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 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K4+576 K4+985，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 1:0.31:0.5， 设置有 高程为 1560、 1575、 1590、 1605、1620、 1635 和 1650m 7 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， L=3050m 锚索 共计 474 根， 2000KN，L=25/30m 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 （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， K4+700K4+760（ 15801605m） 段边坡 发生塌方，方量约 2120方 ，而后， 按照原边坡坡比（ 1:0.3） 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 ， L=25/30m 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 。 K4+700K4+760 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 50cm 50cm，有混凝土贴坡段的锚墩为 100cm 100cm，无贴坡段的锚墩为 150cm 150cm。 K4+700K4+760 段（ 1584 1605）锚索断面布置图见图 1。 图 1 1605 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 15.24mm，标准强度 1860Mpa； 锚索孔径为 165mm， 采用 5 级承载板承压，间距 1.6m，承压板直径 145mm，第 1 级为 2 根钢绞线 （编号为 1-1、 1-2） ， 第 2 级为 3 根钢绞线（编号为 2-1、 2-2、 2-3）， 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 2 2000KN 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 1-6、 2-10 和 3-6 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 D1605-6、 D1605-4、 D1605-5， 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 1-6、 2-10 和 3-6 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 1 D1605-6 2000 1626.0 374 18.7% 1-6 2 D1605-4 2000 1674.2 325.8 16.3% 2-10 3 D1605-5 2000 1648.0 352 17.6% 3-6 2.4 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 =1:0.8:0.6） ， 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 =1:0.42） ， 对于灌浆量偏大的孔采用 浓砂浆灌浆 M40 砂浆（ 灰 :砂 :水 =1:0.5:0.5） ， 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 YXZ-80 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 =1:0.8:0.6，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 145mm，保护罩直径为 79mm， 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 NJ-1500L 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 P=0 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1:0.42，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 YDC -240Q，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 ZB4-500 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： D1605-2 D1605-7， 测力计采用钢弦式测力计，型号为 BGK4900-2000KN。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。 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。 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。 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。 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 BGK4900-2000KN, 量程为 200t，精度为 +0.25%F.S.,选用 基康 公司 生产 的 GK-403 读数仪进行测读， 该设备 具有 RS-232 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 D1605-27。 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 D1605-4 号锚索测力计 对应锚索的补偿张拉为例进行 分析 。 D1605-4 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 D1605-4 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 2 D1605-4 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 2007-11-15 17:34 5805.1 5823.2 6121.3 6012.5 5940.5 15.6 1674.2 锁定后 2007-11-17 15:10 5532.8 5581.0 6104.6 5921.5 5785.0 20.6 1988.9 补拉 2007-11-18 17:30 5544.0 5595.4 6112.7 5933.5 5796.4 15.3 1969.9 2007-11-20 15:35 5553.2 5602.1 6123.8 5940.4 5804.9 19.0 1962.9 2008-3-19 14:48 5545.3 5594.9 6115.3 5929.2 5796.2 18.9 1964.3 2008-3-31 10:12 5554.8 5603.9 6122.8 5936.5 5804.5 14.6 1959.3 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 M1605-1、 M1605-2，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 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（ GPT-3002LN，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： TP1605-1 3，以了解水平变形情况。 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 （ LN1605-1、2）， 采用 德国蔡司制造的型号为 DiNi12 型电子水准仪 （ 准确度 U=0.51） 观测 2 个基点之间的6 个 垂直位移 测点，分别为 LD1605-1 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