旧路改造高边坡下挡式预应力锚索肋板墙设计及施工

麻 炜

(中国路桥工程有限责任公司， 北京 100011)

1 工程概况

KKH(喀喇昆仑公路)二期塔科特至赫韦利扬段位于巴基斯坦北部地区，是亚洲公路4号线的重要组成部分，也是巴基斯坦公路网南北主要骨架的组成部分。本文研究的高边坡处于中高山峡谷区，路线右侧为山体斜坡地貌，斜坡大面积基岩裸露，路线左侧发育一河流，地形切割较强烈，地势陡峭，总体呈北东高南西低。

2 设计方案选定

2.1 工程难点

旧路改造段长约70m，原路线以半填半挖形式通过，左侧为老挡墙，下边坡较陡，坡脚为房屋及河流。老挡墙为重力式浆砌结构，墙高19m。调查发现挡墙处边坡高陡，坡体上部可见基岩出露，坡体下部为松散体；墙趾已处于悬空状态，基础承载力达不到设计要求。如果按原挡墙结构进行改造，需增加2 m深的扩大基础，则总墙高将超过21m，将面临以下难题： ① 超高超重的浆砌结构坐落于河谷边坡上，难以保证墙体稳定和结构安全；② 扩大基础占地将超过原征地红线，需额外征地并征拆紧邻红线的当地房屋，此程序要向巴方公路局申请联合多部门重新启动，耗时不可估计； ③ 施工地点附近片石极其缺乏，工程经济性及高处砌筑施工安全性也成为棘手难题。

2.2 方案比选

介于上述情况，此处已不具备施工重力式挡墙的条件，经过分析地质状况，考虑到当地征地难、拆迁难、片石紧缺的实际问题，现场提出几种方案： ① 半边桥方案； ② 桩板墙方案； ③ 锚索肋板墙方案。半边桥方案在技术上安全、可靠，但建设费用较高；桩板墙方案技术成熟但圬工量大且地基承载力要求较高[1]；锚索肋板墙属于轻型支挡结构，作业面小、结构强度高、稳定性好但技术要求较高，国内运用少。

经过比较，最终选定锚索肋板墙方案。此前锚索肋板墙大多为上档式结构，此处为下挡式结构，具有一定的挑战性。

2.3 稳定性计算

2.3.1计算工况

选取主剖面进行计算，结合实际情况，分别选定3种工况： ① 正常工况：天然状态，取天然容重； ② 非正常工况Ⅰ：暴雨或持续降雨状态，取饱和容重； ③ 非正常工况Ⅱ：地震工况，取饱和容重。

2.3.2安全系数选择

考虑巴基斯坦当地地震影响，对病害工点采用天然状态下1.20、暴雨状态下1.15、地震状态下1.10的设防安全系数。

2.3.3计算参数确定

稳定性计算公式中需要确定的指标有：填土的容重γ、粘聚力c和内摩擦角φ。填料土体的强度指标主要通过参照巴基斯坦北部地区类似地层经验数据及土工试验综合确定。计算中取天然容重为20.0kN/m3，饱和容重为21.0kN/m3，天然状态粘聚力c值为5～10kPa，内摩擦角φ值为25°～32°，路面车辆荷载为25kPa。根据上述填土界面抗剪强度指标值，对路基的稳定性进行验算。

2.3.4计算结果

选取K177+650断面，采用填土界面为折线形模型的传递系数法，3种工况下的计算结果如表1。经计算确定该路基的剩余下滑力为607kN/m。

表1 K177+650断面稳定性计算结果工况稳定系数下滑推力/ (KN·m-1)正常工况0.749555非正常工况Ⅰ0.703577非正常工况Ⅱ0.605607

2.4 设计方案确定

以K177+650断面左侧为例(见图1)：采用坡率为1∶0.2，每级坡高8.5m的2级锚索肋板墙防护，且两级肋板墙间设置2m宽的硬化平台。锚索肋板墙单片框架宽5.98m，高度8.5m，肋板间距3.0m×3.0m，在横梁竖肋节点处设锚索，每片框架布设3排6孔6束φ15.2 mm锚索，锚索倾角25°，锚索长度为20～25m，锚固段长10m，锚索孔φ130mm，砂浆强度为M30，锚索设计荷载为600kN，锁定荷载为480kN。

采用该结构后，路基剩余下滑力为0，满足稳定性要求。

图1 锚索肋板墙K177+650断面

3 施工工艺探究

常规锚索防护工艺为：钻孔——穿梭——注浆——张拉——封锚，各工序互不影响。不同于普通挡墙，下挡式肋板墙部分锚索自由端施工前暴露在空气中，需要通过后填土来补缺。如果先实施墙背回填，再施工肋板墙，填土自身无法保持稳定，肋板墙将因无锚索牵拉而失稳倒塌；若先施工肋板墙再实施回填，无填土支撑的肋板墙必定要内倾，两种工序均不可行。

该工程的施工还面临以下难题： ① 钻孔不是一次成型，如何保证岩体锚固段、填土自由端、锚头始终在一条直线上，这直接影响穿梭、注浆、张拉等后续工艺开展； ② 回填过程产生的土压力势必将锚索压弯、扭曲甚至割伤，后期张拉时锚索会被逐渐拉直，导致钢绞线松弛，肋板墙可能因土压力而外倾，甚至折断，导致工程失败； ③ 肋板墙回填土最高达18 m，预防工后沉降不可忽视。因此必须提出与该工程特点匹配的全新施工工艺，才能确保锚索肋板墙施工安全，降低人员设备的作业风险。

3.1 “填锚拉” 交替工艺

填土、肋板墙、锚索三者是相辅相成的关系，相互作用方能形成一个稳定可靠的结构体系，去掉任何一方，结构就会失效[2-4]。一次性浇筑、回填、张拉8.5m高的肋板墙无法实现，现将肋板墙划分成小单元分段作业，进行回填、浇筑、张拉等工序，在最下1级单元完成施工并稳定后，按相同工序进行第2个、第3个单元作业，3种工序交替循环直至整个肋板墙施工完成。压实、张拉全程在肋板墙内侧作业，墙体充当了临边防护设施，这种墙背回填、肋板墙浇筑、锚索张拉施工交替循环进行的工艺被称之为“填锚拉”交替工艺。将“填锚拉” 交替工艺化繁为简，通过小单元内部相互嵌锁，各单元步步自锁达到整体结构稳定，解决了常规锚索施工无法实施的难题，同时保障了作业人员和设备的安全。

肋板墙分段原则和施工流程： 单层肋板墙高8.5m分3级浇筑，3排锚索孔高度位置分别为1.5、4.5、7.5m，肋板墙3次浇筑高度分别为3、6、8.5m，肋板墙第1级浇筑完成且混凝土强度达到90%时将锚索在锚头处锁定，然后进行第2级的墙背回填压实及锚索施工，直到整个8.5m高肋板墙回填完成。第1级整体肋板墙浇筑完成后，留2m宽碎落台，随后按同样步骤进行第2级肋板墙的施工。施工流程见图2。

图2 锚索肋板墙方案施工流程

3.2 “套管锚索”技术创新

“套管锚索”施工技术实施程序： ① 回填基坑到钻孔位置，形成一个平整的作业平台，按正常工序在原状山体上钻孔，穿索，锚固段注浆； ② 将山体外处于自由端的锚索全部用φ 15 cm钢管包裹，焊死接缝，钢套管按照设计角度架设，一头抵住入岩段，另一头连接到肋板墙锁定段，将钢绞线从肋板墙预留孔中穿出，随即锁定固定(不张拉)； ③ 按要求层层回填墙背，包有锚索的钢套管在填土中的位置不能偏移，按相同步骤依次施工每个单元的肋板墙并锁定锚索直至完成。钢套管通过其自身刚性保持稳固，锚索角度不变，保证了锚索锚固段、填土自由端、肋板墙锁定端始终在一条直线上。

图3 套管锚索技术效用示意

套管区域的墙背回填要严格控制填土厚度，选用性能好的均质填料，采用人工辅助小型机械方法对钢套管周围碾压密实，套管为锚索在新填土中创造了一个牢靠的密闭空间，等效于岩体中的钻孔，锚索不会因回填施工而挤压变形；张拉时，填土端锚索能够自由舒展达到设计拉力，后期不会产生回弹松弛的现象，补注浆作业能够充满整个套管空间，浆液不会外漏。通过采用“套管锚索”技术，下挡式肋板墙回填、注浆、张拉等工序作业得以正常进行，套管锚索技术效用示意见图3。

肋板墙分级回填张拉流程：第1级肋板墙砼强度达到设计强度的90%时先进行进行锚索锁定(不张拉)，随后按要求分层回填，待回填至墙顶碾压完成后，进行第1次张拉：分3级进行，张拉强度分别为设计强度的25%、50%、75%，并分别稳定5min。随后开始下单元肋板墙的施工并回填，待第1级回填土稳定不再变化后，方可进行第2次张拉:分2级进行，张拉强度分别为设计强度的100%、110%。以此类推，各单元在完成初张拉、回填土彻底稳定后，进行再次张拉，从下到上逐步完成2层12级共17m高整个锚索肋板墙回填、张拉。

3.3 沉降预防综合处治

肋板墙回填过程中采取了填挖交界面设置台阶并补注浆、增设土工格栅、选用好的砂砾料、路床范围全幅换填等综合处治措施(见图4)，具体为： ① 新老路基结合面处按照宽度2～3 m、高度1.5 m、内向纵坡4%进行挖设台阶； ② 路床顶以下1.5 m，填挖交界面两侧6 m范围内，每30 cm铺设一层土工格栅，共5层； ③ 新填路基路床顶以下3 m范围内采用性能良好的天然砂砾全幅回填； ④路床顶以下5 m范围新旧路基交接处预埋管径5 cm的PVC压浆管，待整个墙背回填完毕后，统一进行水泥浆补注作业。

图4 墙背回填沉降预防综合处治措施示意

4 方案效果检验

4.1 肋板墙锚索张拉效果检验

为验证“套管锚索”技术应用下肋板墙锚索张拉效果，选取了位于小桩号侧的第2级1#、2#肋板张拉数据进行分析，锚索长为20m，设计伸长量(100%)为63.5mm。由实际张拉记录表得出，1#、2#肋板的张拉伸长量除第1级(25%)基本匹配设计值外，其余均普遍小于设计伸长量，最后1级(110%)的伸长量为5～6cm，与设计值相差约1cm。经分析，肋板墙墙背回填时产生的土压力会通过肋板传递到锚具再传递到锚索，这相当于给锚索施加了一定的初始拉力，致使锚索提前拉紧、伸长，因此在正式张拉阶段，钢绞线在设计张拉力下的伸长量小于设计值符合实际情况，可以认为锚索张拉效果已经达到设计要求，肋板墙稳定可靠。

4.2 沉降预防综合处治措施效果验证

为检验沉降预防综合处治措施的实际效果，肋板墙回填至路基顶标高后，在墙身设置7个观测点，同时在靠近肋板墙行车区道域设置3个观测点，按照初始频率每天检测1次，趋于稳定后每4d检测一次，分别对2组观测点做了为期1个月和3周的观测。

墙身观测点共计观测20次，最后2次观测单期位移变化率不大于3mm/d，单期沉降变化速率不大于2mm/d，按设计要求可以判定稳定，至此累计最大偏位13mm，累计最大沉降量34mm；在完成了护栏、边沟、底基层、基层、ATB施工后，布设行车道观测点，共计观测12次，期间开放当地交通，允许社会车辆自然碾压回填区域，最后2次观测单期位移变化率不大于1mm/d，单期沉降变化率不大于2mm/d，至此累计最大偏位8mm，累计最大沉降量26mm。

经严格审查沉降观测记录并对现场实地考察后，设计方、监理方均判定肋板墙墙体及回填区域已基本稳定，无需再进行观测，可以实施中、上面层施工。

5 结论

1) 下挡式锚索肋板墙具有轻型支挡结构的优点，能保证路基防护的稳定性和安全性，应用于旧路改造项目时，减少了对原地基的扰动和工后沉降，避免了额外征地拆迁。

2) “填锚拉”交替循环工艺解决了墙背回填、肋板浇筑和锚索张拉无法按常规工艺进行施工的难题，并保障了作业人员和设备的安全。

3) “套管锚索”技术解决了下挡式肋板墙中锚索无法定位拉直和受墙背回填被挤压损坏的两大技术难题，经后期检验，钢绞线保护完好，注浆、张拉实施无碍。

4) 肋板墙钢绞线伸长量会比理论值偏小1～2cm，约占设计伸长量15%～30%，施工工艺、回填方法不同，结果会有相应偏差。

5) 施工中采取了填挖交界面设置台阶并补注浆、增设土工格栅、选用好的砂砾料、路床范围全幅换填等综合处治措施预防工后沉降，沉降控制效果显著。

下挡式锚索肋板墙施工方案相对复杂且施工精度要求高，在国内高速路及市政路工程上较少运用。KKH二期项目大胆尝试，在施工中不断探索研究，通过工艺创新、技术创新、改进作业方法、严格执行施工程序攻克了众多工程难题，顺利完成了施工任务，节省了工程造价，缩短了工期，充分发挥了该技术方案的优越性，为类似工程技术应用推广积累了宝贵经验。