cm，锚杆孔深允许偏差为5 cm，锚杆孔径应符合设计要求。对于碎石土层、泥岩、页岩锚杆孔，应采用干钻，严禁孔内积水。

2)锚杆安装前应作好下列检查工作:锚杆原材料型号、规格、品种，以及锚杆各部件质量和技术性能应符合设计要求，锚杆使用前应平直、除锈、除油。锚杆孔位、孔径、深度及布置形式应符合设计要求。

3)砂浆配合比应符合下列要求:宜采用中细砂，粒径不应大于2.5 mm，使用前应过筛。砂浆强度应满足设计要求。

4)砂浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌合的砂浆应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入。

5)注浆作业应遵守下列规定:注浆开始或中途停止超过30 min时，应用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路。注浆时，注浆管应插至孔底，采用翻浆法注浆，确保注浆管埋入砂浆的长度不小于1.0 m。随砂浆的注入缓慢匀速抽拔注浆管，直至孔口砂浆溢出后，方能全部拔出注浆管。若发现溶槽、溶穴或裂隙漏浆时，可采用间歇性注浆，确保锚杆孔中砂浆饱满、密实。

6)锚杆试验要求:各边坡必须取各种类型锚杆总数的3%且不得少于3根进行现场试验。

4.2 框架梁施工

框架梁施工应在锚杆施工后进行，框架梁施工应遵循如下规定:框架梁施工应在坡面上人工开槽，然后在槽中立模、安装钢筋，经监理验收合格后现浇混凝土框架，并应保证整个框架梁顶面平顺、自然，框架梁截面尺寸不得小于设计值。

4.3 施工注意事项

1)在挖方高边坡锚杆框架梁施工前，应对各个边坡地质情况进行现场核实，对岩体破碎、可能存在失稳边坡而在设计中没有进行特殊设计的边坡，应及时进行现场优化设计。

2)边坡应采用自上而下分阶段边开挖、边防护的施工原则。

3)挖方高边坡施工过程中应进行施工监测，获取开挖揭示的工程地质信息、变形信息、施工技术信息等，并对获取的信息进行及时整理分析，据此以进行现场优化设计。

5 结语

针对泥岩、砂岩易风化、易崩塌、对水敏感等工程特性及泥岩、砂岩挖方高边坡易产生崩塌、垮落、浅层坍塌等病害的现象，设计采用了锚杆框架梁防护措施，以确保边坡稳定及施工安全。成渝高速公路复线重庆段挖方高边坡防护施工已完成，并经受了一个雨季的考验，挖方边坡整体稳定，取得了良好的防护加固效果。另外，通过施工过程中的信息化动态设计，对开挖后边坡岩体较破碎，易发生大块楔形体滑落区段的边坡，增加锚杆长度，确保了施工安全及边坡稳定。同时也通过优化设计，将边坡岩体比较完整、边坡整体稳定段落的长锚杆进行了变更设计，缩短了锚杆长度。通过优化设计，较施工图设计减少锚杆约2万多延米，充分体现了锚杆框架梁防护随机补强、随机优化的特点。

锚杆框架梁防护是一种切实可行的挖方高边坡防护措施，具有节省工程材料、工程造价低、边坡绿化效果好的特点，能充分体现低碳环保设计理念;具有随机补强、随机优化的特点，利于对挖方高边坡进行信息化动态设计。可在今后类似的高速公路项目中推广应用，以发挥出更大的经济效益和社会效益。

[1]闫莫明.岩土锚固手册[M].北京:人民交通出版社，2004.

[2]中华人民共和国交通部.JTG D30—2004 公路路基设计规范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[3]中铁第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社，1999.

[4]熊保林，王希良，路春娇.高边坡预应力锚索格子梁加固系统三维有限元分析[J].铁道建筑，2010(2):67-70.

[5]中国工程建设标准化协会.CECS 22—2005 岩土锚杆(索)技术规程[S].北京:中国计划出版社，2005.