预应力锚索在高速公路高边坡治理防护中的应用

■朱烨豪

（福建中驰交通工程有限公司，漳州 362000）

1 引言

漳诏高速公路于2002年建成通车，至今已经投入营运十余年，由于高速公路长期受到雨水的侵蚀，边坡受雨水冲刷较为严重，尤其是路堑多级边坡出现滑坡、坍塌、溜方等水毁病害现象较多，如不及时治理，严重影响高速公路的通行安全，造成巨大的经济损失，所以对高边坡的水毁病害治理防护在养护工作中显得尤为重要。

2 工程概况

漳诏高速公路AK2353+800～AK2354+142.67段右侧路堑多级边坡原设计为8级高边坡，高度约有70米，坡度为1:0.75，防护方式为石砌挡墙+拱形骨架+植被防护。现该边坡第二～五阶坡面发生滑塌，后缘张拉裂缝位于第五阶坡面中下部，错台高度约2.5～3.0 m，剪出口位于第二阶坡面中下部，第五阶平台中部出现张拉裂缝。场区内地层情况主要为：残积砂质粘性土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩，坡体夹有大量孤石。坡体风化差异大，K2353+947.37附近处于风化交界带。滑坡体前缘第一阶可见2处出水点，有大量水流流出，流量约0.1～0.3L/s，且坡面渗水严重。

根据滑坡处治设计图，结合以往的路堑多级边坡治理经验，本次防护措施主要采用“坡面适当修坡+宽平台+锚索框架加固+坡面、坡体排水”的综合治理方案。本文主要介绍预应力锚索施工技术[1]。

3 预应力锚索框架工作原理

预应力锚索框架是一种新型支挡结构，广泛应用于公路滑坡整治和边坡加固，该结构通过锚索张拉后的弹性回缩，使框架、锚索和岩土体形成新的受力体系，增强抗滑力，以平衡岩土体下滑力或边坡卸荷松弛产生的岩土压力，使边坡保持稳定[2]。

4 预应力锚索施工技术

预应力锚索施工主要包括施工准备、锚孔钻造、锚筋制安、锚孔注浆、框架梁施工、锚索张拉锁定和验收封锚等工作流程（见图1）。

图1 预应力锚索施工工艺流程图

4.1 施工准备

先做好施工组织设计，明确施工方法、施工工艺、工序流程、人员组织和施工设备、材料、试验、监测安排及安全、质量管理。接着申请单项工程开工，开工条件包括开工报告、锚筋材料试验、浆体材料试验、配合比试验、相关机械设备等。注意张拉设备及有关机具应进行标定。开工申请报复后，锚固工程开工前应对锚索进行基本试验（即破坏性抗拔试验），以确定锚索的极限承载力，检验锚索在超过设计拉力并接近极限拉力条件下的工作性能和安全程度，以便在正式使用前调整锚索结构参数或改进锚索的制作工艺，保证施工质量。

4.2 锚索试验计算

根据设计要求，本次锚索为压力分散型，每束6根Φ15.24无粘结钢绞线，分三个单元布置，设计荷载为700kN，锁定荷载为600kN，超张拉荷载为1050kN。试验采用柳州市银桥预应力机械厂生产的千斤顶，型号YCW150G，压力表号HY64510100408，其校准方程y=0.0335x-0.284，其中:x为千斤顶拉力 （kN），y为油表读数。

按照试验张拉设备标定的回归方程:y=0.0335x-0.284，及表 1（详见《岩土锚杆（索）技术规程》），编制循环加卸荷等级与位移观测间隔时间表、荷载与油表读数关系表，明确张拉顺序。

表1 施加应力与压力表读数对应数值表

因破坏荷载未知，故计算差异伸长量采用超张拉设计荷载150%即1050kN进行计算。按平均分配法计每根钢绞线拉力为1050/6=175kN[4]。根据设计文件，锚索张拉采用差异分步张拉，根据试验孔的锚索长度不同，分别计算差异伸长量，钢绞线伸长量△L（mm）按以下公式（1）计算：

式中：

P——预应力筋的平均张拉力（取175kN）；

L——预应力筋的长度（mm）；

E——预应力筋的弹性模量（取1.98×105MPa,从试验报告取平均值所得）；

A——预应力筋的截面积（取140mm2）。

（2）差异荷载计算

△P1=E×A×（△L1-2/L1）×2

△P2=E×A×（△L2-3/L2+△L2-3/L1）×2

经过计算，SY1、SY2、SY3各单元补偿荷载及各锚索初始荷载见下表2。

表2 各单元补偿荷载及各锚索初始荷载表

从试验钻造施工过程中看，坡体为残积砂质粘性土、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩，坡体夹有大量孤石。适宜采用预应力锚索作为加固防护措施，本边坡地层地质条件基本能满足动态设计要求，注浆材料满足要求，锚索施工工艺比较理想[5]。

4.3 锚孔钻造

按照设计图纸进行边坡复测（包括中线、水平、横断面），然后根据设计桩号采用拉线测量并结合水准测量进行放线，并用铁钎和油漆标记准确定位锚孔位置,并依据设计要求进行编号。钻机严格按照设计孔位、倾角和方位准确就位，采用测角量具控制角度，钻机导轨倾角误差不超过±1°，方位误差不超过±2°。钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值，并超钻50cm，钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻5min，防止孔底尖灭，并及时清理锚孔。经现场监理检验合格后，方可进行锚筋体安装。

4.4 锚筋制安

受施工场地限制，锚筋的制作组装场区只能搭建于应急停车带上，搭设的组装架高于地面70cm、长度与锚筋设计长度相适应，并搭设简易防晒防雨棚。预应力锚索为压力分散型锚索，锚筋材料是无粘结高强度低松驰钢绞线，对钢绞线同单元和钢筋锚接头进行醒目可靠的标记。锚筋下料应整齐准确，误差不大于±50cm，预留张拉端钢绞线长度1.5m，钢筋锚杆0.5m。下料应注意各单元锚索长度是不同的，钢绞线一律采用机械切割下料。

挤压头的组装：挤压套、挤压簧安装准确，挤压顶推进应均匀充分，进行3%抽样检测，确保单根挤压强度不低于200kN。组装承载体时应定位准确，挤压套通过螺栓在承载体和限位片之间栓接牢固。架线环间距为1.2m（规范为1.0～1.5m），应准确定位、绑接牢固，锚孔孔口位置必须设置一个架线环。注浆管穿索安装准确定位，绑扎结实牢固，深入导向帽7cm。导向帽可点焊固定于最前端承载板上，留溢浆孔，保证孔底返浆。所有的钢质部分均应均匀涂刷防腐油漆。锚筋体摆放顺直，不扭不叉，排列均匀。锚筋体安装时应按设计倾角和方位平顺推进，严禁抖动、扭转和串动，防止中途散束和卡阻。

4.5 锚孔注浆

锚索注浆采用水灰比0.45的纯水泥浆，其中锚固段遇土质或砂土状强风化岩层且富水时应采用二次高压劈裂注浆法来提高地层锚固力。注浆材料要求严格按照经试验合格的配比备料，注浆浆液应严格按照配合比搅拌均匀，随拌随用，浆体强度41MPa。锚孔注浆必须采用孔底返浆方法（注浆压力一般为2.0MPa左右），直至孔口溢出新鲜浆液，严禁抽拔注浆管或孔口注浆；如发现孔口浆面回落，应在30min内进行孔底压注补浆3次，确保孔口浆体充满。

采用二次劈裂注浆提高地层锚固力时，以浆体强度控制开始劈注时间 （一次注浆体强度为5MPa），在二次注浆管的锚固段内设花孔和封塞，二次注浆的高压注浆管应采用镀锌铁管或钢管。注浆材料加入聚丙烯腈纤维（PAN），掺入量为每方 1.9kg（纤维抗拉强度不小于 700MPa）。

4.6 锚筋张拉锁定

在注浆浆体与框架混凝土强度达到设计强度80%以上时（注浆、框架梁混凝土浇筑完成7d后），方可进行张拉锁定作业。锚斜托台座的承压面应平整，并与锚筋的轴线方向垂直。锚具安装应与锚垫板和千斤顶密贴对中，千斤顶轴线与锚孔及锚筋体同轴一线，确保承载均匀。锚筋的张拉必须采用专用设备，设备在张拉作业前应进行标定，锚具、夹片等检验合格后方可使用。

锚索正式张拉前，取15%的设计张拉荷载，对其预张拉2次，使其各部位接触紧密，钢绞线完全平直。因各孔锚索长度不同，张拉应注意严格按设计次序分单元采用差异分步张拉，根据设计荷载和锚筋长度计算确定差异荷载，并根据计算的差异荷载进行分单元张拉。锚索的预应力在补足差异荷载后分5级按有关规范或规定施加，即设计荷载的20%，50%，75%，100%，110%。在张拉最后一级荷载时，应持荷稳定10min后卸荷锁定。详见表3所示为锚索张拉荷载等级划分和观测时间表。

表3 锚索张拉荷载等级划分和观测时间表

4.7 锁定锚索

锚筋张拉至设定最大荷载值并荷稳定15min，然后进行锁定作业。夹片以及锚具的选择，应该充分考虑钢绞线的股数，钢绞线从底部插入锚具，同时将钢板压平，相关的操作过程必须依据相应的操作规范。在张拉过程中发现有明显预应力损失，应及时进行补偿张拉。

4.8 锚孔验收封锚

完成锚索张拉相关的验收工作后，应该对锚头及时进行封锚以及补浆工作，为了避免外锚头被腐蚀，应该用砼进行封头。

5 预应力锚索施工效果评价

预应力锚索施工完成后边坡加固效果显著，美观，安全，见图2。

该工程于2014年4月27日开始施工，至2014年12月14日完工，共完成预应力锚索3758m，根据漳州市交通工程质量检测中心试验室的检测，检测结果全部合格，合格率达到100%，施工达到预期效果。

图2 施工前与施工后的效果对比

6 经济效益比较分析

6.1 几种边坡防护方案的对比分析

边坡防护方案主要有：植物防护、圬工防护等、锚索混凝土框架植物防护。以上各种方案对比分析如下：

植物防护：方法简单，施工方便，但防护初期抗冲刷能力弱，容易受风吹雨淋等因素的影响而大量流失，导致坡面植被覆盖率很低。

圬工防护：圬工防护投资大，造价高，工程量大，但治理面积小，需长期投入大量的人力、物力和财力进行检修。

锚索混凝土框架植物防护：它既保留了锚杆对风化破碎岩石边坡的主动加固作用,防止岩石边坡经开挖卸荷和爆破松动而产生的局部楔形破坏,又吸收了浆砌片石骨架植草防护的造型美观、便于绿化的优点,适用于土质边坡和坡体中无不良结构面、无风化破碎的岩石路堑边坡。

6.2 施工成本测算

预应力锚索施工成本跟边坡的破坏程度、岩土性质、边坡高度及施工难易度有关系。以漳诏高速公路AK2353+800～AK2354+142.67段右侧高边坡施工为例，成本为482.3元/m2，详见表 4。

表4 预应力锚索单价分析

7 结语

综上所述，在高速公路高边坡病害治理过程中，使用预应力锚索可以起到良好的边坡加固效果，不仅可以有效保证工程的施工质量，而且可以在一定程度上降低地震、洪水、自然灾害对公路结构稳定性，减少了施工产生的干扰，值得类似工程借鉴和参考。

[1]刘效尧,朱新实.预应力技术及材料设备（第3版）[M].北京:人民交通出版社，2012..

[2]廖知勇.预应力锚索桩锚索拉力研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[3]张团结.兰州至海石湾高速公路土质高边坡稳定性分析与预应力锚索的工程应用[D].西安：长安大学，2009.

[4]李广柱,赵大民.预应力锚索框架在高速公路高边坡加固中的应用[J].北方交通，2009（03）：32-34.

[5]李志强.高速公路高边坡工程中预应力锚索的施工技术[J].珠江水运，2016（21）：68-69.