土质边坡锚索施工技术

张 维 春, 张 浩， 梁 小 阳

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

1.1 土料场概况

西地土料场位于两河口水电站砾石土直心墙坝下游5 km处的雅砻江右岸，前缘为西地村所在地。料场分布高程为2 800～2 950 m，地形上为16°～25°的缓坡，顺河最长可达440 m，料场内主要为荒坡地。场地内勘探钻孔、浅井中未见地下水浸出，冲沟未见泉水出露，地下水位埋深大。

料场总面积约15.1万m2。料场表层耕殖土层厚0.85～1.3 m，为无用层；下部棕黄色砂、板岩风化残积含砾壤土层为有用层，根据有用层厚度的差异，将料场分为1、2两区，1区分布面积为2.2万m2，2区分布面积为12.9万m2。1区厚3～10 m，最大达22 m，平均4.5 m；2区厚8～15 m，最大达33 m，平均厚度为10.5 m。1区为一类土，存储量约为10万m3，2区以接触性黏土为主，存储量约为136万m3。勘探浅井、钻孔内无地下水

出露。

1.2 支护的必要性

西地村依山傍河，沿雅砻江自磨子沟至呷拉乡镇，与昆地隔河相望，处于土料场前缘，尤其自磨子沟至昆地村上游处地段上方即为土料场，近年来因经济发展及从事大坝施工的外来经商人员多集中在该地段，加之西地村村民集中居住形成了一个较为繁华的村镇。目前，西地土料场已开挖至2 923 m高程，形成坡度较陡的土质后缘边坡，在汛期降雨较多时，土质边坡的稳定性受到影响，严重威胁到土料场下方人民生命财产的安全，一旦出现任何险情，都可能造成较大的经济损失和社会影响。因此，为保证西地村的安全，必须采取有效的支护方式保证边坡稳定。

对于西地土料场的土料，先行开采2区，原开采坡比为1∶1.5，但依此坡比开采土料浪费严重，将有近30万m3的土料无法利用且同样存在边坡的稳定问题。后来依据现场实际情况及“挖干取净”的原则改为开挖至2 923 m高程，最终形成平均高度为26 m、坡度为1∶1～1∶1.2、东西长274.24 m，面积约1.3万m2的不规则边坡。考虑到其他料场开采存在较多干扰及不确定因素，为确保料源供应及同步开采西地土料场和后期[1]土料的顺利开采，必须保证已开挖边坡的稳定性，且支护范围基本与开挖范围一致(图1)。

1.3 施工难度

图1 西地土料场支护范围

料场已开挖形成的坡面高度大且陡，施工道路受到现场自然环境的限制，进而给锚索造孔、混凝土浇筑、张拉等工序及设备、材料转场等施工带来了一定的难度。

依据场地内勘探钻孔了解到的情况，除表层耕殖土剥离弃用外，在征地开采范围内，本着有用料挖干取净的原则进行开采形成的边坡地质条件复杂。上游正坡范围内有含砾壤土残留，边坡内部风化层、软弱夹层较多，因此，在该边坡施工锚索存在注浆量大、张拉过程中可能会造成边坡表层土体沉陷、达不到锚索的设计荷载现象。而下游侧坡部分的地质条件最差，裸露边坡坡面主要为碎石土堆积，软弱夹层多，少部分裸露板岩，同时有强风化层、软弱夹层交互分布，进行锚索施工极易发生塌孔、卡钻、需延长孔深等现象，且上下游边坡上均存在较多砾石、滚石，具有较大的安全隐患，在降雨较多时兼有滑坡的风险。

2 施工技术与措施

2.1 施工排架

上游支护施工先进行开口线附近的锁口锚索施工。在如此高的边坡上进行锚索施工必须搭设满坡排架。为保证排架的稳定，在高程2 923～2 925 m坡脚施工交通路内侧、以分区分块的方式先浇筑厚度为0.5 m，宽2 m的C25素混凝土排架基础并打入长度为75 cm，Φ28的插筋，在此基础上，逐层向上搭设立杆横距为1.5 m，纵距为1.7 m，步距为1.7 m的排架，同时，在搭设过程中，及时设置自进式锚杆连墙件和斜撑。在锚索层搭设锚索施工平台以及在排架分块间隔区搭设物料转移系统排架，在排架顶部搭设材料运输通道，在下游侧坡完成贴坡混凝土板后于混凝土坡面上搭设排架，同样，在基础及坡面上设置连墙件和斜撑以使排架更为稳定、安全，施工排架搭设情况见图2。

钻机的固定、锚索的编制、注浆管路的铺设、浇筑和张拉作业等锚索施工均利用已搭设好的排架进行。在施工过程中，因造孔或张拉等工序需拆除部分架管，待相应工序完成而整体还在施工时要及时恢复并加固排架，及时排除安全隐患。

锚墩及附属部位混凝土浇筑受场地环境影响较大。上游正坡坡面由于开采土料形成的边坡较高、坡度较陡且上游正坡面的施工道路仅在边坡坡脚，故对上游正坡部位的浇筑采用单一的泵送混凝土，而对下游侧坡除坡脚道路外还可使用边坡顶部的当地交通路，项目部依据现场实际情况采用泵送混凝土与溜槽输送混凝土相结合的方式进行浇筑施工。

2.2 造孔施工

在锚索施工时，为保证钻孔后孔壁稳固、提高钻进效率，造孔时避免塌孔卡钻，上下游坡面统一采用冲击偏芯钻具带动套管钻进，即在偏芯钻具与风动潜孔锤联接好、管靴与套管联接好后，套管在风动潜孔锤和钻机轴压力作用下随钻进随跟进，同时进入孔内，从而达到在钻进过程中护壁成孔的目的。套管采用5 mm厚无缝钢管，每节长度为1.5 m，分节跟进，以进入基岩段长度1 m或以穿过覆盖层及岩石破碎段为原则。为方便跟进，钢管外径比锚索孔径小1～2个规格，锚索造孔及下索完成后，应及时把跟进孔内的套管用拔管机拔出[2]。

图2 施工排架简图

由于土质边坡松散，孔内套管受到的摩擦力大，拔管过程中出现了套管断裂和拔不出的现象，仅在上游正坡面锚索根管总长度达2 592.5 m，其中未拔出的根管长度为444 m，占锚索根管总长度的17.13%。同时，施工方案中指出：在必要时采取固结灌浆的方式以提高边坡岩体的整体性，但因工期紧张、根管钻进对该处边坡锚索施工有效且比固结灌浆较为经济，因此未采取固结灌浆的施工措施。

同时，为保证锚索孔的完整性以及后续工序的顺利，必须及时进行锚索的安装与注浆。为保证锚索锚固段处于完整岩体内且长度符合设计要求，对相应的锚索孔(共选定20个孔位)进行了声波、孔内电视等物探检测，为复测地质条件及对锚固段岩体质量评价提供了有效的依据。在复测成果与现场地质情况差异较大时，及时通知现场地质人员进行复核并进一步明确施工方案。

在造孔施工过程中，孔深已达预定深度、而锚固段仍处于破碎带或断层软岩层时，延长孔深，继续钻进，直至监理工程师认可为止。下游侧坡坡面2 946 m高程处的7#锚索原设计孔深为40 m，但在钻机进尺达到40 m后仍旧处于弱风化层，岩层破碎，全孔段均为套管，后经监理工程师同意后延长孔深至47 m，依据完成延长孔深后的物探报告显示，40～47 m仍有裂隙发育，但没有破碎带，基本满足锚固条件。

对于降雨较多且地质条件复杂、成孔后孔内积水、残渣较多时，需在钻孔终孔后连续不断地用风彻底冲洗钻孔，直至孔口返出之风手感无尘屑、水体后延续5～10 min，使孔内残留的积水和残渣彻底清除完全。

2.3 锚索安装与灌浆

由于施工场地的限制，锚索采用人工运输，锚索的安装亦采用人工方法。操作人员必需在搬运和装卸时谨慎操作,避免损伤PE套管。下锚时协调一致，用力均匀，只能往里推，不能往外拉，一次性将锚索安放到位，避免在安装过程中反复拖动索体并保证锚索体在孔内顺直不扭曲,不使锚索结构受到损坏。锚索安装完成后，对外露钢绞线采用彩条布进行临时覆盖防护[2]。

锚索灌浆所灌的浆液为M40净浆，灌浆方式为排气法灌浆，灌浆压力为0.3～0.5 MPa，排气管回浆浓后即以0.5 MPa的压力屏浆。边坡由于存在裂隙，在注浆时锚索吸浆、超灌现象普遍存在。在上游正坡面达到最大灌浆量的是2 954 m高程处的9#锚索，注灰量达到22 288.1 kg，是设计理论孔容(588.015 kg)的37.9倍，是实际理论孔容(976.71 kg)的22.8倍。为保证注浆饱满并避免材料浪费，在单个锚索注浆超过5 t时采用间歇注浆，直至灌浆量大于理论吸浆量,回浆比重不小于进浆比重且稳压、孔内不再吸浆为止[3]。

2.4 锚索张拉

锚索的张拉均采用超张拉持荷稳定、超载安装的施工方法。土料场边坡锚索分两次进行多级张拉，第一次张拉使锚索预应力值达到设计值的70%，待边坡锚索应力值稳定后再对锚索进行第二次张拉，张拉后使锚索预应力值达到设计值的115%。

3 针对张拉沉降采取的应对措施

因上下游边坡地质条件不同，所采用的支护方式亦不同：上游正坡多为含砾壤土残留，支护方式为：长度为40～55 m，1 000 kN的锚索加框格梁(节点处加大)与挂网喷射混凝土，下游侧坡采取的支护方式为长50 m、55 m的2 000 kN的锚索加贴坡混凝土板的支护形式。

3.1 下游侧坡区域

下游侧坡地质条件较为复杂，其中碎石土堆积、裸露板岩，强风化层、软弱夹层交互分布，故统一采用贴坡混凝土封闭。西地土料场下游侧坡支护采用的锚索荷载为2 000 kN，荷载较大，对于下游浇筑厚度为0.5 m、1 m的贴坡混凝土板而言，锚索施加的荷载经锚墩作用于混凝土板继而传递于坡面，在张拉的整个过程中沉陷不明显或基本不沉陷且锚索持荷稳定。同时，在张拉过程中，现场施工人员密切注视贴坡混凝土板的情况[3]，未发生混凝土破坏的迹象。

3.2 上游正坡区域

相较于下游侧坡而言，上游正坡框格梁节点过小，在尺寸、承荷方面均不满足锚索施工要求，因此，必须加大框格梁节点，前期加大尺寸为2 m×2 m，后因在锁口锚索张拉过程中节点处沉陷，框格梁断裂(图3)，应力损失大，无法达到设计要求。为减小因张拉施加于边坡局部土体的力，减小局部土体沉降，决定再次加大节点尺寸至3 m×3 m。因框格梁在土体沉陷时仍为受弯构件，所以其存在剪截面。为减小混凝土锚垫板与框格梁连接处因剪切而产生的应力[4]，保证该处节点与框格梁连接处牢固，防止出现框格梁因张拉而产生断裂，根据《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-2009)， 在后续锚垫板钢筋绑扎施工时在垫板两端增加了2根弯起钢筋，并对两端0.5 m范围内的框格梁箍筋进行加密，该范围内的箍筋布置间距由原来的20 cm改为10 cm(图4)。对于已出现应力损失的锚索及时进行补偿张拉。

图3 框格梁因张拉产生断裂

图4 加密箍筋布置形式图

4 后期监测与边坡稳定

根据西地料场边坡现场的实际情况，在上游正坡面及下游侧坡面分别布置了5套量程1 000 kN、4套量程2 000 kN及9套量程1 500 kN、精度为0.1%FS的振弦式(四弦)测力计。在施工期间隔7 d进行预应力损失监测，若低于20%锚索设计值时应进行补偿张拉，直至长期稳定方可封锚。于五个监测锚索部位各布置了1个外部变形观测墩，同时，在开挖边坡范围外选择了2个稳定基点作为平面位移工作基点。外观墩采用在锚墩上安装插筋、在插筋上安装固定棱镜的方式。将锚索测力计电缆沿坡面向下牵引至2 925 m高程平台临时集中点进行施工期的集中观测，电缆采用M10砂浆条带牵引保护[5]。

鉴于土料场开挖可能引起边坡变形而导致锚索应力损失，在下一级边坡开挖未完或未开挖情况下不得封锚，以便于进行补偿张拉。故在张拉工序结束后没有封锚并采用彩条布将外露钢绞线包裹以保护并防止钢绞线、锚具生锈。

5 结 语

2019年7月，土料场锚索测力计变化量成果为：监测锚索除MSZ-15外，应力损失为6.37%～11.01%，全部监测锚索平均应力损失为9.33%。由此可见，西地土料场边坡锚索持荷稳定，满足设计要求，支护措施取得了较好的效果。

2019年6月，复测变形监测显示点水平位移范围为0.2～4.3 mm，平均水平位移为1.76 mm，垂直位移范围为-4.2～1.2 mm，平均垂直位移为-0.32 mm。

由垂直临空面位移变化量看，依然存在沉降现象，但沉降已趋于稳定。因为锚索在张拉后施力于边坡坡面，而土质边坡受力引起变形属于正常现象。倘若在锚索张拉后没有适当的沉陷反而出现边坡继续变形且形变量持续增大的情况，说明锚索没有起到一定的作用。总体来看，现阶段锚索持荷稳定，边坡亦无明显的变形，因此，以锚索为主的支护方式达到了预期效果，也说明在土质边坡锚索施工中采取的一系列技术、措施是行之有效的。