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2000kN 压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用[J]2000kN 压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用[J] -- 10 元

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2000KN压力分散型锚索在高边坡加固工程中的应用姚卓英(中铁十一局集团第三工程有限公司湖北十堰442012)摘要本文通过2000KN压力分散型锚索在破碎体高边坡加固中的应用,介绍了其设计概况、施工工艺,以及边坡变形及锚索应力监测方面的应用,对施工中存在的问题进行了总结分析,为类似工程提供了参考经验。关键词边坡加固压力分散型锚索施工监测压力分散型锚索,通过布置于内锚段的数个承载板从不同位置调动锚索锚固区的承载能力,逐步衰减至自由段,与拉力锚相比较可为岩层提供的锚固力可调性范围大,对岩层的应用范围进一步扩大。近年来,针对软弱破碎岩体,特别是承载力比较低的岩体加固方面,压力分散型锚索由于受力结构好有了较多的应用,取得了良好的加固效果。本文以2000KN无粘结预应力锚索在破碎体高边坡加固应用方面的探讨,着重分析说明了此类锚索的工艺控制要点以及高边坡安全监测方面的体会。1、工程概况1.1工程规模及地点EL1560m平台工程是锦屏水电站引水隧洞主要施工场地,位于雅砻江干流锦屏大河湾上,地处高山峡谷,地面坡度一般在40~50°,该平台由原始边坡直接开挖形成,施工区段为K4576~K4985,开挖形成高程为1560m和1605m两个功能平台(以下简称1560平台和1605平台),最大开挖高度约120m(坡顶高程1680m)。1605平台长约100m,宽15~20m,设计荷载为25t/m2,布置有引水隧洞混凝土系统1560平台长约400m,宽15~40m,布置有机车修理厂、调车场地及引水隧洞、上游调压室施工支洞洞口等。根据地质情况的不同,开挖坡比为10.310.5,设置有高程为1560、1575、1590、1605、1620、1635和1650m7级马道(台阶),台阶高度为15m,马道宽度为2m。本工程石方开挖约43万方、边坡喷锚支护4.4万平方米,1000KN、1500KN,L3050m锚索共计474根,2000KN,L25/30m压力分散型锚索55根。在本工程前期1000KN、1500KN无粘结预应力锚索(拉力型)施工中,由于锚索加固部位岩体松散破碎,内锚段承载力低,设计要求锚索进入完整岩体(Ⅲ类以上)的锚固段长度不小于7m,这使得锚索的长度普遍偏长(50m)、灌浆量偏大(平均单孔约60t)、施工时间偏长,不利于工程投资和进度控制。在1605平台在开挖过程中,K4700K4760(15801605m)段边坡发生塌方,方量约2120方,而后,按照原边坡坡比(10.3)施工C20混凝土贴坡的浇筑。为了保证混凝土贴坡后的1605承重平台的安全稳定以及后期承载力的需要,同时,避免普通拉力型锚索在高危边坡加固方面的不利因素,决定采用200t压力分散型锚索加固1605以下边坡,边坡锚索支护高度为25m,距离坡脚高度为45m,共设计有2000KN压力分散型锚索55根,L25/30m长短间隔布置。1.2边坡地质情况根据地勘资料显示,该区段上覆有1~10m不等的半胶结角砾岩,岩体破碎,下伏为T2y5灰~白色厚层大理岩,岩体以弱风化为主,局部为强风化,完整性较差,结构面发育,沿结构面常见有溶蚀现象。另发育一组N60°W,NE∠13°的顺坡裂隙。根据钻孔取芯资料来看,1605下边坡地质情况较差,一般情况为015m之间岩石较破碎,钻孔比较困难,回风量较小,回风颜色为灰黄色,有吊块和卡钻现象1525m之间裂隙较发育,时有卡钻现象,25m以后岩体较完整。1.3锚索设计情况由于EL1605平台是具有承重要求的平台,其上布置有混凝土骨料仓,每平方米的设计要求承重25t,为了确保加固后的边坡满足混凝土骨料仓的承载力要求,设计要求采用压力分散型锚索。K4700K4760段(1584~1605m)布置有55根2000KN无粘结压力分散型预应力锚索,锚索为25/30m间隔布置,锚索之间采用框格粱连接,框格粱断面尺寸为50cm50cm,有混凝土贴坡段的锚墩为100cm100cm,无贴坡段的锚墩为150cm150cm。K4700K4760段(1584~1605)锚索断面布置图见图1。图11605以下边坡锚索支护典型断面图200t级锚索设计要求的设计参数为锚索由14根钢绞线组成,公称直径Ф15.24mm,标准强度1860Mpa锚索孔径为Ф165mm,采用5级承载板承压,间距1.6m,承压板直径Ф145mm,第1级为2根钢绞线(编号为11、12),第2级为3根钢绞线(编号为21、22、23),此后每级增加3根,钢绞线长度每级减少1.6m注浆采用42.5R水泥,净压力0.3~0.7MPa,浆液胶凝体强度40MPa,N40净浆,采用一次性灌浆。锚具和夹片采用HVM15型,图22000KN无粘结压力分散型锚索结构示意图2、压力分散型锚索试验2.1试验的目的。通过在现场具有代表性的部位的锚索施工,进一步了解边坡的地质情况,校核设计参数,发现和初步解决锚索后续施工中可能出现的问题,并有针对性的优化锚索施工方案通过对锚索张拉结果(测力计测力值)的分析,找出在此种地质情况下,锚索质量的影响因素及影响程度检验并提高操作人员的施工能力和技术管理水平。2.2试验方案现场选用锚索编号为16、210和36号(根据图纸要求这三根锚索安装有测力计),锚索的设计长度分别为25m、30m和30m,测力计编号分别为D16056、D16054、D16055,通过对这三根锚索钻孔、灌浆、特别是张拉结果的分析,进一步了解锚索加固区域的地质赋存情况,找出压力分散型锚索施工过程中的质量影响因素,并针对试验锚索施工中存在的问题,有针对性的提出解决方案。2.3现场存在的问题(1)锚索造孔方面由于该部位地质情况较差,在锚索钻孔过程中,经常出现卡钻及埋钻现象,锚索成孔速度较为缓慢,单孔孔钻孔时间2436小时。勉强成孔后出现孔壁塌陷,锚索无法下索。(2)锚索灌浆方面由于岩体节理裂隙很发育的原因,灌浆量较大,在锚索灌浆之初,锚索16、210和36号的锚索灌浆量很大,分别(干灰量)达到73、89.7和50.1t,锚索单孔平均灌浆量为80t,灌浆量偏大。由于岩体节理裂隙发育,浆液扩散到其下35~50米的范围,有浆液从岩体中渗出。(3)锚索张拉方面采用便携式千斤顶(YDC240Q)逐根张拉的施工方法具有施工方便,现场易于控制的特点,但是,由于张拉过程中钢绞线自然回缩以及群锚效应等原因,锚索的应力损失较为明显,通过本工程的经验,锚索实际所受的力(锚索测力计所测的)比锚索名义上所受的力(千斤顶张拉系统所测的)普遍平均要小17.5。表1试验锚索应力损失对比表序号测力计编号设计应力测力计读数损失量损失率备注1D1605620001626.037418.7162D1605420001674.2325.816.32103D1605520001648.035217.6362.4存在问题的解决措施根据以上三个试验锚索的试验结果,锚索制作方面和结构方面不存在太大的问题,针对锚索成孔、灌浆方面和张拉方面存在的问题,现场采用以下措施进行解决(1)锚索成孔。对于塌孔严重的部位采用M35砂浆固壁(水泥水砂子10.80.6),24小时后重新钻进,现场采用后造孔效果明显。(2)锚索灌浆。锚索灌浆主要是解决内锚段锚固问题,张拉段的灌浆主要是目的是钢绞线防护。因此,锚索灌浆一般采用N40净浆(灰水10.42),对于灌浆量偏大的孔采用浓砂浆灌浆M40砂浆(灰砂水10.50.5),并采用间歇、待凝方式。(3)锚索张拉。根据上面分析,采用便携式千斤顶(YDC240Q)逐根张拉的施工方法,应力损失比较明显,千斤顶张拉系统已经不能反映锚索的真实受力情况,经研究决定以测力计为准,通过补偿张拉确保锚索测力符合设计要求。3、2000KN压力分散型锚索工艺控制3.1基本施工工序施工平台搭设→布孔→编索→造孔→清孔、验孔→安装锚索→注浆→锚墩制作→安装外锚头→张拉→验收→封锚3.2布孔、钻孔施工使用测量仪器按设计要求将锚孔孔位准确地测放到边坡坡面上,做好孔位标记。因地形等客观原因限制,需调整孔位时,应征得设计方的同意后方可调整,本工程锚索的间距4m,排距5m。现场配备钻机无锡双帆YXZ80型潜孔钻机。设计的孔径为165mm,现场采用150的(强风)冲击器,165mm的钻头。锚索的俯角为5度。由于本施工区段地质情况较差,成孔过程中塌孔现象较多,经过监理同意后,采用M35水泥砂浆回填灌浆固壁,配比为水泥水砂子10.80.6,待形成强度后重新成孔。另外,应注意一点,由于塌方段边坡的地址赋存情况有一定的差异,在钻孔过程中,应注意钻孔速度、返回介质的成分与数量、地下水等资料的收集与记录,如果发现原设计的部位不适合做锚固段时,应及时向监理人员汇报,并增加锚索长度,确保锚索内锚段位于稳固岩体中。3.3索体的制作编索工艺下料、清洗→编束→安装隔离架、支撑环→安装注浆管→验收→库存。(1)压力分散型锚索制作前应对钻孔实际长度进行测量,计算并截取出每级承载体对应的钢绞线,并对不同位置处的承载体(5级)相对应的钢绞线外露端采用打磨机打磨出标记,以便后续张拉工作的正确进行。(2)下料要求用砂轮切割机切割,下好料以后,按图纸要求设置好隔离架,每1.5米放一个。锚索编束前,要确保每根钢绞线顺直,不扭不叉,排列均匀,对有死弯,机械损伤处应剔出,无粘结绞线外套PE管不得有破损。索体绑扎要求牢固,使钢绞线不互相缠绕,平行顺直。(3)内锚头钢绞线挤压套由挤压套筒和钢丝衬套组成,钢绞线传入承载体后挤压并设置好承载体,挤压套中钢绞线伸入长度不小于14cm,挤压套的挤压力为2053MPa,并按照3进行抽检。(4)按照图纸要求,承压板直径Φ145mm,保护罩直径为Φ79mm,锚索保护罩和导向帽内填充3无粘结预应力筋专用防腐油脂。检查合格后的锚索标识好以后分区存放,同时做好防雨、防晒工作。3.4锚索注浆注浆搅拌设备选用NJ1500L高速搅拌机(注浆压力0~1.5Mpa,排浆量30L/min)和3SNS型高压灌浆机(工作压力P0~5Mpa,排浆量10~200L/min)。(1)配制浆体时,各种材料的比例应严格按设计要求掺入并按重量计量,浆液水灰比为10.42,净压力为0.3~0.7MPa。为改善浆体在施工中和硬化后的性能,在浆液中加入水泥用量1的微膨胀剂和0.7高效减水剂等。(2)浆液采用高速搅拌机搅拌,搅拌时间不应少于2min,根据设计图纸要求,当回浆浆液比重与进浆浆液比重时,稳压闭浆20min,回浆压力应达到0.15MPa。当达到闭浆要求时,我部将通知监理,以确保闭浆时间及回浆压力达到设计要求。3.5锚索张拉3.5.1张拉设备。按照张拉工艺,现场设备采用3套便携式千斤顶,型号为YDC240Q,主要技术参数为额定拉力240KN,额定油压50MPa,自重18.2kg,配用油泵为ZB4500型电动油泵。3.5.2张拉原理由于压力分散型锚索结构较为复杂,每级承载板对应的钢绞线的长度均不同,从第一级承载板到第五级承载板,依次每级减小1.6m,这使得张拉段的长度依次减小1.6m。对于此类锚索有两种张拉方法其一,采用便携式千斤顶(YDC240Q)分级分序张拉,锚索张拉分为5级,首先依次完成第一级14根钢绞线的张拉,然后依次张拉第2~5级。为防止群锚效应等因素造成的应力损失,最后应使用便携式千斤顶进行补偿张拉。其二,采取终值补偿张拉和整体张拉相结合的方式,即采用整体张拉千斤顶和单根张拉千斤顶结合,单根张拉千斤顶对各不同长度的单元锚固体按终值应力补偿到位后再用整体千斤顶进行分级正常张拉。由于本工程的特点,采用第二种方法张拉工艺控制相对复杂,张拉设备搬动困难。因此,根据压力分散型锚索张拉工序较为复杂的特点,为简化张拉程序,经监理批准后现场采用第一种方法,这种方法工艺易于控制的,现场可投入多套设备平行施工。3.5.3工艺过程根据设计要求结合现场实际情况,我部采用小千斤顶分级(5级)、分组分序(5组每组14序)依次循环张拉。五级总荷载分别为400KN、880KN、1320KN、1760KN、2200KN,单根荷载分别为28.6KN、62.9KN、94.3KN、125.7KN、157.1KN。为了充分了解锚索张拉过程中的受力情况,根据图纸,本工程共设置了6个200t级的锚索测力计,编号为D16052~D16057,测力计采用钢弦式测力计,型号为BGK49002000KN。锚索张拉48h内应力损失不超过锁定荷载的10视为稳定,否则对对应区域的锚索进行二次补偿张拉。①锚索采用5级加载,依次张拉15级,单根锚索的张拉力分别是28.6KN(预紧)、62.9KN、94.3KN、125.7KN、157.1KN,首先进行锚索预紧,14根锚索共分为5序,依次张拉第一级承载板的第1根,第2根,第二级级承载板的第1根,第2根,第3根,依次完成第一级的14根锚索的张拉。②按照上述张拉方法依次完成锚索25级的张拉,在张拉过程中同步测量单根锚索的伸长值并按要求做好记录。另外,安装锚索测力计的锚索,除了上述工作外,每级张拉完成后应观测锚索的受力读数。③加载、稳压和卸载速率,按照设计图纸要求,做好张拉过程控制工作,具体控制方法为单根锚索张拉的加载速率为44KN/min,减载速率为50KN/min,15级分别按照为0.5min、1.5min、2min、3min、3.5min来加载,按0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min进行稳压。卸载时间为0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min。单根200t锚索张拉时间约为357min。④锚索锁定后,应采取措施,尽量避免临近已锁定的锚索产生松弛。3.5.4补偿张拉。采用便携式千斤顶(YDC240Q)逐根张拉的施工方法,应力损失比较明显,千斤顶张拉系统已经不能真实的反映锚索受力情况,必须以测力计为准,通过补偿张拉确保锚索测力符合设计要求。通过对1605以下边坡6个200t级锚索测力计张拉数据的分析,测算出锚索平均应力损失值为18,在锚索张拉完成以后,以测力计为准进行应力控制,确保锚索测力计的测值符合设计要求,最终按照这一值对其它锚索进行补偿张拉。4、施工期安全监测根据本工程的特点,锚索张拉过程的安全监测包括两部分,一是锚索应力监测,二是边坡稳定性监测,具体如下4.1锚索应力观测4.1.1锚索监测仪器的选型、布置、埋设测力计采用钢弦式测力计,型号为BGK49002000KN,量程为200t,精度为0.25F.S.,选用基康公司生产的GK403读数仪进行测读,该设备具有RS232接口,时间、日期、温度自动记录,测量范围400Hz6000Hz,5V方波,测量精度0.01。测力计安装、测试人员3人。1605平台下边坡的55根压力分散型锚索共设置了6个锚索测力计,分为四个断面,测力计编号为D160527。待锚索内锚固段与承压垫座混凝土的承载强度达到设计要求后,在锚索张拉前,将锚索测力计安装在孔口垫板上,并将测力计专用的传力板安装在孔口垫板上,要求垫板与锚板平整光滑,并与测力计上下面紧密接触,测力计或传力板与孔轴线垂直,其倾斜度应小于0.5°,偏心不大于5mm。埋设初期,每天观测1次,观测一周后每周观测3次,连续观测1月后每周观测1次。4.1.2锚索监测成果分析通过锚索张拉试验可知,采用便携式千斤顶逐根张拉的施工方法存在明显的应力损失,以下以D16054号锚索测力计对应锚索的补偿张拉为例进行分析。D16054号锚索测力计设计张拉荷载为2000KN,2007年11月15日张拉锁定后测力计的测值为1674.2KN。结合其它锚索的张拉情况分析,造成锚索应力损失的原因有便携式千斤顶张拉过程中产生的应力损失(钢绞线回缩)的累加效应、以及结构面之间的挤压变形松弛效应(锚墩及框格梁混凝土、贴坡混凝土、喷射混凝土和基岩面之间的3个结构面),出现了锚索实际所受的力(锚索测力计所测的)比锚索名义上所受的力小(千斤顶张拉系统所测的)的情况。鉴于上述情况,千斤顶张拉系统已经不能反映锚索的真实受力情况,因此,必须以锚索测力计为主进行补偿,以确保锚索测力符合设计要求。2007年11月17日对D16054号锚索测力计对应锚索的补偿张拉,补偿标准为设计值的118,即千斤顶张拉总荷载为2360KN,补张拉后测力计显示的锁定值为1988.9kN,满足设计要求,截至2008年3月31日测力计监测荷载为1959.3KN。具体数据见表2表2D16054锚索测力计实测成果表观测日期观测时间频率温度℃荷载kN备注1(红)2(黄)3(兰)4(黑)平均2007111517345805.15823.26121.36012.55940.515.61674.2锁定后2007111715105532.85581.06104.65921.55785.020.61988.9补拉2007111817305544.05595.46112.75933.55796.415.31969.92007112015355553.25602.16123.85940.45804.919.01962.9200831914485545.35594.96115.35929.25796.218.91964.3200833110125554.85603.96122.85936.55804.514.61959.3锚索张拉是对锚索整体施工质量进行分析与判别的主要方法,能够最直观的了解锚索的受力情况。2007年12月11日1605以下边坡的55根压力分散型锚索全部张拉完毕,截至2008年3月31日,所有锚索张拉稳定后的测力计测值均符合要求(不小于设计张拉力的90),锚索施工质量良好。4.2边坡稳定观测边坡稳定观测主要采取以下两种手段其一为深部变形观测,其二为水平垂直位移观测(表观位移观测),通过观测了解锚索张拉过程中边坡的稳定情况。4.2.1深部变形观测在锚索施工期间,按照设计要求对埋入1605下边坡的多点变位计M16051、M16052,以及1605平台上的测斜孔INP7进行观测,观测数据显示多点位移计位移的变化速率均在0.010.01mm/d之间,测斜孔的观测数据张拉前后无明显变化。边坡位移变化的速率及累计位移处于可控范围,边坡处于稳定状态。4.2.2水平垂直位移观测①水平变形观测。通过1560平台控制网上的测量基点(分别为JP146、145和147号),采用全站仪(GPT3002LN,标称精度为1.6mm)进行边角交汇法观测,观测1605平台上的3个水平位移测点的坐标,观测桩编号分别为TP16051~3,以了解水平变形情况。②垂直位移观测。通过布置在在1605平台上两个不受张拉影响的垂直位移基点(LN16051、2),采用德国蔡司制造的型号为DiNi12型电子水准仪(准确度U0.51)观测2个基点之间的6个垂直位移测点,分别为LD16051~6,满足二等水准观测要求,以了解垂直变形情况。设计要求1605平台在锚索张拉前观测一次水平、垂直位移,张拉过程中水平位移每月观测一次,垂直位移每天观测2次。水平位移观测精度为±3mm,垂直位移采用二等水准点。根据上述要求,总共进行了4次水平位移观测,60次垂直位移观测,观测结果显示水平位移与初值偏差为1mm,垂直位移与初值偏差为0.4mm~0.1mm。1605平台变形较小,边坡处于稳定状态,排除了锚索张拉过程中塌方段边坡可能出现过大边坡挤压变形的担忧。5、结语通过2000KN无粘结预应力锚索在破碎体高边坡加固应用方面的探讨,说明了压力分散型锚索的工艺控制要点、以及高边坡安全监测的体会,具体如下(1)受力结构合理。通过与本工程普通拉力型锚索的对比发现,采用分散型压力锚索更可避免锚固段的压应力集中,使锚固段应力分布更趋均匀,在锚索内锚段受力结构不好但又需要提高供较高锚固力的部位比较合适。(2)锚索循环张拉。通过本工程的实例可以看出,采用便携式千斤顶循环张拉的方法是可行的,该施工工艺具有现场易于控制,可平行施工的优点,对于锚索循环多次张拉过程中产生的应力损失,可根据测力计的测力结果进行应力补偿。(3)高边坡安全监测。作为有承载了要求的破碎体高边坡加固工程,确保后期的承载力要求非常关键,锚索测力计能够动态的提供锚索的受力状态,特别是加上后期的荷载后的受力状态。同时,边坡稳定性观测结果不仅在锚索张拉阶段有很强的指导意义,对后期的1605平台的稳定性评估也意义重大。目前,本工程的1605平台已经投入加载安全运行半年左右,通过对锚索测力计和边坡变形观测设备的监测数据的分析,破碎段高边坡处于稳定状态,边坡加固效果良好。根据本工程的经验,对于破碎岩体边坡、断层、裂隙发育地段,采用压力分散型锚索可大大提高边坡的稳定性与可靠性,同时,采用合理有效的安全监测手段也是极为必要的,可以加以推广应用。参考文献1、闫莫明,徐祯祥,苏自约主编.岩土工程锚固技术手册.北京人民交通出版社,2004.4.2、陈正元,李进生.福建省泉三高速公路SMA6标段高边坡预应力锚索施工J.公路.2008,4.3、SL4694,水工预应力锚固施工规范S.作者简介姚卓英男,1980年4月出生,助理工程师,2004年毕业于西安科技大学岩土工程专业,现任职于中铁十一局集团第三有限公司锦屏项目经理部,从事水电、公路施工技术及管理工作4年,曾获得公司2007年度最佳合理化建议(2项)三等奖,联系电话13684362948。
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