预应力锚索在研山铁矿边坡治理中的应用

张洪宇 李海洋 吕 斌 刘 宇 徐成岩 于世杰

（河钢集团矿业公司司家营北区分公司）

研山铁矿隶属河钢集团矿业公司，在华北平原滦州市南部区域，是典型的冀东区域大型深凹露天矿，也是国内深凹露天矿山的典型代表之一。其地质条件复杂，矿区属滦河水系中下游与山前冲积平原交接地带，矿区内无河流经过，周边地表水系发育，主要河流有新滦河、滦河等，均属滦河水系。在矿区上部有着近30~70 m厚的第四系土层，其中还赋存有鹅卵石层、砂土层［1-3］。目前，矿山开采深度不断增加，边坡越加高陡，在降雨水及地下水双重作用下，露天矿山边坡稳定性成为了制约安全生产的重要原因之一［4-5］。尤其是对土层区域系列滑坡、泥石流等地质灾害的预防及治理，在露天矿山开采中重要性愈加显现［6］。

1 边坡现状

在开采过程中，遵循由上至下、分台阶顺行的开采工艺，针对土层区域和风化岩层区域，台阶高度一般在12~13 m，为建设高陡露天矿山，在实施边坡最终靠界时，严格按照矿山设计要求——相邻台阶并段，最终形成上部土层和风化岩层区域台阶高度约为24 m，下部岩石及矿石台阶高度约为30 m，根据作用不同，平台宽度在5~12 m范围变化。

据野外调查，采场边坡基岩裸露，局部覆盖第四系坡积物，地层较单一，上部为强风化石英砂岩，下部岩性主要为强风化、微风化黑云变粒岩，其产状由东边坡的总体西倾，渐转为北边坡的南西倾，边坡角度为40°~60°，岩石较破碎，特别是在进行最终靠界后，边坡面已经揭露，受风化、雨水冲刷、爆破震动及开挖卸荷等不利因素影响，已有多处存在安全隐患，局部已出现小型滑坡（图1）。

2 边坡地质情况

边坡上部主要为第四系冲洪积成因地层，土层以粉土、砂土、卵石、粉质黏土层互层为主。其中砂土层呈浅黄—黄褐色，松散结构，成分为长石、石英颗粒，分选性及磨圆度较好，单层厚为1～5 m，最厚达13.60 m。岩体土体物理力学指标:密度为2.66 g/cm3，承载力大于110 kPa。黏土层呈黄—黄褐色—黑灰色，结构较紧密，切面光滑，干硬度高，塑性强，可搓成1～2 mm土条。单层厚为1～6 m，最薄为0.80 m。物理力学指标:天然含水量为24%，容重为19.6 kN/m3，密度为2.72 g/cm3，天然孔隙比为0.688，饱和度为95.2%，压缩系数为0.158，压缩模量为13.8，内摩擦角为23.1°，黏聚力为90 kPa，承载力一般大于100 kPa，个别为80～90 kPa。边坡下部基岩岩性为强风化黑云变粒岩、微风化黑云变粒岩。岩体倾角为40~60°，风化破碎严重，存在顺层层理面和节理裂隙。下部基岩类呈浅肉红色—灰白色，片麻状构造，花岗变晶结构，由长石、石英、黑云母等矿物组成。岩芯破碎，多呈块状或碎块状，手捻易碎，可见有高岭土化和绿泥石化，裂隙发育。

3 预应力锚索治理方法

预应力锚索的施工一般分为施工准备、钻孔、锚索制作和安装、注浆、锚墩浇筑、张拉锁定等几个工艺流程，根据以上工艺流程，对研山采场东帮-42 m及-67 m台阶坡面进行防护加固，图2为锚索结构及预应力锚索布设位置，预应力锚索位置选择主要是根据边坡地质情况及滑坡风险评估而定。

3.1 施工准备

施工前，须对治理边坡表层进行整体修善，清理边坡表面的岩屑及残渣，保证边坡平缓性，包括对表层排水及表层植被固定处理。穿孔前，根据设计图纸，安排专业的测量人员负责，3人1组，采用先进的测量仪器进行放样，以此来确定锚索孔位及方向指向，并采用明显的喷漆等工具在作业现场做好标记，同时向现场施工人员做好交底安排。

3.2 钻孔

穿凿锚索孔施工时，须保障穿孔孔径不小于110 mm，倾角为15°，钻孔轴线与设计偏差不大于3°；在穿孔深度方面，上下偏差超过200 mm。完成穿孔后，首先利用泥浆对孔壁进行清洗，以此来清除沉渣，保证锚索孔内无积水和残渣，在发现锚索孔被堵时，及时利用潜孔钻对障碍进行清除。

3.3 锚索制作和安装

预应力锚索采用4×ϕ15.24 mm、1 860 MPa高强度低松弛钢绞线制作，长度为20 m，水平间距为5 m，锚孔直径不小于110 mm，倾角为15°，将在孔内进行灌注纯水泥浆，水灰比为0.5∶1。在设计预应力锚索锁定荷载时，按照所采用的材料，设置为600 kN，同时在坡面设锚墩承台，采用C30现浇钢筋混凝土进行实施。待锚固段浆体和锚墩承台强度达到设计强度的80%后，对预应力锚索进行张拉。

3.4 注浆

从锚孔底部注浆，注浆压力不小于0.4 MPa，采用直径为25 mm的高压胶管。第一次注浆时，需观察孔口流出来的泥浆变化情况，当泥浆变稀同时没有砂被带出时，才能进行M30水泥浆的灌注。在进行水泥浆制作时，必须保证饱满密实；直到锚索孔口溢出浓厚的水泥浆时，方可停止第一次注浆。当时间间隔3~5 h后，进行第二次注浆，该注浆压力保持在1.5~2.0 MPa，随着注浆的进行，缓慢将其胶管拔出，即对锚固段进行劈裂注浆。

3.5 张拉锁定

待完成养护后，对预应力锚索进行张拉锁定，按照常规要求，需进行多次、多级张拉工艺。第一步采用预张拉实现孔内各束钢绞线的拉直工作，在本次研究中，设计锚索锁定载荷为600 kN，在该步骤中，施加载荷约为10~20 kN，该步骤进行1~2次，在每级进行张拉后，保持一段时间内应力不变，使得锚索中的预应力得到充分的传递及调整。第二步则利用超载荷进行张拉，分别完成设计拉力的25%、50%、75%、110%，在每一次进行张拉应力后，保持载荷10 min，在应力调整完成后，再实施下一次的张拉作用，当进行最后一次的张拉应力时，须保持该应力条件20 min。若检查预应力没有明显的衰减时，再卸去载荷至设计拉力，同时利用元件对其进行锁定。

完成张拉锁定后，对于外露的钢绞线，要及时进行剪除，对于保留长度，在本次研究中设定为不低于50 mm，同时针对锚具和保留的钢绞线，同样实施现浇C20速混凝土进行包封防腐。

4 边坡稳定性分析

分别选取-42 m以上边坡编号为MS20-12、MS20-13以及-67 m以上边坡编号为MS49-10、MS49-11这2组预应力锚索进行分析。如图3所示，-42 m以上边坡编号为MS20-12和MS20-13预应力锚索应力变化趋势基本相同，在1—7月，应力主要呈缓慢增大趋势，在7—11月，应力波动范围较大，主要由于该时期属于雨季汛期，雨水量增加，导致边坡内部含水量增加，特别是在9月，该地区普降大雨，大大增加了边坡含水率，岩土在水的浸润下，出现膨胀，导致锚索受到的拉力增大。随着雨季逐渐过去，边坡含水率逐渐降低，锚杆所受到的拉力逐渐减小，应力整体呈下降趋势。对-67 m以上边坡编号为MS49-10、MS49-11预应力锚索应力进行分析，同样与-42 m以上边坡变化趋势一样，但-67 m以上台阶变化幅度相对较小。

进一步对竖直方向相似位置预应力锚索进行分析，如图4所示，同样发现在7月预计汛期来临前，锚索所受到的压力整体呈增加趋势，在7—11月，变化幅度较大，特别是9月，有3根锚索应力出现明显增大，在汛期结束后，预应力锚索拉力不同程度出现降低，但是编号为MS45-14锚索无明显应力降低，编号为MS57-15锚索降低幅度最大，初步分析MS45-14锚索承受上部边坡变形压力增加，导致下部锚索所承受的拉力减少，因此降低幅度较大。目前锚索均未达到应力警界位置。

5 结论

根据研山铁矿地质情况，结合目前边坡治理前沿技术，对研山铁矿局部边坡采用了预应力锚索及挂网喷浆支护方案，在前期地质勘查及边坡揭露现状基础上，合理选择位置，布设预应力锚索，对边坡内部应力变化情况进行监测，从目前效果来看，边坡支护方案较为成功，在雨季前后，预应力锚索应力随着边坡含水量变化出现上下弹性波动，均在可控制范围内，后期仍需继续进行观测；该技术手段的应用也为矿山其他边坡滑坡灾害区域的治理提供了实践经验，有效地保障了矿山的安全生产。