城区岩质高边坡治理技术研究

黄道良

广东省珠海工程勘察院 广东 珠海 519000

近年来，我国的经济进入快速发展阶段，各类建设工程项目随之增多，如建筑土木、公路桥梁、水利水电等。在上述工程建设中和建设后形成大量的边坡，其中部分边坡比较高，存在稳定性问题。对此，要采取行之有效的技术措施加之治理，从而确保边坡稳定，避免安全事故的发生。借此就城区岩质高边坡治理技术展开研究。

1 工程概况

某城区内有一座水利工程，该工程枢纽区所在位置的岩层偏右岸，岩体呈破碎状态，节理裂隙发育，因工程地质条件较为特殊，给高边坡的开挖稳定性造成不利影响。为满足枢纽工程布置需要，形成多种边坡失稳滑塌形态，由于地质条件比较差，导致高边坡开挖时的稳定性问题较为突出，经过研究后，决定采用预应力锚固技术，确保边坡的结构稳定性。下面重点对岩质高边坡治理中的预应力锚索设计与施工展开分析。

2 城区岩质高边坡治理技术

2.1 预应力锚索结构

大量工程实践表明，在岩质高边坡加固中，预应力锚索的效果非常好，可用于边坡上体量较大的不稳定块体加固，还能对卸荷引起的受损区恶化起到有效的限制作用，加固后的岩体稳定性显著提升，变形条件得到进一步改善。常用的有端头锚，索长20-50m，锚固力为1000kN级[1]。锚索设计为两点预应力结构体系，由锚固段（位于锚根内）、自由段（位于锚索中间）、锚固墩头（位于孔口）等部分组成。锚根处设有导向帽和灌浆管，前者为安装提供便利条件，后者为灌浆管路，可深入至锚根底部50cm。为使锚索能够位于钻孔中心，要在收缩段架设隔离架，由此可以避免钢绞线发生扭曲变形的现象；自由段内设有注浆管，采用PVC管，设置在2/3孔深部位。锚固墩头即外锚头段，位于孔口处的基岩面，通过锥形的喇叭管将孔口与钢垫板连接到一起，预埋在钢筋混凝土结构内。预应力锚索的结构如图1所示。

2.2 预应力锚索设计要点

2.2.1 内锚固段

在对内锚固段设计前，需要做以下假定：段内各束钢绞线的受力均匀；锚索受力后不会产生沿孔壁滑移或是破坏的现象。内锚固段设计两种类型，分别为有压式注浆和自流式注浆，前者适用于锚索与边坡成任意夹角的岩质边坡；后者适用于地下水比较少且俯角在100°以上的边坡。从工艺上看，自流式更加简单，注浆管伸入锚索末端50cm，通过定量法完成浆液注入。有压式需要设置进浆管路、回浆管路、阻塞器等，其中阻塞器要固定在内锚固段的顶部，而进浆与回浆管理则需要从阻塞器的中心位置处穿过，进浆管要伸入到锚孔底部，沿着阻塞器及锚固段布设出浆孔，回浆管要从段顶引出孔外。注浆管均可选用塑料管，管径以20mm为宜，而回浆管则应选用小一号的塑料管。

2.2.2 自由段

在整个锚索中能够自由伸缩的部分称为自由段，在预应力张拉的过程中，自由段由于不受介质影响，所以无需灌浆。从锚固段顶部至孔口锚板处为自由段的长度，不同的锚索孔，自由段长度可以随着孔深的变化而改变。当自由段锚索承受预应力后，既有可能伸长，也有可能松弛。设计时，在自由段布设隔离架，间距控制在3.0m，利用铅丝进行捆扎固定。隔离架除了能够将钢绞线均匀分隔外，还能使锚索与孔中心对准。在自由段内设有注浆管，布置在入孔2/3处，当锚索施加预应力后，便可注浆，这样能够保护锚索不受侵蚀，并避免预应力松弛的情况发生。自由段注浆管路的布设如下：从孔口处将自由段的注浆管引出，进入喇叭口形注浆管，伸出墩头混凝土外部。

2.2.3 外墩头锚固体

该锚固体为锚索施加预应力的受力体，它的主要作用是将荷载传递给岩体，由以下部分组成：墩头钢筋混凝土、钢垫板、锚具等。孔口喇叭管、自由段进浆管、排气管等，全部预埋在墩头钢筋混凝土内，预应力施加后，要在锚具外增设保护罩，并在自由段灌浆时，将外罩封死。本工程中，预应力锚索选用的锚具为QM15-6型，当试验孔内加装测力计时，需要将测力计装在钢垫板间，并将锚具装在外垫板上；钢垫板用碳素钢加工而成，尺寸为400mm×400mm×400mm；在岩石基面上，浇注混凝土，按现行规范及设计要求配筋，混凝土浇注3d后的抗压强度应当达到20MPa以上[2]。

2.2.4 预应力张拉设计

锚索预应力张拉吨位可以按照如下因素确定：锚根承载力、锚索工作面范围、锚孔数量、施工套件等。目前，在锚索设计中，要保证材料强度具有一定的安全储备，依据现行规范要求，最大张拉力不得超过材料强度标准值的75%。通过对同类工程研究分析后发现，锚索材料利用强度在0.55-0.65之间，超张拉时的平均值为0.705。本次选用的锚索材料为高强低松弛钢绞线，利用强度系数取0.70，张拉控制应力为1302MPa，设计拉力为1092kN，锁定压力为891kN[3]。为确定张拉力损失情况，采取试验方法，在试验过程中，应力松弛系数取7%，楔片锁定时的滑移损失系数取0.03，其它损失包括摩擦、徐变等，损失系数取0.08。由此得出的试验结果如下：应力松弛损失为91MPa，楔片锁定时的滑移损失为44.3MPa，其它损失为104MPa，锚索的稳定应力为1061MPa，与现行规范标准的规定要求相符，表明设计合理、可行。

2.3 预应力锚索施工工艺

2.3.1 主要施工参数

本工程中，岩质边坡预应力锚索的设计承载力为1000kN，施工过程中，施加600kN的预应力，倾角为20°，锚索孔的直径为φ80，选用高强低松弛钢绞线制作锚索，张拉段上套波纹管，注浆浆液为1:1纯水泥浆，注浆压力不低于0.5MPa，水灰比为0.45[4]。锚索的长度为18-20m，锚固段的长度为5.0-7.0m，每根锚索用7束钢绞线编制而成。预应力锚索施工工艺流程如图2所示。

2.3.2 施工技术要点

（1）按照边坡的特点，选取潜孔钻机，钻杆直径为60mm，钻头为柱齿型。正式钻孔前，钻机就位，对导轨加以测量，并调整固定，测量校核开孔口，看误差是否超限，如果超过1.5°，则应当对钻机加以调整，以此来消除误差，确认合格后，重新开钻[5]。

（2）钻孔时，实际深度要略大于设计深度，当孔深达到设计要求后，应当将钻杆立即从孔内拔出，边拔边用高压风扫孔。若是钻进过程中发生比较严重的塌孔现象，导致锚杆无法顺利送入孔内，或是孔内出现大量渗水时，则应在钻孔后，采取注浆堵漏的方法予以处理，并向浆液中加入适量的早强剂，当水泥砂浆的强度达到设计要求后，重新钻进。钻孔期间，要随钻记录岩层的变化情况。需要注意的是，在钻孔施工过程中，因孔内吹出风压相对较大，为避免吹出的泥浆或是砂石伤到作业人员，必须采取有效的安全防护措施，以此来确保施工安全。

（3）依据现行规范和设计要求选取锚索材料，为避免材料浪费，应当严格按照现场测量的钻孔深度对锚索下料。在截取钢绞线时，为确保长度适宜，除了要考虑孔口位置处垫墩的厚度外，还要考虑张拉千斤顶的高度。故此下料长度要比实际长度多100cm左右。对钢绞线切割下料时，严禁使用气焊切割，要用专用的切割机，外表存在明显损伤的钢绞线应当截掉。在组装钢绞线前，要顺直排列，避免出现相互交叉的现象，依据规定要求，对钢绞线除油、除锈，并控制好每股钢绞线的误差，不得超过50mm[6]。为使锚索能够在孔内居中，确保浆体保护层的厚度达标，可在锚索上加装对中支架，按1.5m的间距布设支架。自由段的锚索表面应当均匀涂抹润滑油，随后用塑料布包裹好，并在塑料布上涂抹润滑油，装入波纹管内，这样可以形成双层保护，管的两端用铁丝绑扎牢固。

（4）锚索制作完毕后，要及时使用，避免存放时间过长，要将加工好的锚索存放在洁净、干燥的库房内，不得露天存放。向孔内安装锚索前，应检查钻孔，看是否设计要求相符，并复核锚索的各个部位，看是否正确，捆扎的是否牢固可靠。同时检查自由段锚索的波纹管，看有无明显的损坏迹象，发现破损后，要及时修复。所有检查工作全部完毕后，确认无任何问题，便可向孔内安装锚索，在安装的过程中，要观察锚索能否顺利送入孔内，有无阻碍，若是送入比较困难，则应将锚索从孔内取出，查明原因，解决处理后，重新送入。需要注意的是，要将注浆管与锚索一并送入孔内，管口与孔底之间保持5.0-10cm左右的距离，锚索的入孔角度应当与钻孔角度保持一致，入孔深度不得小于设计索长的95%。

（5）在预应力锚索施工中，注浆是关键工序，直接关系到锚索的承载力及使用寿命，所以确保注浆的饱满程度尤为重要。本工程中，采用的是注浆材料为纯水泥砂浆，按照0.45的水灰比配制，为使砂浆在7-10天左右达到设计要求的张拉强度，在制备砂浆时，掺入适量的早强剂。水泥选用的是42.5#普硅水泥，注浆压力不低于0.5MPa，采用底部注浆法，具体操作时，要将注浆管伸入孔底，从孔底将水泥砂浆压入。注浆前，要将水泥砂浆搅拌均匀，按照现行规范标准的规定要求，搅拌时间应当不少于2min，做到随搅随用，在初凝前用完。浆液中避免混入粒径较大的块石或是其它杂物。注浆应当一次性完成，边注边拔管，待浆液锚索孔后，在孔口部位采取封堵措施。需要注意的是，锚索注浆完毕后，在浆液尚未彻底固化前，不得扰动锚索体，以免对预应力锚索的质量造成影响。

（6）在对锚索张拉预应力前，要先标定千斤顶、油压表、油泵等设备。本工程中，预应力束张拉与锁定，采用的是国内某公司生产的锚具，油泵为电动，千斤顶为液压。锚索张拉作业正式开始前，要先对锚索进行质量验收试验，确认达标后，才能张拉。张拉台座的垫板面要与锚索轴线方向垂直，张拉时，锚具、夹片以及锚索要洁净，不得存在污物或锈蚀层。先对锚索预张拉1-2次，当各部分紧密接触后，便可正式张拉。要严格按照程序开展张拉作业，操作时，应避免邻近锚索之间产生相互影响，当张拉至1.2倍轴向拉力值时，持荷10min，随后卸荷，并完成锁定。锚索预应力张拉荷载分级及观测时间应当与表1的规定要求相符。

表1 锚索预应力张拉锁定加荷等级与观测时间

当锚索锁定之后，如果预应力出现明显的损失，则应及时补偿张拉。锁定前，要先安装锚具、限位板、千斤顶等设备，随后加载到锁定荷载1.10，持荷10min后卸荷。本工程中的锚索预应力采取整体张拉的方法，由于液压千斤顶比较重，不便于搬运，所以在张拉作业正式开始前，要搭设钢管，并铺设胶合板形成作业平台。当锚索预应力张拉完毕后，要及时封锚，采用砂轮机将多余的钢绞线切断，并在锚头位置处留设出5.0cm左右的长度。将润滑油脂注满锚垫板下的空间，以强度等级为C30的细石砼对垫板外锚头全面覆盖，保护层的厚度应当达到3.0cm以上[7]。

3 结论

综上所述，城区内的岩质高边坡治理是一项较为重要工作，为达到预期中的治理效果，应当选择适宜的支护技术，对边坡进行加固。本文结合工程实例，采用预应力锚索技术，对岩质高边坡稳定性问题加以处理，确保开挖施工顺利完成。