预应力锚杆在铁路边坡防护中的应用

提要:近年来预应力锚杆施工技术在铁路工程中已得到广泛应用,本文通过分析锚杆在各种土体加固中的作用机理,结合京九复线龙川至东莞段预应力锚杆在高边坡防护工程中的施工实践,介绍其施工工艺和施工注意事项,并提出几点体会,可供类似工程参考。1、概述在铁路路基的高边坡防护工程中,当潜在的滑体沿剪切滑动面的下滑力超过抗滑力时,将会出现沿剪切面的滑移和破坏。在坚硬的岩体中,剪切面多发生在断层、节理、裂隙等软弱结构面上。在土层中,砂性土的滑面多为斜面,粘性土的滑面一般为圆弧状。有时也会出现沿上祖土层和下卧基岩间的界面滑动。为了保持边坡的稳定,一种办法是采用大量削坡直至达到稳定的边坡角另一种办法是设置支档结构。在许多情况下单纯采用削坡或挡墙往往是不经济的或难以实现的。这时可采用锚杆进行加固。采用锚杆加固高边坡,是岩土锚固技术在高边坡工程中的应用,它是利用锚杆周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面的自身稳定,由于锚杆、锚索的使用,使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用可以增强地层的强度,改善地层的力学性能可以使结构与地层连锁在一起,形成一种共同工作的复合体,使其能有效地承受拉力和剪力,并能提高潜在滑移面上的抗剪强度,有效地阻止坡体位移。这是一般支挡结构所不具备的力学作用。由于这种技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确保工程的安全和稳定,具有显著的经济效益和社会效益,因而目前在工程中得到极其广泛的应用。最早使用锚杆的是1911年美国矿山巷道支护中利用的岩石锚杆1918年西利西安矿山开始使用锚索支护,1934年舍尔法坝采用了预应力锚杆索。目前各类岩石锚杆已达数百种之多,并且许多国家和地区先后都制定了锚杆规范或推荐性标准。我国在50年代开始应用岩石锚杆,60年代开始大量采用锚固技术,特别是在我国矿山巷道、铁路隧道、公路隧道、排水遂洞等地下工程中大量采用普通粘结型锚杆与喷射混凝土支护。近年来随着铁路工程的迅猛发展,在边坡、大型滑坡治理、高层建筑基坑中更多采用预应力锚杆加固技术。岩土锚固技术几乎遍及土木工程的各个领域,如边坡、基坑、隧道、坝体、码头、船闸、桥梁等。2、锚杆的结构锚杆是一种将拉力传至稳定岩层或土层的结构体系,主要由锚头、自由段和锚固段组成：锚杆按是否预先施加应力分为预应力锚杆和非预应力锚杆：非预应力锚杆是指锚杆锚固后不施加外力，锚杆处于被动受载状态；非预应力锚杆通常采用Ⅱ、Ⅲ级螺纹钢筋,锚头较简单,如板助式锚杆挡墙、锚板护坡等结构中通常采用非预应力锚杆。预应力锚杆是指锚杆锚固后施加一定的外力,使锚杆处于主动受载状态；预应力锚杆在锚固工程中占有重要地位。预应力锚杆的设计与施工比非预应力锚杆复杂,其锚筋一般采用精轧螺纹钢筋功（Φ25—32）,目前在铁路滑坡处治中广泛采用预应力锚索加固技术。3、锚杆加固边坡的应用3.1 在土层中,边坡安设锚杆索后所提高的安全系数可用下式条分法公式计算：式中: Ni——作用在第i条滑面上的法向力；Ti——作用在第i条滑面上的切向力；
Ci ——第i条滑面上的粘取力；Li——第i条滑面长度；PN ——锚杆锚固力沿滑面法向的分力；PT ——锚杆锚固力沿滑面切向的分力；f ——滑面上的摩擦系灵敏。在岩体中，由于岩石产状及软硬程度存在严重差异，岩石边坡或能出现不同的失稳和破坏程度，如滑移、倾倒、转动破坏等。锚杆的安设部位、倾角为抵抗边坡失稳与破坏最有利的方向，一般锚杆轴线应当与岩石住结构面或潜在的滑移呈大角度相交。3.2 锚杆在边坡加固中通常与其它至挡结构联合使用：3.2.1锚杆与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋混凝土排桩式锚杆挡墙。排桩可以是钻孔桩或挖孔桩，锚杆可以是预应力或非预应力锚杆，预应力锚杆材料多采用四级精轧螺纹钢。锚杆的数量根据边坡的高度及推力荷载可采用桩顶单锚点作法和桩身多锚点作法。3.2.2锚杆与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格架式锚杆挡墙，锚杆锚设点在格架结点上，锚杆可以是预应力锚杆或费预应力锚杆。这种支挡结构主要用于高陡岩石边坡或直立岩石边坡，以阻止岩石边坡因卸载而失稳。3.2.3锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋混凝土板式锚杆挡墙，这种结构主要用于直立开挖的Ⅲ、Ⅳ类岩石边坡或土质边坡支护，一般采用自上而下的逆作法施工。3.2.4锚杆与钢筋混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙。这种结构主要用于填方形成的直立土质边坡。3.2.5锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构，适用于岩石边坡。锚板可根据岩石类别采用现浇板或挂网喷射混凝土层。3.2.6锚钉加固边坡，在边坡中埋入长段而密的拉坑构件与坡体形成复合体系，增强边坡的稳定性。这种方法主要用于土质边坡和松散的岩石边坡，加固高度较小，多用于临时边坡加固。4、工程应用实例4.1工程概况：京九复线龙川直东莞段里程K2 242+800-K2 243+760段线路总长960m，本标段地势起伏大，为双绕地段，有多处高路堑边坡开挖及防护工程。锚杆工程在本标段有较多运用，至坡顶最高短距离为59.03m，岩石破碎i，多裂隙，有土石夹层。防护形式：第1级坡面垂直8m，坡率1：0.5，锚杆框架梁防护；第2、3、4、5级单级垂直10m，坡度1：0.75，预应力锚杆防护，底梁支护；第6级坡面垂直10m，坡率1：0.75，底梁锚杆防护。4.2锚杆施工锚杆施工质量的好坏直接影响锚杆的承载能力和边坡稳定安全，一般施工前应根据施工条件和地质条件选择适宜的施工方法，认真组织实施。在施工过程中如遇与设计不符的地层，应及时报告设计人员，以作变更处理。锚杆施工包括施工准备、造孔、锚杆制作与安装、注浆、注浆锁定与张拉等五个环节。4.2.1施工前的准备工作施工前的准备工作包括施工前的调查和施工组织涉及两部分。4.2.2施工工艺4.2.2.1钻孔准备放出各锚杆孔德位置，搭设脚手架，架装潜孔钻机并稳固。用仪器测定钻机导向架的倾角（与水平面夹角为25°），在钻进过程中随时检查倾斜度，钻孔端部的斜偏尺寸不应大于锚杆长度的2%。为确保锚杆施工不至于是边坡地质条件恶化，采用无水干钻。钻进过程中如遇到严重塌孔，应立即停止钻进，进行注浆固壁处理（注浆压力0.1～0.2MPa），注浆36h后重新扫孔钻进。相邻锚杆施工方位调整平行，严格定向定位，钻机安装牢固，钻孔口径为Φ100mm。钻孔采用回转钻进方式，钻进时此阿勇泥浆循环护孔，钻孔达到设计深度后，继续超钻20～50cm。钻孔完毕后，用高压风清楚孔内残留物。一般要求锚孔入口点水平方向误差不应大于5mm，处置方向误差不应大于100mm。4.2.2.2锚杆制作与安装在锚杆制作上，棒式锚杆的制作十分简单，一般首先按要求的长度切割钢筋，并在外露段加工成螺纹以便安放螺母，然后在杆体上每隔13m安放隔离件以使杆体在孔中居中，最后对杆体按要求进行防腐处理，这样棒式锚杆的制作便完成。对进场钢筋要进行校直，除锈处理，然后，按照施工设计长度进行断料，其长度误差不应大于50mm。一般实际长度应大于计算长度的0.3～0.5m，但不可下的过短，以致无法锁定或者给后续施工带来不便。对于 Ⅱ、Ⅲ级钢筋连接时宜采用对焊接或双面搭焊接，焊接长度不应小于8倍钢筋直径，精轧螺纹钢筋定型套筒连接。锚杆自由段必须按照设计作防腐处理和定位处理。锚杆放入钻孔之前，应检查孔道是否阻塞，查看孔道是否清理干净，确保锚杆组装满足设计要求。珠江管宜随锚体一同放入钻孔，注浆管端部距孔底宜为50mm～100mm，锚杆放入角度应与钻孔角度保持一致，在入孔过程中，注意避免移动对中器，避免自由长度段无粘结护套或防腐体系出现损伤。锚杆插入孔内深度不应小于锚杆长度的95%。4.2.2.3注浆施工锚固注浆是锚杆施工过程中的一个重要环节，注浆质量的好坏将直接影响锚杆的承载能力。锚孔一般采用水泥浆或水泥砂浆灌注，浆液的拌合成分、质量和关注方式在很大程度上决定了锚杆的粘接强度和防腐效果。因此在锚杆珠江施工应当严格把握浆材质量、浆液能力、注浆工艺和主讲质量。一般要求：（1）按设计规定选择水泥将材料。选用水泥标号425#的新鲜普通硅酸盐水泥，对进场水泥应复查力学性能。搅拌浆液所用水中不含有影响水泥正常凝结、硬化的有害物质。选用砂料的含泥量按重量计不得大于3%，砂中有害物质（如云母、轻物质、有机物、 硫化物等）含量应低于1%～2%，砂的粒径以中砂（平均粒径0.3～0.5mm）较好，但要求含水量不应大于3%。外加剂的品种与用量由试验确定，一般情况下加速浆体凝固的水玻璃掺量为0.5%～3%；提高浆液扩散能力和可泵性的表面活性剂（或减水剂），如三乙醇胺等，其掺量为水泥用量的0.02%～0.05%；为提高浆液的均匀性和稳定性，防止固体颗粒离析和沉淀惨加的膨润土，其掺量不宜大于水泥用量的5%。（2）注浆作业应连续紧凑，中途不得中断，使注浆工作在初始注入的浆液仍具塑性的时间内完成；在注浆过程中，边灌边提注浆管，保证注浆管罐头插入浆液面下50～80cm，严禁将导管拔出浆液面，以免出现断杆事故。实际注浆量不得少于设计锚索的理论计算量，即注浆充盈系数不得小于1.0.（3）二次高压注浆形成连续球型的注浆还应注意：一次常压注浆作业应从孔底开始，直至空口溢出浆液；对锚固体的二次高压注浆应在一次注浆形成的水泥结石体强度达到5.0Mpa时进行，注浆压力和注浆时间可根据锚固体的体积确定，并分段依次由下至上进行。4.2.2.4锚杆的张拉与锁定锚杆张拉控制力为520.8kN，超张拉10%。锚杆的张拉，其目的就是要通过张拉设备使锚杆杆体自由段产生弹性变形，从而对锚固结构施加所需求的预应力值。在张拉过程中应注重张拉设备选择、标定、安装、张拉荷载分级、锁定荷载以及测量精确度等方面的质量控制，一般要求如下：（1）张拉设备要根据锚杆杆体材料和锁定力的大小进行选择。选择时应考虑它的通用性，从而能使得它具备除可能张拉配磁锚具外、还能张拉尽可能多的其他系列锚具的通用性能，做到一项多用。同时张拉设备应能使预应力筋的拉力既能从已有荷载上增加或降低，又能在中间荷载下锚固，最后张拉设备还应能拉锚以确定预应力荷载的大小。（2）张拉前应对张拉设备进行标定。对于1000kN以下的千斤顶，可用2000kN的压力机标定，标定的数据与理论出力误差小于2%。（3）安装锚夹距前，要对锚具进行诸葛严格检查。锚具安装必须与孔道对中，夹片安装要整齐，裂隙扼要均匀，理顺注浆管后依次套入锚垫板、工作锚、限位板、在限位板上用千斤顶预拉，每根预拉一定荷载后，再套入千斤顶、工具锚、工具夹片等。（4）张拉前，必须待锚固段、承压台（或梁）等构件的混凝土强度达到设计强度方能进行张拉，同时必须把承压支撑构件的面整平，将台座、锚具安装好，并保证和锚索轴线方向垂直（误差＜5°）.（5）张拉应按一定程序和设计张拉速度（一般为40kN/min）进行。正式张拉荷载要分级逐步施加，不能一次加至锁定荷载。分级施加荷载和观测变形的时间可按表1执行。表1 锚杆张拉荷载分级机观测时间表

注：N1为锚索设计拉力，即最终锁定荷载。
摘自豆丁网