预应力锚索处理隧道洞顶防护的施工技术应用

霍红亮 HUO Hong-liang

（中铁十七局集团有限公司，太原 030000）

0 引言

预应力锚定是将钢光圈线嵌入岩层内部进行预加应力的施工技术，是将主体结构的支撑应力传递给深部稳定岩层的主动支撑方式。在备用应力作用下，周围岩石发生压缩，周围岩石在锚索的弹性压缩下形成“负重拱形”，提高周围岩石的整体性和内在阻力，增加其强度和周围岩石的稳定强度。锚索的保护可以使结构物和周围岩石连锁反应，可以使周围岩石发挥更大的负荷作用，有利于表面结构的稳定，将结构和共同作业的周围岩石介质构成复合体由结构锁定的岩石层可以更有效地承受由于负载引起的拉伸力和剪切力，并且这些力的传递深度也比没有锚定的结构的作用大得多。[1]

1 工程概况

从平凉到绵阳的国家高速公路（G8513）平凉到天水段PT09堡子梁2号隧道建在甘肃省天水市秦安县安伏乡陈家村，边坂位于堡子梁2号隧道的进口。堡子梁2号隧道的进口轴线大致与地形的大角相交，自然斜面为35-40°梯度。发育B8-2黄土碎石崩溃，该崩塌堆积体位于山间冲槽左侧的山的斜面部位，前缘位于冲槽中，后缘位于山的斜面部位，属于浅层黄土碎石崩溃。这个崩坏体整体呈前缘宽，后缘窄的扇形。崩塌方向约8°，后缘宽度约20～30m，前缘宽度约123m，纵长65m，厚度约2～4m。成分主要是碎石，碎石夹着少量的黄土。由于不稳定，隧道的进口和桥墩位于崩塌的前缘，对线路产生了巨大影响。建议去除崩坏体，强化坡面防护。

2 设计锚索框架梁原因

顶应力锚索框架梁的保护结构是将对应力锚定施加预应力的潜在滑动岩体与稳定岩体紧密连接成为一体，增加岩土体的各等级的耐滑动力，并且通过坡面上的框架梁将各锚定素有效地连接到一个整体，形成表和背面的加固系统进一步达到防止整体边坂不稳定性的目的。在备用应力错误扫描框架梁系统中，将锚定绳锁定在框架上，锚定力首先作用于框架，然后通过框架传递至岩土体，从而使岩土体产生附加应力，调整岩土体的应力环境，以加强边缘坂。

3 设计方案处理方案

①暂时关闭裂缝，关闭时用三七灰土填埋。②清除洞顶黄土表层，清方边的坡率为1:0.5，楼梯宽度为第一级2-6m，第二级、三级台阶宽度为2m，楼梯高度为10m。③斜面防护由下向上，第一级采用锚定框架梁防护，第二级采用锚定框架梁防护，第三级采用锚定框架梁保护。第一段边坡：左线的仰坡根据原设计采用8m长锚框格梁防护，锚棒采用Φ25灰浆锚，8m长，间隔3m×3m；右线仰坡采用12m长锚框格梁防护，锚棒采用Φ32摩尔锚，长度12m，间隔3m×3m。第二级边坡：左线的仰坡按照原设计采用8m长锚框格梁防护，锚棒采用Φ25灰浆锚，8m长，间隔3m×3m；右线的仰坡采用20m长的锚绳框架梁防护，锚绳采用4捆Φ15.24mm，强度1860MPa的高强度低松弛无粘压床线，长度20m，锚定力400kN。浆料注入采用水泥灰浆、水灰比0.4-0.5、灰砂比1:1、灰浆强度≥40MPa，浆料注入压力不小于0.3MPa。第3段边缘坂：左线没有3段边缘坂；右线仰坡采用8m长锚框格梁防护，锚棒采用Φ25灰浆锚，8m长，间隔3m×3m。底部用喷枪保护。Φ22灰浆锚，长度3.5m，间隔1.5m×1.5m、采用钢筋网Φ6钢筋网、网格间隔25cm*25cm、C25混凝土10cm喷射。④排水措施：在挖掘面外侧设置一条断水沟，断水沟与左线仰坂断水槽结合实施。各级平台排水由路基平台的断水槽设置，1、2级平台的断水槽连接左线洞顶排水沟排出至坂脚冲槽内，3级平台的断水槽排出至左侧断水槽内。⑤左洞崩塌部分5m长暗洞层叠调整明洞层叠。

4 预应力锚索施工工艺及方法

预应力锚索施工工艺流程见图1。

图1 预应力锚索施工工艺流程图

4.1 预应力锚索设计参数及相关要求

每孔锚定设计锚定力600kN、入射角20度、锚定型4个Φ15.24毫米线，标准强度1860MPa。钻头直径为120mm，钻头采用YG-30型锚定工程钻头钻孔。[2]

4.2 锁定孔测量

根据各工点工程的立面图，根据设计将锚定孔的位置正确地测量在坡面上，孔位误差不应超过±20mm。刷子侧的坡面遇到不顺或特殊困难的地方，需要得到设计监理部门的认可，在确保坂体稳定和结构安全的前提下，适当放宽定位精度，调整锁定孔的定位。

4.3 钻孔

岩石层采用潜孔钻孔钻孔。在岩石层破碎、柔软、充满水等容易崩塌、容易嵌入钻头的地层施工，根据需要采用管道钻头技术。在钻孔前构筑脚手架，根据设计桩编号测量采样，用油漆标记锚点孔的位置。钻头严格按照设计孔位、倾斜角和方位正确定位，采用角度测量仪控制角度，钻孔轨道的倾斜角误差不超过±1。方位误差不超过±2。锚定绳的孔形成应根据地层选择相应的锚定绳钻头，严禁用热水钻孔和清洗洞壁。在挖掘过程中，必须认真记录地层状况、地下水状况等施工记录。钻孔径、孔深要求不小于设计值，超钻头在40cm以上，钻头在设计深度后不能立即停止钻头，要求稳定3～5分钟进行钻头，同时应立即清扫锚点孔。钻头结束后，可以安装锚定绳。钻头完成后，立即安装锚定筋体并对锚定孔进行浆料注入，原则上，必须放置24小时以上，避免崩塌孔。[1]

图2 锚索示意图

4.4 钻进过程

钻头中记录各个孔的地层变化、钻头状态（钻头压力、钻头速度）、地下水等情况。发生了孔缩等不良钻头现象时，立即停止钻头，立即进行固壁浆处理（炉渣压力0.1～0.2MPa），水泥灰浆首次凝固后，再扫孔进行钻头。

4.5 锚孔清理

钻头达到设计深度后，不能立即停止钻头，要求稳定3～5分钟，防止钻孔底部尖尖消失，达不到设计孔径。打孔完成后，使用高压空气（风压0.2～0.4MPa）将穴内岩粉和水体全部除去到洞外，防止水泥灰浆和穴壁岩浆的粘结强度下降。除相对坚硬、完整的岩体外，不能用高压水清洗。当压水流出锚定孔时，水压和水量变小后，可以安装锚定筋和浆料，根据需要在周围适当的部位设置排水孔进行处理。如果要求处理锚定孔内的存储水体，则通常以诸如浆料密封二次钻头的方法处理。

4.6 锚孔检查

锚穴钻探完成，现场监理检查合格后，进行下一道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻头棒在现场监理旁路站的条件下对孔进行检查，在孔检过程中钻头按平顺推进，不产生冲击和抖动，钻头检查长度满足设计锚定孔的深度，钻头要求顺畅要求高压风检查不存在明显的飞尘和水体现象。同时要求对锚定孔的孔位、倾斜角和方位进行复检，可以认为所有锚定孔的施工项目合格后，锚定孔的钻探检查合格。

4.7 锚索体的制作及安装

安装前，各钢的光圈线应笔直，不拧叉，均匀排列，除去锈，除去油污，确保从死弯、机械损伤、锈蚀孔中去除。锚定绳在锚定端，每隔1.0m设置对中支架，将锚定绳居中，自由端每1.0m用细铁丝绑住，要求涂抹强力防腐涂料和覆盖。Φ20～22mm的PVC管在套管两端10～20cm的长度范围内用黄油填充，用外圈工程胶带固定。锚绳防锈、防腐处理符合铁路路基屏障结构设计规范提出的各项技术要求。锚定头面必须垂直于锚定绳轴线。在安装锚定绳之前再次认真检查锚定孔号，确认无误后，用高压风吹孔，人工慢慢地将锚定绳放入穴内，用钢尺测量露出孔外的电线长度，计算孔内锚定绳的长度（误差控制在50mm的范围内）确保锁定的长度。

4.8 锚索注浆

浆料注入采用一次浆料注入、孔底回浆法，将自由端涂在防锈油上，盖上波纹管，在管内注入黄油，严格封闭两端，一次满足锚定绳的锚定段和拉伸段，不能留有间隙。用试验比选定灰浆后，确定施工配合比。实际的浆料注入量一般比理论上的浆料注入量大，或者锚定排气孔不排出，孔口浆料溢出浓浆料作为浆料注入结束的基准。填埋结束后，将浆料注入管、浆料注入枪和浆料注入管洗净，在施工过程中制作浆料注入记录。锚定绳的浆料注入采用水灰比0.4～0.45的水浆料，其中锚定段遇到土质或沙土状的强风化岩层，且富有水时，应采用二次高压裂纹浆料注入法来提高地层的锚定力。浆料材料要求严格按照试验合格配比准备材料，浆料液严格按照配比搅拌均匀，伴随搅拌使用，浆料强度不低于40MPa。锚定孔的浆料注入必须采用孔底的浆料还原方法，严禁拔出浆料注入管或孔口的浆料注入，直至孔口充满新鲜的浆料。当发现奥利菲斯史莱利面的下落时，必须在30分钟内进行2～3次压注补充史莱里，确保满足奥利菲斯史莱利。浆料注入过程认真进行现场的浆料注入记录，各批次的浆料注入进行浆料强度测试，样品不得小于2组。当浆料未达到设计强度的70%时，不能在锚定筋体的边缘上悬挂或捆绑重物进行碰撞。建议采用添加早强剂等方法，缩短工期。使用二次分流板提高地层的锚定力时，必须用浆料强度控制分流开始时间（一次浆料强度为5MPa），在二次浆料管的锚定段内设置花孔和密封，二次浆料的高压浆料管应采用镀锌铁管或钢管。当锚定绳被拉伸并锁定时，必须在锚定头与自由段之间的空隙中实施填充条。[2]

4.9 框架梁（锚梁、锚脚或十字架）工程

框架梁（锚光束、锚脚或十字架光束）由C30混凝土制成。框架梁截面采用0.4m*0.4m横梁，0.6m*0.5m竖梁截面。锚定采用C30钢筋混凝土，根据地层的负荷力和锚定绳的吨位采用不同尺寸的锚定和压板。首先，在基板上铺上灰浆调整平层，制作、安装钢筋，使钢筋接头错开，同一断面的钢筋接头数不得超过钢筋总根数的1/2，有焊接接头的断面间的距离不得小于1m。可以局部调整箍筋的间隔，使得锚定绳与纵梁的箍筋干涉。锚坑周围钢筋密集，混凝土建设应经常振动，保证质量。受压板是预制混凝土正方形板，面板是受压部材，受压面积在1.0以下。×1.0m，边长1.0m，1.2m，1.5m。

4.10 锚索的拉伸及锁定、锁定

浆料注入强度和传动系统强度达到设计强度的95%以上时，在验收测试合格后，可以进行拉伸作业。锚定支架的受压面应平坦且垂直于锚定筋的轴方向。锚定安装与锚定垫和千斤顶紧贴，千斤顶轴线与锚定孔和锚定筋体同轴线，必须确保负载均匀。锚定筋的张力必须采用专用设备。设备在拉伸作业前进行标识，在锁定件、钳子等检查合格后可以使用。[3]拉伸时，必须详细记录各阶段负荷的应力和拉伸量。锚定绳整体分为3级拉伸到设计负荷值，即设计负荷的25%、50%、110%，前面3级的拉伸滞留时间为5分钟，最后一级的拉伸在灰浆设计强度达到90%以上时进行，负荷时间为30分钟，采用拉伸应力和拉伸值的校正双重控制伸长量控制在设计值的±1.0%～5.7%之间，不应超过最大±10%，应立即停止。查清原因后再拖延。由于本段的墙壁强度不高、承载力不大，所有的锚定拉伸应在3个阶段进行，第一批的拉伸设计负荷的25%、第二批的拉伸设计负荷的50%、第三批的拉伸设计负荷的110%。6～10天后，对锚定绳的预应力损失状况进行检查，根据需要进行补偿拉伸，拉伸最后的负荷，锁定锚定后，在开口部实施二次浆料，确保锚定头端孔内的浆料注入紧密。锚定绳的拉伸完成后，立即在锚定头上密封条和锚定，外锚定头使用与锚定脚相同编号的包络头，防止锈蚀破坏。锚定头和锚定脚等间隙的泥浆补给作为锚定头防腐的重要工序，必须认真进行。浆料补给管必须插入锚定光束的底面以下进行浆料补给，直到孔溢出为止补充浆料。对于锚定和锚定筋的露出部分，必须使用与锚定相同符号的混凝土来密封锚定。[3]

5 验收试验的方法与过程

验收试验应按等级施加负荷，起始负荷应为锚索设计负荷的30%，分级负荷值分别为设计负荷的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33和1.5倍，考虑到本工程是墙加固的实际情况，负荷的最大值为1.2倍。在验收试验中，每次负荷增加1级时，必须使负荷稳定5～10分钟，记录位移读数。最终级考试也必须维持10～15分钟。当10分钟的位移超过1mm时，级负荷还需保持50分钟，记录15、20、25、30、45、60分钟的位移量，最后卸载到开始负荷，测量并记录剩余位移量。[3]

5.1 验收试验的数据整理与结果判定

验收考试的锚定符合以下两个标准，判定为合格，否则不合格。

①从开始负荷到最大试验负荷之间测量的总弹性位移量（即最大试验负荷条件下的总位移量-向开始负荷卸货时的剩余位移量）超过该负荷范围内（最大试验负荷-开始负荷）的锚定自由段长度的理论弹性伸长量的80%必须小于自由段的1/2和锚定段长度之和的锚定筋的理论弹性伸长值。[3]

②在最终级负载下的位移观测期间，锚定头的位移稳定，即，在10分钟内位移不超过1mm，或1小时的蠕变量不超过2mm。[3]

5.2 锚定验收考试不合格的处理

①发现一孔试验锚定绳不合格时，增加三孔锚定绳进行验收测试，如果再不合格，则以三倍的比例进行采样测试，判断不合格的锚定绳是个别现象还是普遍性总结并估计不合格锚定绳的百分比。[3]

②不合格锚定的负荷力按试验负荷最大值的50%计算，以不合格锚定的百分之率估计锚定的实际张力和设计值的差额，并报告设计单位进行加固处理。[3]

6 取得的成果

预应力锚框架可以有机地结合高边坂斜坡的柔性防护，不仅可以预防和治疗高边坡的崩塌，还可以美化环境，实现了工程与自然的和谐统一。通过大的吨位的预备应力锚定绳锁定在边缘坂体内稳定的岩体上，通过施加的预备应力可以抵抗边缘坂体的深层变形和破坏。贴在坡面上的钢筋混凝土框架对边坂体表层岩土起到框架箍作用，限制表层岩土的变形和破坏。

7 结束语

本工程的锚定绳在关闭锚定前，取锚定绳总数的5%以上，抽取3根以上进行验收试验，最大实验负荷是设计负荷的2倍，锚定绳在各级的荷载时间内位移和总位移量符合设计要求，验收试验结果锚定绳的承受力大于设计负荷时的短期锚定性能良好，表明锚定绳的施工技术和质量符合设计和规范要求。实现经济合理、安全可靠的目标。