预应力锚索加固路堑高边坡施工

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  摘要:通过兰渝铁路DK737+650.5~DK737+679.5深挖高边坡路基施工,介绍预应力锚索纵、横地梁施工工艺,并对施工进行总结,以期为同类施工提供参考借荐。
  关键词:路堑; 高边坡; 预应力锚索;纵横地梁; 施工
  
  0前 言
   预应力锚索的作用机理是将岩土层对锚索锚固段的摩阻力,通过自由段传递到边坡结构物(地梁),以维持其受力平衡;其组成分为三部分:内锚头、外锚头和锚索体。内锚头又称内锚固段,置于稳定岩体中,受力后通过水泥砂浆与岩体联接而提供锚固力,锚索体一般由钢绞线组成,而外锚头主要由锚具与夹具组成,通过外锚头以实现对岩体施加预应力。一方面,由于预应力的作用,使岩体结构面呈压紧状态,从而提高岩体本身的整体性;另一方面,锚索的加固预应力直接改变了滑动面的抗滑力,使边坡得以加固、稳定。
  1工程概况
   路桥建设兰渝铁路LYS-11标段项目经理部四分部位于四川省南充市境内,北起南部县肖家乡,南至南充市顺庆区芦溪镇,起讫桩号为DK714+200--DK754+000。占全线总长度的68%。路堑边坡锚索框架梁加固防护适用于软质岩、节理裂隙发育的硬质岩路堑边坡。DK737+650.5~DK737+679.5边坡岩体结构类型为IV级,较易产生崩塌,不利于边坡的稳定,必需采取相应的防护措施以确保边坡稳定。
  2预应力锚索施工工艺
   预应力锚索施工流程:施工准备→测量放线→工作平台搭设→锚孔钻造→锚筋制安→锚孔注浆→注浆→纵、横地梁施工→锚索张拉和锁定→验收封锚。其中有三个主要环节,一是锚孔成孔,二是锚孔注浆,三是锚索张拉与锁定。锚孔成孔的技术关键是如何防止孔壁坍塌、卡钻;注浆的技术关键是如何将孔底的空气、岩(土)沉渣和地下水排出孔外,保证注浆饱满密实;锚索张拉关键是做好双控,避免应力损失。
   施工工艺流程图如下:
  
  
  2.1 施工准备
   2.1.1 进行预应力锚索施工前应做好施工组织设计,组织机械设备、材料、人员进场,做好锚筋材料试验、浆体材料试验、配合比试验,进行张拉设备及有关机具的标定。
   2.1.2 按设计要求先进行锚索基本试验,即抗拔拉破坏试验。在基本试验锚孔施工完成后,在锚固浆体达到28天龄期且锚墩混凝土强度达到80%后进行试验。
   2.1.2.1基本试验的目的是验证设计采用的工作锚索的性质和性能、施工工艺、设计质量、设计合理性以及锚索的安全储备,同时考虑有关搬运、储存、安装和施工过程中抗物理破坏的能力。
   2.1.2.2锚索施工前,应根据锚固地层、锚固吨位做破坏性抗拔试验。该工点锚索采用3个试验孔,试验孔锚索长度分别为14m、18m、24m,锚固长度分别为2m、4m、6m。试验孔锚固段长度根据锚固地层、锚固吨位综合确定,试验时以设计最大拉力700KN控制。
   2.1.2.3试验孔具体位置由监理和设计代表现场确定,使试验孔可代表工程孔锚固地层实际情况。试验时应记录各级荷载及锚头位移等详细数据,并在工程锚索施工前及时向设计单位提交试验报告,以验证与调整设计。
   2.2锚孔钻造
   2.2.1 锚孔测放
   根据具体工点锚固工程施工设计图要求,将锚孔位置准确测放在坡面上,采用拉线尺量,结合水准测量进行放线,并用铁钎和油漆标记准确定位锚孔位置。孔位在坡面上的纵横误差不得超过±50mm,高程误差不得超过±100mm。如遇既有刷方坡面不平顺或特殊困难场地时,需经设计监理单位认可,在确保坡体稳定和结构安全的前提下,适当放宽定位精度或调整锚孔定位。
   2.2.2 钻机就位
   钻孔机具的选择应根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择。该段落高边坡锚索防护锚孔钻造采用潜孔钻机。
   锚孔钻进施工应搭设满足相应承载力和稳固条件的脚手架。钻机严格按照设计孔位、倾角和方位准确就位,采用测角量具控制角度,钻机导轨倾角误差不超过±1°,方位误差不超过±2°。
   2.3锚筋制安
   2.3.1该段落高边坡锚索采用压力分散型锚索,第二阶设计荷载为700KN,第三阶设计荷载为500KN 。根据设计图纸采用Φ15.24高强低松弛无粘结钢绞线,强度为1860MPa。
   2.3.2锚筋的制作应搭建高于地面0.5m以上与锚筋设计长度相适应的制作台及简易防晒防雨棚,受地形限制,需在边坡平台上进行锚筋制作的,也应搭架制作,同时应做好防晒防雨措施。
   锚筋下料应整齐准确,误差不大于±50mm,锚索预留张拉段长度1.5m。
   对钢绞线不同单元和钢筋锚接头进行醒目可靠的标记。下料注意各单元锚索长度是不同的,钢绞线一律采用机械切割下料。
   不得随意敲击锚筋或悬挂重物。锚筋体的安装,必须在现场监理旁站的条件下进行。
   2.4锚孔注浆
   2.4.1 锚孔钻造完成后应及时进行锚筋体安装和锚固段注浆,原则上不得超过24小时。其中锚固段遇土质或砂土状强风化岩层且富水时应采用二次高压劈裂注浆法来提高地层锚固力。
   2.4.2锚索注浆采用水灰比0.4~0.5的纯水泥浆,注浆材料要求严格按照经试验合格的配比备料,水泥宜使用普通硅酸盐水泥。注浆浆液应严格按照配合比搅拌均匀,随拌随用,浆体强度不低于40MPa。
   2.4.3注浆设备应根据设计要求采用的注浆材料、注浆方式和注浆压力,并结合实际锚固地层情况,综合确定选用相应的注浆设备。
   2.5 锚索框架结构施工
   地梁施工宜在锚索注浆完成7d后开始施工,同时采用加设套管措施对锚索进行保护。
   2.5.1锚索框架嵌入坡面350mm,外露250mm,框架刻槽后采用厚20~50mm的水泥砂浆进行基底调平,遇局部架空采用C25砼嵌补。硬质岩石边坡开挖凸出或凹进均不应大于200mm,软质岩石则不大于100mm,否则应进行坡面处理。
   2.5.2钢筋下料时,按现场实际情况调整钢筋长度。钢筋制安前,竖肋基础先铺垫50mm厚砼垫层。钢筋的焊接应满足规范要求,焊接钢筋接头,在接头长度区段内(35d或0.5m),同一根钢筋不得有两个接头。采用双面焊时,焊缝长度不小于5d,单面焊焊缝长度不小于10d。焊缝厚度s≥0.3d,宽度b≥0.8d。钢筋焊接所用的焊条必须满足质量要求。若锚索与框架箍筋相干扰,可局部调整箍筋间距及横梁主筋位置。锚具采用HVM型锚具,锚具安装时注意其与锚索的垂直度。
   2.5.3锚索框架采用C25砼浇筑,框架梁砼浇筑时应注意加强锚下砼的浇筑,同时保证锚斜托台座的承压面的平整,并与锚筋的轴线方向垂直。框架间设厚20mm变形缝,用浸沥青木板填塞。
   2.6锚筋张拉锁定
   2.6.1在注浆浆体与台座混凝土强度达到设计强度80%以上时,方可进行张拉锁定作业。如为选定进行验收试验的锚孔,应在达到设计强度的条件下,待验收试验结束并经检验合格后再进行。验收试验的锚孔应由监理工程师、设计代表现场确定。
   2.6.2锚具安装应与锚垫板和千斤顶密贴对中,千斤顶轴线与锚孔及锚筋体同軸一线,确保承载均匀。锚筋的张拉必须采用专用设备,设备在张拉作业前应进行标定,锚具、夹片等检验合格后方可使用。
   2.6.3锚索正式张拉前,应取10~20%的设计张拉荷载,对其预张拉1~2次,使其各部位接触紧密,钢绞线完全平直。
   对于压力分散型锚索,因各单元锚索长度不同,张拉应注意严格按照设计次序分单元采用差异分步张拉,根据设计荷载和锚筋长度计算确定差异荷载,并根据计算的差异荷载进行分单元进行张拉。
   压力分散型锚索各单元差异伸长值和差异荷载增量计算公式(以第三阶三单元共六束压力分散型锚索为例)如下。
   锚索总长24m,锚固段长12m,设计拉力500KN,弹性模量E2×10^5Mpa,A=140m2,
   L1=24m,L2=20m,L3=16m,P1=P2=P3=166.7 KN。
   各单元锚索的理论伸长量
  
  
   不同单元锚索差异伸长量:
  
  
   差异荷载增量:
  
  
   其中:
   Ll、L2、L3 — 分别为第一、二、三单元锚索的长度,且Ll>L2>L3;
   △L1, △L2,△L3 — 各单元锚索在给定最终张拉(设计锁定)荷载作用下的伸长量;
   △L1-2,△L2-3— 各单元锚索在给定最终张拉(设计锁定)荷载作用下的差异伸长量;
   σ— 给定最终张拉(设计锁定)荷载作用下钢绞线束应力;
   P — 给定最终张拉(设计锁定)荷载作用下单根钢绞线束荷载;
   A — 单根钢绞线束的截面面积;
   E — 钢绞线的弹性模量;
   △P1,△P2 — 分步差异张拉之第一、二步张拉荷载增量。
   张拉施工:方法一:张拉施工程序为:预张拉 最长2根钢绞线差异荷载补偿张拉, 最长4根钢绞线差异荷载补偿张拉, 6根钢绞线整体张拉至设计荷载的25% ,设计荷载的50% ,设计荷载的75%, 设计荷载的100%, 设计荷载的110%(锁定)。 ⑴ 预张拉:把三个不同单元的锚索整体张拉至设计荷载10%(500*0.1=50 KN),使锚索拉直。⑵ 分步进行差异荷载增量张拉。补差张拉最长2根钢绞线至△P1。补差张拉最长4根钢绞线△P2。 ⑶补差张拉完成后,六根钢绞线统一张拉,第一级荷载张拉至:500*0.25=125,扣除补差后平均分配至每单元,然后按50%、75%、100%、110%锁定。每级张拉均应持荷10分钟。
   锚索锁定后48小时内,若发现明显的预应力损失现象,则应及时进行补偿张拉。
   张拉计算表如下表所示:
  
  
   2.7 锚孔验收封锚
   2.7.1验收试验设备和方法
   2.7.1.1试验设备包括张拉千斤顶、油压表、油泵和用于连接它们的高压油管,以及相关变形量测系统和固定设施。张拉设备投入正式使用前,应由具有相应资质的计量单位进行标定,且在有效期内,并应绘制压力表读书与系统出力曲线。
   2.7.1.2 验收试验对张拉系统的精度要求一般较高,试验时对锚索施加应力和变形需要几种设备同时进行测定,如精度较高的油压表、压力传感器、千分表、游标卡尺、挠度计等。
   2.7.1.3 验收试验可选择下述两种方式之一进行试验:
   a.业主委托具有相关试验经验业绩的边坡锚固工程专业单位或部门进行验收试验。
   b.在有关业主、监理和设计代表的指导和监督下由施工单位组织进行验收试验。
   2.7.1.4 验收试验应按有关规范和规定要求认真做好记录,并提交试验报告,供工程验收用。
   2.7.2验收试验的规定和要求:
   2.7.2.1 验收试验锚索数量不少于工程锚索总数的5%,且不得少于3根。验收试验锚索孔位应在指定边坡或项目工程全部工程锚索范围内由业主、监理和设计代表根据普遍性和代表性的原则进行随机抽样。
   2.7.2.2 验收试验应分级加荷,起始荷载宜为锚索设计荷载的30%,分级加荷值分别为设计荷载的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33和1.5倍,最大试验荷载不能大于锚筋承载力标准值的0.8倍。
   2.7.2.3 验收试验中,当荷载每增加一级,均应持荷稳定10min,并记录位移读数。最后一级试验荷载也应维持10min。如果在历时10min内位移超过1mm,则该级荷载应再维持50min,并在15、20、25、30、45和60min时记录其位移量。
   2.7.2.4 验收试验中,从50%设计荷载到最大试验荷载之间所测得的总位移量,应当超过该荷载范围内锚筋自由段长度的预应力筋理论弹性伸长量的80%,且小于自由段与1/2锚固段长度之和的预应力筋的理论弹性伸长值。大量的工程实践表明,对于土质或类土质及破碎锚固地层,考虑锚孔轴向压缩与锚固段孔壁剪切变形特性,其实测上限值一般比理论上限值偏大5~10%,应具体情况及图分析。
   如果发现验收试验锚索不合格,则应及时上报有关部门并调查分析产生原因,根据实际情况具体分析,对制定验收工程锚索做如下处理:
   a.报废或重新安装;
   b.降低锚固力使用;
   c.进行补救性重新张拉等其它特殊处理措施。
   2.7.3在全部工程锚索经抽样进行验收试验并符合上述有关规定和要求条件后,方可按照有关设计要求张拉锁定程序进行张拉锁定和封锚工作。对验收试验锚索一般应从1.50倍设计荷载全部退荷至零后,再重新进行张拉锁定作业。
   2.7.4锚索张拉完成后应及时对锚头进行补浆和封锚,外锚头应用与锚梁同标号的砼封头,以防锈蚀破坏。对于锚具和锚梁等空隙的补浆应作为锚头防腐的一项关键工序在现场监理旁站的条件下认真进行,补浆管应插入锚梁底面以下进行返式补充注浆,直至补浆孔溢浆为止。对于锚具及锚筋外露部分应严格进行去锈除油后并及时采用与锚梁同标号的混凝土进行封锚。
   3监控量测
   针对本工程高边坡,建设单位委托了相关有资质的单位对施工现场长期进行高边坡变形监测与稳定性评价。在分析研究勘察、设计资料基础上,依据其地层岩性,断层和节理裂隙,结合施工中遇到的问题,建立坡体地表、深度位移监测体系,并对成果进行分析。
  3.1坡体地表位移监测
   通过在边坡平台、坡顶布设相应的观测点实现监测网的需要。该工点建立的位移监测网,主要集中于边坡加固的结构物、坡体前缘及估计可能变形达到的点。对这些点每一次与第一次的位移变化,做出位移-时间曲线,通过对曲线的分析判断坡体的变形趋势。
  3.2坡体深度位移监测
  沿该处高边坡纵断面线路打3孔,通过地质条件分析其最可能的滑段及潜在最深的滑动面,其深度大约35m、25m、20m,避离锚索体在极有可能的滑动段在坡顶前缘依次布置3个孔。
  4、总结
   4.1、边坡锚索工程施工宜开挖一级、加固一级,避免边坡长时间裸露,使边坡在施工过程中保持稳定,在降雨前后和下一级坡面开挖中,应对已建好锚索进行位移监测,以判别锚索工作及后续施工提供依据。
   4.2脚手架的搭设必须稳定,对紧固件的紧固必须有人复核。按设计孔口坐标在脚手架上安装钻机专用钢管,将钻机放在专用钢管上,用经纬仪按边坡方向放出基线,然后用方向架放出锚索方位角,测角仪调整倾角,到满足设计要求时为止。将紧固件紧牢后,再核查一遍钻机孔位坐标、方位及倾角,确认无误后,将所有紧固件再紧一遍使其误差不超过:倾角为±20。
   4.3、 对于重要、复杂、特殊且稳定性差的高边坡,锚索采用液态防腐外锚头,并进行预应力监测。根据预应力损失情况进行二次张拉。二次张拉时,先抽出外锚头油脂,打开防护帽,整体张拉锚具并按伸长量大小垫入相应厚度的钢片,然后注入油脂,锁好防护帽。
   4.4、锚孔是预应力锚索技术的关键之一,也是錨索施工中控制工期的关键工序。根据地层的类型、钻孔(直孔)、施工方案(干作业),宜选择冲击钻机或潜孔钻机。其次,锚孔钻孔必须采用风动钻进、严禁水冲钻进,以确保锚索施工不恶化边坡岩体的工程地质条件,并保证孔壁的粘结性能。第三,钻进过程应对每个孔的地层变化、钻进状态(钻压、钻速)、地层、地下水及一些特殊情况作现场记录,钻进达到设计深度后,不能立即停钻,要求稳钻3~5min,防止孔底尖灭,同时,及时进行锚孔清理。
   4.5、钻孔过程中,若发生卡钻、堵孔或塌孔现象,应立即停止进行检查,在孔中局部注浆后在同一位置二次造孔;若遇地层松散破碎易坍孔时,采用跟管钻进工艺,由于双管同步推进,钻具外有保护管,可以有效地防止因孔壁坍塌而造成的卡钻事故。
   4.6、框架梁施工必须平顺,且与坡面保持一致。对于局部出现坍塌地段,框架梁的设置不得随坡面起伏,框架梁正常位置与坍空部位必须以片石混凝土或框架梁的同级混凝土回填,不得用片石回填。
   4.7 为保证锚索张拉时锚具与钢铰线正交,每一框架梁必须按设计要求设置调坡楔块;锚头顶面必须与锚索轴线垂直。
   4.8 锚具下设的锚垫板,施工时必须固定、以确保混凝土浇注不会发生移位,同时为防止钢铰线张拉时扭曲,钢铰线束必须在锚垫板的中央。
   4.9 锚索张拉分级进行,每级间隔10分钟,最后一级间隔30 分钟,第一次张拉锁定后30 天,进行一次补偿张拉,然后锁定。张拉作业宜先左右后中间,先上下后中间,先对角线,后中间。
   4.10 锚索锁定30 天后,若发现有明显的预应力损失时,应进行补偿张拉;施工记录必须详细、真实反映施工现场情况。
   5结 语
   随着经济发展,我省高速公路事业方兴未艾,高边坡也越来越多,处治难度日趋增大,这就需要制定合理的综合治理办法。而预应力锚索纵、横地梁是控制高边坡防护结构变形的较好方式之一,是高速公路边坡防护中的一种有效加固措施。
  
   参考文献:
   [1]《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002).人民交通出版社 2002
  
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