公路施工中高边坡预应力锚索施工技术的研究

章 亮

（桐城市交通运输局，安徽 安庆 231400）

0 前言

实践证明，公路施工区域若存在山谷或丘陵，通常需要采用边坡支护技术，一旦出现支护不当的情况，极易导致崩塌或类似的情况。鉴于此，各施工单位应加强对预应力锚索进行研究，准确掌握技术使用要求及重难点，充分发挥锚索施工所具有优势。

1 项目概况

该地区计划在山腰处修建公路，项目难度高且跨度大。经专业人员测量，现场路堑边坡实际高度为50m 左右，为保证该项目顺利完工，施工方决定每隔10m 增设相应的平台结构，同时使用压力分散锚索为高边坡提供全面防护。分别在4 级和5 级坡面对锚索框架进行设置，综合考虑多方因素后，最终决定采用直径为15mm、强度是1850MPa 的锚索。

2 预应力锚索的介绍

作为新型支护结构，先采用钻孔的方式，使预应力锚索一端进入锚固对象的结构面或是软弱岩层，再通过灌浆、张拉自由段锚固结构面或是岩层，随着锚固对象、锚索得到结合，将形成可靠性、稳定性理想的全新复合体。该结构对应受拉体为钢绞线，待张拉环节告一段落，由施工人员通过施加应力场的方式，对位移进行限制。事实证明，该技术具有效果理想、成本低的优点，其广泛应用于工程施工中。

将该技术用于公路施工，其优势主要体现在两个方面，一是确保施工过程安全且可靠。利用常规技术进行高边坡施工，通常难以保证项目不存在质量问题或安全隐患，而对预应力锚索加以运用，既能够为现场环境提供保护，又可以保障施工安全。二是使施工难度得到降低。预应力锚索往往搭配全风动钻机等先进设备加以使用，能够做到以实际坡度为依据，及时调整钻孔方位与角度，随着高边坡所存在不稳定岩层得到固定，项目施工速度及整体效果自然更加理想。

3 项目中预应力锚索的应用

3.1 确定锚索荷载

使用预应力锚索以前，首先要通过试验检测其性能，确保锚索参数及质量均能够达到项目要求。前期准备阶段，最关键的环节是检验其抗拉强度，根据测试结果调整锚索各项参数，保证其各方面性能均符合公路建设标准，同时向设计单位提交检测所得数据。要想使该环节发挥出应有作用，就需要确定初始荷载、特征荷载，试验方法如下：将岩土体性质设为刚体，在锚固力达到最大值前，内锚段各接触界面位置固定，同时自由段不存在粘结应力，此时，荷载位移所发生变化如图1 所示。

图1 荷载位移理想变化

该状态下，自由段对应工作应力用表示，被锚岩体向外锚段施加反力用表示，应力和反力间的关系如公式（1）所示。

式中：代表锚索的横截面积（图2）。在试验过程中，由相关人员施加的荷载并对其进行拉拔，同时保证+=。在取值逐步增加的工况下，将由初始的0 变为，由被锚岩体所提供反力为=0，对应拉拔荷载为=（图3）。位移曲线所出现拐点为工作荷载。随后，持续增加取值，自由段应力将变为，同时+=，若继续进行加载，将导致自由段应力超过黏结应力的极值。此时，位移曲线将新增拐点，其取值为锚索荷载的最大值。

图2 锚索初始受力情况

图3 锚索拐点受力情况

在该项目中，相关人员先对初始荷载进行了加载，随后通过循环加载的方式，得出了以下数据：初始加载量的极值为20kN；首次循环的加荷为20kN，加载极值为30kN，卸荷同样为20kN；二次循环的加荷为20kN，加载极值为40kN，卸荷为30kN；三次循环的加荷保持不变，加载极值为50kN，对应卸荷为40kN。由此可见，锚索具有较为理想的塑性，可确保安全系数与项目要求相符。

3.2 计算锚索伸长量

锚索伸长量极易被材质、地质条件和灌浆质量所影响，导致理论值与实际伸长量不符，但只要将偏差值控制在规定范围内，就能够发挥锚索的作用。该文研究的预应力锚索，通过预应力加强结构的稳定性，保证岩土体完整，使结构物整体质量达到预期，若伸长量偏差超过规定范围，便会给预应力造成影响，最终影响结构的稳定性。

综合考虑可能影响伸长量的因素，可得出以下公式：首先是若锚索孔道呈直线，可利用下列公式计算自由段伸长值，如公式（2）所示。

其次是将孔壁和钢绞线间受摩擦影响所形成应力损失用替代，若+0.3，可利用公式（3）进行计算。

式中：代表截面和张拉端间孔道的实际长度。代表截面和张拉端间孔道切线对应夹角的总和，其取值通常为0。代表摩擦系数，单位是m，对公路施工所用无黏结钢绞线，其取值往往在0.0035 左右。代表孔壁和钢绞线所对应摩擦系数，其取值通常为0.09。

该项目所使用压力分散锚索对应锚固段位置并不固定，各锚索自由段实际长度往往存在明显差异，与压力集中锚索、拉力锚索相比，该类锚索更适合通过非同时张拉，完成张拉还有锁定的工作。

考虑降低张拉难度，相关人员按照自由长度最长的单元到自由长度最短的单元的顺序进行张拉，待张拉环节告一段落，再对各单元进行同时张拉，通过对张拉时间加以调整的方式，控制各锚索产生的变形量，保证钢绞线各部分受力大致相同。在实际施工中，通常需要用到公式（4）。

式中：Q代表各锚杆承受荷载值，kN。代表荷载最大值，kN。代表锚索个数。除此之外，在计算环节还要用公式（5）。

式中：S代表各锚索实际变形量，单位是mm。L代表锚索实际长度，单位是mm。E代表钢绞线对应弹性模量，单位是kN/m。A代表钢绞线横截面积，单位是mm²。

Q代表预计施加荷载，单位是kN。若的取值为1，则其取值为0，如果的取值＞1，则可利用公式（6）进行计算。

3.3 选择张拉和动力设备

作为高边坡施工所不可缺少的设备，张拉、动力设备性能往往会给钻孔深度、成孔质量产生直接影响。鉴于此，相关人员应做到以现场情况和前期所掌握资料为依据，对设备进行科学选择，同时保证钻机耗风量不超过12m，由于灌浆需求得到满足，因此施工效果能够达到预期。

3.4 钻孔

作为锚索施工的重要一环，钻孔施工的步骤较为繁琐，包括但不限于定位、钻进以及冲洗，要求相关人员酌情对孔位进行选择，保证钻杆长度符合锚索设计和钻机参数，以免在钻孔过程中出现倾斜或类似问题。随后，以锚孔布置图为依据，有序开展钻孔、清孔作业。为确保项目质量达到要求，应保证锚孔布置合理，并对综合尺寸误差进行严格控制。与此同时，此外，还应了解地质、风压情况，根据现场情况对钻机加以调整，待钻孔施工告一段落，尽快清理孔洞内部粉末及残渣，以免后续施工受到不必要的影响。如果施工期间发现项目所在区域存在特殊地质，则应尽快联系设计方、监理方，视情况拟定相应的解决对策，为边坡所具有稳定性提供保证。根据土层特性对施工所用钻机进行配置，密切关注钻进速度和整体效果，确保钻孔尺度与项目要求相符，同时对钻孔倾斜度加以控制，保证倾斜度偏差始终处于允许范围内。此外，施工期间还应如实记录现场情况，若发现存在数据异常等状况，需要尽快联系有关部门，根据专业人员所给出建议，对施工方案做出相应的调整。

在施工过程中，需要重视以下3 点：1）保证钻孔深度、直径符合项目要求，将实际深度和设计要求存在的差值控制在50cm 左右。然后利用压缩空气对孔内进行清理，在排出杂质的同时吹干水分，保证结构具备应有的稳定性、可靠性。2）如果在钻进过程中遇到了湍急的水流，通常需要在流量、水压下降到规定数值后，再对锚索进行安装。3）钻进期间出现塌孔的情况，则应第一时间停止施工，并对塌孔区域进行固定，塌孔区域顺利通过检测，方可重新进行施工。

3.5 制作锚索

清孔工作告一段落后，就可以着手对锚索进行安装，相关人员应严格控制钢绞线长度，确保其长度与张拉端长度、自由段长度以及锚固段之和相等，同时控制施工进度，保证下料长度的误差不超过4cm。钢绞线除锈可以提高安装效果，要想使除锈效果达到预期，关键是要在除锈后用油脂涂抹钢绞线表面，同时使用PR 防护管。在施工过程中还应重视自由段、钢绞线相交处，利用胶带对交汇处进行加固，并利用铁丝对交汇处进行二次加固，以免出现泥沙渗入的情况。

3.6 组装锚索

在对钢绞线进行组装时，相关人员应逐一顺直钢绞线，保证对锚索进行编束前，钢绞线不存在交叉或是扭曲的情况，同时各股间长度差不超过50mm。利用专业设备切割钢绞线，切记不能采用电弧，并定期对设备进行除油、除锈，若发现设备存在死弯、锈坑或是机械损伤的情况，应第一时间割除。待钢绞线顺利通过检查，就可以根据设计方案提出的要求对其进行编排，每隔2m 布置相应的隔离支架，并在相邻支架间增设筋骨环，将保护层整体厚度控制在20mm 左右。这里要注意一点，即不得利用镀锌材料绑扎锚索编束。视情况在自由段套上相应的塑料套管，并密封交叉套管的管口，同时利用铅丝对套管、锚固段进行固定。

3.7 放置锚索

在放置锚索时，相关人员应重视以下内容：一是贯穿硬塑料管，彻底清理孔内残留的岩屑。二是将锚索放入孔内，对外留长度进行严格控制。三是考虑到吹孔过程中极易出现碎石掉落的问题，除特殊情况外，均不得在吹孔的同时放置锚索。要想降低问题发生概率，关键是要调整施工步骤，先钻孔再放置锚索，最后进行吹孔。四是锚索的放置效果极易被地下水所影响，鉴于此，相关人员应确保该环节钻杆始终处于匀速转动的状态，只有水质变清后，才能停止对钻杆进行转动。

3.8 灌浆

水泥砂浆具有良好的流动性，同时其内部往往掺有大量杂质，当项目进行到灌浆环节，相关人员密切关注现场注浆管的情况，以免由于注浆管堵塞，导致砂浆出现离析问题。实践所积累经验表明，利用纯水泥浆进行灌注，其效果与其他种类的水泥浆相比更理想。在项目施工过程中，需要重视两个方面，一是将间隔时长控制在1d 左右；二是以注浆压力为依据，对注浆量进行实时跟进，在确保浇筑时间科学的基础上，使锚固段得到高效封塞。

3.9 张拉锁定并进行封锚

要想保证施工质量，需要做到以下5 点：其一，确保承压面平整，锚筋轴线和承压面的位置关系为互相垂直。其二，利用千斤顶、锚垫板安装锚具，确保三者中轴线完全重合，同时锚头不存在弯压或是偏折的情况。若有需要，可酌情安装钢垫片，对三者位置进行微调。其三，按照规定张拉锚筋，严格控制锚筋张拉给附近孔洞所造成不良影响。其四，张拉环节正式开始前，先要对锚筋进行预张拉，保证预张拉所用张拉力为设计方案所规定张拉力的20%。其五，在台座混凝土、锚固体整体强度均达到规定值的基础上，着手准备张拉工作。

3.10 边坡防护

边坡护坡的常见方式包括挡土墙、浆砌片石和锚杆喷浆，虽然上述方式均能够用来稳定、加固边坡，但是灰白色的外观并不具有观赏价值，同时无法使边坡植被得到恢复，与当今社会所提倡的美化环境、保护生态不同。对于风化程度强且降雨频率高的区域，该方式极易使工程结构出现脱空的情况，进而引起滑坡问题。此外，在对人工边坡支护进行施工的初期，上述方式往往能够起到弱化侵蚀、提高坡面稳定性的作用，但在混凝土老化、风化加重的影响下，防护效果必然会随着结构强度的降低而减弱，加上该方法均要投入大量的物力及人力资源，现在已不采用。在该背景下，业内人士提出了全新的护坡方式，即生态护坡，这样做既能够确保微生物、小动物有生存的空间，又可使生物链得到恢复，将边坡施工给环境所造成影响降至最低。

边坡绿化往往需要考虑2 个方面的内容：一是对美观环境进行营造，二是保证结构稳定，充分利用现有景观设计、护坡技术，实现生态边坡全覆盖的目标。在该项目中，施工方结合现场情况制定了以下防护方案：相关人员出于保证无锚索坡体、锚索加固坡体相统一的考虑，最终决定利用草、灌木进行护坡，其中，草种植在坡面上，灌木种植在马道上，优先选择生命力强、耐干旱且高度在2m 以下的灌木植物，包括夹竹桃、木槿等。事实证明，混合种植草和灌木，可使二者所具有优势得到充分发挥，延长护坡时间并改善景观效果。

4 结论

综上所述，高边坡施工的步骤烦琐且难度极大，较易被外界因素所影响，一旦出现操作不合理的情况，便会引起失稳等问题。对高边坡进行加固时，多数单位均选择对预应力锚索加以使用，要想使锚索优势得到充分发挥，关键是要全面了解该技术的应用要点和注意事项，视情况选择适合的设备并确定施工方案，通过提升高边坡整体质量，为公路事业持续发展助力。