预应力锚索桩板墙在铁路深路堑边坡中的应用分析

佟秀文

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江哈尔滨 154006）

0 引言

在对深路堑进行挖掘施工期间，不可避免地会扰动整个边坡结构及力场，破坏其完整性及稳固性，进一步降低其力学指标，导致边坡土质松散，无法维持稳固的形态，加之降水、大风等环境因素也将进一步降低边坡岩土结构的稳定性，产生裂隙、断层等现象，造成边坡结构失稳，影响铁路建设安全。相关技术人员通过引进预应力锚索桩板墙的施工方式，可使锚索、抗滑桩、边坡岩土形成统一整体，并重新分配重量，能够有效规避坡体下滑风险，进而达到边坡加固的目的。

1 实例分析

本文以X 线DIK125+700—DIK126+075 路段为例，该铁路段边坡地势陡峭且表面覆盖大量植被，岩土结构为碎裂岩+人工填筑粉质黏土，其中碎裂岩层大多由灰褐色、灰黄色的变质砂岩构成，属于一级破碎程度，轻轻锤击岩体就会发生结构面断裂情况，10m 以上的岩体其应力值σ0大小约为400kPa，10m以下的岩体其应力值σ0大小约为600kPa；人工填筑粉质黏土则主要表现为灰黄色的普通填料。考虑到该路段的边坡较高，因此技术人员主要利用预应力锚索桩板墙的施工形式开展深路堑边坡治理作业，确保铁路通车安全。

2 加固机理

通常情况下，当边坡土体挖开后，其坡面释放的压力将远远大于坡体内部释放的压力，此时若是使用预应力锚索桩板墙施工方式，将有效限制边坡下滑情况，同时其支挡结构也会发生相应形变，产生反作用力，防止坡体进一步发生崩塌、滑落等病害，进而使其重新恢复成稳定状态，起到加固边坡的作用。具体的加固机理如下。

2.1 挡土板与土体之间的相互作用

由于抗滑桩前侧存在一定的临空面，因此即使利用抗滑桩限制了坡体下滑趋势，但桩与桩之间的岩土受到重力作用，仍会发生局部形变，为有效避免此部分影响施工安全，需要在桩与桩之间加装挡土板限制边坡形变。

2.2 抗滑桩与土体之间的相互作用

由于在土方开挖环节极易扰动边坡结构，因此在重力的影响下，边坡岩土将使得已经固定好的抗滑桩发生形变，重新调整内力，抵消岩土下滑力，此时桩间土壤将逐渐放缓滑动趋势直至停止。从实际情况来看，由于不同区域的土体所受到的约束力不同，因此越靠近抗滑桩的土体其剥落现象越不明显，桩间及桩后的土体其抗剪力不同，进而在局部范围内形成土拱，以此可将桩间土壤受到的下滑力转移至桩体，起到一定的抗滑作用，确保坡体的稳固性。

2.3 预应力锚索与土体之间的相互作用

预应力锚索的两端被分别固定在加固物及稳定地层中，由此将形成全新受力结构，可充分发挥砂浆、岩体、锚索的胶合作用，及时传递张拉力并牵制坍滑体，满足边坡加固的要求。

2.4 预应力锚索与抗滑桩之间的相互作用

在抗滑桩加装预应力锚索后，桩体逐渐形成简支或弹性支撑形式，增大了抗滑桩的弯矩，因此抗滑桩的埋入深度及截面积可适当减小。同时，抗滑桩背部的受力方式逐渐转变为受拉力，加之受到预应力影响，可有效提高抗滑桩稳固性。另外，抗滑桩也可有效阻挡岩土下滑，避免预应力锚索再次出现松弛问题，充分发挥二者的协同作业优势，保障边坡作业安全[1]。

3 预应力锚索桩板墙的设计

3.1 设计参数

3.1.1 锚索最优方位角

通过计算预应力锚索张拉部分lz在滑动面上的法向投影数值hz，可得到其阻滑力Fm的大小，具体计算公式如下：

式（1）～式（2）中：α+β 表示锚索最优方位角；α 表示滑动面与水平面夹角；β 表示锚索与水平面夹角；ζ 表示Fm与lz的比值。若是锚索的剪切力及拉断力同时被破坏，则此时的α+β=60°+φ/2，φ表示滑动面内摩擦角。为保证在尽量减小剪切位移量的同时使锚索处于受拉屈服状态，此时α+β=（45～55°）+φ/2，通过计算可知，β 取值约为20°，因此可选用8 根规格为φ15.2 的钢绞线制作强度等级约为1.86×103MPa的锚索。

3.1.2 锚索预应力

通过分析滑面处桩身弯矩为零时桩顶位移数值，可精确判定锚索预应力值大小，依据抗滑桩受力条件，该工程选择的锚索张拉力大小约为300kN。

3.1.3 锚固段锚固长度

该锚固段主要可分为锚固、自由、张拉三个部分，其总长度即为三个环节的长度之和，其长度大小与砂浆+周围岩体的极限抗剪力、岩体间的极限抗剪力、砂浆+钢绞线的极限抗剪力大小有关，分别计算不同状况下的极限抗剪力，并取最小值计算锚固长度，可得到锚索极限抗拔力Tu的计算公式。

若砂浆及钢绞线紧密相连，则D 表示钢绞线直径；若锚索会发生孔内滑动问题，则D 表示钻孔直径；LM表示锚固段长度；τ()z 表示阻抗剪应力在内锚固段长度方向上的分布参数。该工程中仅需在抗滑桩后加设一根锚索，因此可计算其D 取值150mm，LM取值10m，锚索总长取值20m。

3.1.4 抗滑桩锚固长度

抗滑桩最小锚固长度hm的计算公式如下。

式（4）中：Fk表示抗滑桩滑坡推力；[ ]σ 表示侧壁容许应力；Bp表示抗滑桩计算宽度，Bp=b+1，b 表示抗滑桩设计宽度；h1表示抗滑桩受荷端长度。通过计算可知，hm的取值约为3m。由于锚杆挡墙施工结构特殊，因此影响Fk取值的因素较多，依据相关设计规范及实际工程土质状况，可将Fk取值设为1.2。

3.2 作业原则

第一，需做好施工流程及指导方案的编制工作，严格依据现有铁路建设规定标准，科学安排施工步骤，合理划分施工进度，确保工程建设的规范性及条理性，同时，依据工艺技术设计平行及交叉作业方案，有效提高施工效率，确保其可在规定工期内完成作业。第二，需做好质量把控，依据单位内部及行业要求设计质量保障机制，并将其贯穿落实到实际施工建设中，保证各作业流程均符合图纸规范，提高施工质量。第三，注意施工安全，落实安全第一的理念，增强施工人员安全意识，确保施工期间穿戴好各类安全保护装置，特殊工种需持证上岗，避免发生重大安全事故。第四，合理调配建材、设备等资源，选择满足施工要求的设备及建材规格，保证施工合理化，提高施工效率。第五，遵守法律规章制度，避免对当地的生态环境造成破坏，树立可持续发展理念，落实文明建设、绿色施工要求[2]。

3.3 工程设计

3.3.1 桩板墙

该工程主要利用锚索桩板式挡土墙加固方法，其桩截面尺寸为2.5m×3.5m，各抗滑桩间的距离应控制在5m，桩长约23m，桩身及挡板可选用规格为C20的普通钢筋混凝土，桩间可选择预制槽型挡板，挡土板板长需控制在2m，且板厚约0.35m。挡板后续额外加设厚约30cm 的砂夹卵石作为反滤层，并在底部的挡板下层加设厚约30cm 的厚夯填黏土作为防渗层，桩顶平台可利用规格为M5 的浆砌片石进行封闭，挖桩护壁则可选择规格为C1S 的素混凝土材料，确保护壁的厚度达到25～30cm。

3.3.2 预应力锚索

第一，需在锚固桩顶部加设一排预应力锚索，可在5-22 号抗滑桩距桩顶2m 左右的区域设计锚固支点，连接一根长约20m 的锚索，此时需保证其锚固段的锚索长度约为10m，并控制锚索钻孔深度，使其保持在23.5m，锚索与水平夹角之间的度数需控制在15～20°，且其锚孔孔径大小约为15cm。第二，需确保锚索的张拉吨位约300kN，设计其预应力吨位约700kN。第三，选择规格为φ15.2mm、强度为1860MPa 的高强度钢绞线8 根，并将其绑扎为一根锚索，并在锚孔外预留长约150cm 的张拉区间，且孔底的沉渣段长需控制在50cm。第四，需在桩顶加装宽约5m 的平台，并在边坡上利用锚索格梁的方式进行加固，此时锚索的锚固段长度可控制在8m，锚索与水平夹角之间的度数需保持在30°，锚索设计张拉力大小约为100kN。锚索需按照矩形的方式进行统一排列，其水平及竖直间距分别为4m 及3m。钢筋混凝土格梁的规格约为40cm×40cm，采用矩形布设的方式，其格梁节点需加设预应力锚索，此时锚索钻孔直径约为13cm[3]。

3.3.3 施工过程及注意事项

(1)需重视桩板墙施工

首先，应提前做好准备工作，整平孔口，并挖掘地表降水排水沟渠，防止出现渗漏问题。若是在雨季施工，则应提前加装好雨篷等防雨设施，与地面相距50cm 以内的岩土则应提前做好衬砌作业，同时准备好各类设备及建材，架设通风、照明、排水等装置，并依据施工需要设计施工流程。另外,也需要提前加设可观测边坡形变状态的观测桩，提前为施工人员的安全撤离规划路线，做好安全防护作业。

其次，保证抗滑桩开挖及支护作业质量。为保证边坡稳固性，在挖掘桩孔时，可选择跳两根桩的开挖方式，以人工挖掘为主，利用电动摇头爬杆清理废渣。具体的开挖及支护流程如下：利用分节开挖的方式，以0.5～2m 为间距，确保每挖完一节就立即开展支护作业，若是围岩较为破碎且含水量较多，则可依据需要适当缩短分节长度；可选择就地灌注混凝土的方式完成侧壁支护工作，严格按照规定要求进行灌注，并在混凝土灌注24～36h 后拆除混凝土模板支架；若是围岩周边土质环境较为松软，且存在滑动现象，则施工人员可在护壁内侧沿着边坡的方向加装临时支撑横杆，及时做好加固检测作业，一旦发现横撑受力形变问题，则应立即引导施工人员撤离现场；若是使用爆破开挖的方式，相关施工人员需积极引进并落实各类减震措施。

再次，需做好抗滑桩的混凝土灌注作业。施工人员应提前检查断面的清洁性，依据施工方案做好钢筋放样。整个施工流程严禁出现中断问题，可利用钢筋笼的方式，使其在桩孔内进行固定搭接，此时应确保搭接口远离土石分界面及滑动面。混凝土的振捣及拆模作业应依据规定进行设计，若是边坡出现明显的滑坡现象或需要缩短工期，则可更换为凝固时间较短的混凝土。

最后，当混凝土浇筑完成后，若其强度大于规定标准的70%，则可开展后续的土石方作业。在浇筑混凝土期间，需提前在抗滑桩上预留锚索孔，并使其与水平方向的夹角成20°，符合施工要求[4]。

(2)应做好预应力锚索作业

第一，应提前开展拉拔试验，检测砂浆与岩体之间的抗剪强度，以此验证、设计锚固段长度，确保最终的拉拔试验结果满足预先设定的施工标准。第二，开展锚索作业前应提前确定锚孔位置并标注编号，严禁在施工作业期间随意调整锚孔位置。第三，在钻孔前应调整钻杆位置，保证其与锚索方向始终一致。在钻孔期间为避免出现塌孔问题，可选择跟管钻进的方式，及时利用高压风清理锚孔，排出粉尘、岩屑等杂质。第四，编制锚索前需做好除锈、除污作业，严禁受损钢绞线应用到工程中，及时挂牌标注，确保锚索与锚孔一一对应。第五，需选择一次注浆法进行作业，加涂防锈油并套上波纹管，在向管内灌满黄油后可进行封闭，应一次灌满锚固及张拉端，严禁出现缝隙，保证其张拉强度在规定标准的70%以上。第六，张拉作业前需调整配套设备，提前使用15%的拉力完成预张拉，确保锚索顺直紧实。第七，张拉作业可分为25%、50%、75%、100%、110% 五个等级，除最后环节需保持15min，其他环节均需维持5min，在张拉锁定10d，需进行补张拉，使其起到补偿预应力损失的作用。第八，封孔注浆结束后，需预留3cm 的钢绞线，剪去多余部分，完成封堵作业。

4 质量控制与验收

其一，在钻孔阶段需控制孔深小于20cm，孔斜误差小于3%，孔口位置误差小于10cm。其二，承压垫座应始终垂直，最大误差不超过0.5。其三，张拉压力精度应大于1.5 级，且配套设备误差需小于2%，最大张拉力低于钢绞线标准受力强度的75%。其四，验收及竣工可合并检查，抽样检测环节所选样品数量应为总锚数的5%，测得预应力数值应在设计值的3%～5%范围内。其五，需按照来料数的10%检测钢绞线质量，其中3%用于静载试验，5%用于硬度检测，10%用于外观检测。通过检测可知，此次工程作业满足预先设计的作业标准，验收合格，可继续完成后续的土方石挖掘作业。

5 结语

综上而言，本文以实际工程为例，探究了预应力锚索桩板墙在铁路深路堑边坡中的实际应用，通过计算锚索最优方位角、锚索预应力、锚固段锚固长度、抗滑桩锚固长度等参数，设计工艺流程、注意事项、质量验收等方案，以此确保在正常推进铁路施工作业、保障人员安全的同时，减少土方石挖掘、填筑工作量，提高施工经济性，确保其满足现代化铁路施工建设需求。