岩石边坡锚索加固设计与施工

岩石边坡锚索加固设计与施工岩石边坡锚索加固设计与施工 张伟张伟 20002000 级土木工程专业岩土工程班级土木工程专业岩土工程班 第一节 岩石边坡工程勘探 山东省莱州市金仓矿业有限公司仓上金矿位于莱州市境内 年产黄金 70000 两 是我 国大型露天金矿之一 矿区位于莱州市以北 25 公里 属过西乡管辖 矿区采场坑口地势较 为平坦 标高为 3m 左右 上口尺寸为 1200 415m 分东西两个采场 西部采场终了设 计坑底标高 118m 终了边坡最大高度 121m 目前开采水平为 154m 和 142m 形成 157m 的包边坡 边坡台阶高度为 12m 并段后为 24m 台阶边坡角第四系为 40 强风化带为 50 62 斜长角闪岩为 60 65 花岗岩为 60 75 上盘综合边坡角为 42 52 44 43 40 04 下盘综合边坡角为 42 33 10 43 23 38 东部采场北帮地质构造复杂 断层交错 北帮西部 F18断层与边坡面形成小角度相交 为逆断层 断层产状 182 54 56 上缓下陡 表面光滑 并充填有 10mm 厚的 黑色断层泥 局部有断层破碎带 使部分边坡出现稳定性不足 本工程加固范围位于东部 采场北帮西部的 481 491 线之间 该面边坡受 F18和 F7的影响 边坡稳定性明显不足 这 两个断层形成楔体 上部为 94m 汽车运输道 一旦楔体失稳 将直接影响采场的安全生产 使该矿生产瘫痪 停产 为此 莱州市金仓矿业有限公司于 1998 年委托鞍钢矿山研究所对 仓上金矿北帮西部进行边坡稳定性分析及综合治理方案研究 并进行了边坡加固设计 加 固设计范围为 106m 118m 第二节 边坡预应力锚索治理方案设计 一 边坡治理方案 本设计主要采用预应力锚索加固方案 在加固范围内 包括 F7断层以西 共分 A B C 和 D 四个区 A 区宽 30m B 区宽 27 5m C 区宽 20m D 区宽 25m 采用 5 排 预应力锚索防护 外设钢筋混凝土锚墩结构 并挂网喷射混凝土 二 预应力锚索设计与计算 1 滑坡推力 单位宽度坡体重量 A mkNWA 270010825 2 12 810 B mkNWB 330013225 2 12 1012 C 左 10m mkNWC 390015625 2 12 1412 1 右 10m mkNWC 270010825 2 12 810 2 D mkNWD 420016825 2 12 1513 2 按坡顶有裂隙破坏计算 临界张裂隙深度 cr Z 取mHZcr14 5 65cot55cot1 12 cotcot1 mZcr5 水位高度取mZw4 浮力 sin 2 1 ZHZrU ww 55sin 512 410 2 1 kN171 裂隙中的净水压力 kNZrV ww 80410 2 1 2 1 22 3 锚固力计算 稳定系数取 1 5 cos cossin tan sin tan sincos TVW TVUWcA Fs T 锚固力 kN 锚杆的安装角 A 段锚固力 T 由下式 2815cos 55cos8055sin2700 28tan 2815sin 28tan 55sin8017155cos2700 55sin 12100 5 1 T T 得出 TA 838kN 同理得出 TB 1218kN TC1 1597kN TC2 838kN TD 1787kN 4 锚索截面积 选择 8 根 15 24 钢绞线组成锚索 每根最大抗拉力 20t 锚索抗拉力 8 20 160t 5 锚固段长度 各段长度如下表 A 段B 段C 左段C 右段D 段 锚固段 1414141414 自由段 1012151015 总长度 2426292429 6 张拉力验算 张拉力验算考虑一定的安全储备 T0 160 75 120t 120 9 8kN 1176kN 间排距选择 2 5 2 5m 位置 长 度 段 位 此时 由每排五根锚索所提供的锚固力为 T 1176 5 5880KN TD 2 5 4467 5KN 显然 锚固力更大于 TA TB TC1 TC2 张拉力满足设计要求 第三节 预应力锚索施工 一 施工方案 根据剩余下滑力 选用锚索体为 15 24 的 1860Mpa 高强低松弛钢铰线 单个锚固单 元设计荷载为 1200kN 即由 8 根钢铰线组成 内锚固段采用自由注浆锚固 锚固长度为 12m 或 14m 张拉段采用金属波纹管隔离 波纹管直径为 80mm 待张拉完毕后进行注 浆 二 主要施工工序 技术措施 一 锚索造孔及制安 1 锚索造孔 锚索孔均采用 130mm 钻孔 钻孔倾角为 15 钻孔深度为锚索长度加 500mm 钻孔施工前应严格定位定向 倾斜角度偏差小于 1 5 水平方向偏差小于 2 5 安装锚索前应进行洗孔处理 用压气吹净沉渣 2 锚索编制 采用 1860MPa 15 24 高强低松弛钢铰线 根据设计要求 钢铰线 下料时应注意其切割的质量检查 对有磨损破股的应予剔除 钢铰线的切割应使用砂轮锯 不得使用电弧切割 锚头用 10 铁丝拢紧二道 分离架采用 20mm 厚铸铁件 锚固段每隔 1m 设置一个分离架 分离架与分离架之间用 10 铁丝拢紧 形成如串桃核状的索体 张拉 段用金属波纹管隔离 管端用棉花黄油堵紧 并用 8 铁丝绑扎牢靠 3 锚索安装 安装锚索前 必需严格检查钻孔深度 锚索长度是否与设计相符 检查 张拉段长度是否准确 波纹管端部密封是否可靠 分离架固定是否牢固 锚索体不得有锈 蚀 油污现象 下锚索前应对孔口进行保护 严防泥土 石块和杂物带入孔内 锚索体露 出孔口不得小于 800mm 4 锚固段的注浆 锚固段的锚固采用灌注净水泥浆工艺 将 30mm 塑料管附在锚 索体上 一同送入孔内 水泥净浆采用 425 普通硅酸盐水泥 水灰比控制在 0 45 0 50 左右 用注浆泵向孔内注浆 直至浆液溢出孔口后一分钟左右 注浆后如浆液面下降应及时补注 直至浆液稳定在孔口为止 二 锚索锚墩施工 锚墩结构如图所示 锚墩上台面 400 400mm 与锚索轴向垂直 高 300mm 锥角 45 采用 C25 混凝土 锚墩内设 12mm 间距为 200mm 的正方形钢筋网 钢筋两端均 设锚固弯钩 三 喷射混凝土施工 1 对局部岩面破碎带应加挂钢筋并喷射混凝土 钢筋网由 6 5mm 光面钢筋绑扎而 成 网格 200 200mm 喷射混凝土厚度为 120mm 2 钢筋网应按要求使钢筋牢固地固定在坡面上 喷射混凝土时不应晃动 3 喷射混凝土前应用高压风水清洗坡面 并保持喷射作业前坡面潮湿 喷射混凝土混 合料配比应符合设计要求 并定期取样进行试验 喷射混凝土时应控制好水灰比 保证喷 层表面平整 呈潮湿光泽 无麻窝 干斑或滑移及流淌现象 喷射混凝土作业应分片 分 段进行 顺序由下而上 喷射时喷头应垂直于喷面 并保持 0 6 1 0m 的距离 4 喷射混凝土一般应分次喷射 第二次喷射应在第一次喷混凝土终凝后进行 初喷超 过 1 小时应用高压水清洗喷层表面 5 喷射混凝土终凝后两小时应开始喷水养护 防止干裂 养护时间不少于 7 昼夜 四 锚具选择 锚具采用 HVM 锚具系统 该锚具包括锚环 夹片 锚板和螺旋筋组成 1200kN 级锚 索采用 HVM15 8 型锚具 其相配套的金属波纹管为 80mm 在浇灌钢筋混凝土锚墩的同 时埋入浇灌为一体 安装时应严格控制锚板的角度 使其与锚索轴向相垂直 并注意锚索 体的钢铰线露出锚板外不小于 350mm 五 锚索张拉 1 当锚索孔口钢筋混凝土达 14 天龄期后 不低于设计强度的 75 即可对锚索张拉 2 张拉前 应清理承压板面 并检查承压板后面的混凝土质量 如该处混凝土有空鼓 现象 应在张拉前进行修补 锚具安装时 锚板应对正 夹片片位要均匀 并打紧 张拉 用 YKD 18 张拉千斤顶单根逐一顺序张拉 预紧油压 4 6MPa 为宜 3 千斤顶及锚头夹具安装到位后 以缓慢的速度升压 分级加载至所需的张拉力 并 认真记录活塞位置和钢铰线拉出长度 直至达到设计的预紧力 并稳压维持 5 分钟再进行 卸压换孔 4 两天后补张拉一次 以减小预应力损失 六 张拉段孔道灌浆 孔道灌浆要求密实 水泥强度等级不低于 C25 采用 425 普通硅酸盐水泥 水灰比 0 45 灌浆时应缓慢进行不得中断 并保持排气通顺 灌满孔道后 封闭排气孔 再继续 加压至 1 5MPa 稍后再封闭注浆管 最后封锚 封锚用 M75 水泥砂浆浇注 主要施工工序见施工工艺流程图 图 1 1 1 锚索施工工艺流程 钻孔 钻 孔 及 清 洗 压送 风风 设管 备路 安 装 编 索 平 台 安 装 编 索 锚 索 安 装 锚索灌浆封锚预应力张拉 放 点 定 位 及 施 工 平 台 搭 设 自 由 段 灌 浆 锚 固 段 灌 浆 锚 墩 浇 筑 锚 固 段 灌 浆 锚 墩 浇 筑 锚 墩 浇 筑 图 1 1 1 施工工艺流程图 三 主要机械设备选择 1 锚孔钻机TSY100 型钻机 配 WC110 潜孔冲击器 二台 LQ 120 型履带式钻机 一台 2 空压机KY 6 12 型二台 3 沙浆泵KVBJ 1 8 型 二台 4 搅拌机ST250 型一台 5 张拉千斤顶 YCD 180 型 二台 YCW250A 型 一台 6 电焊机 交直流两用一台 7 砂轮切割机 GQ 190 型一台 8 高压油泵 ZBO 63 63 型电动油泵一台 ZBO 38 63 型电动油泵 一台 9 气焊设备一套 10 水泵 2 2kW一台 11 喷浆机 转子 型一台 四 劳动组织及工程进度 见图 1 1 2 五 工程质量控制 一 质量检验标准 适合的规范 1 达到设计合同所要求的质量标准 2 混凝土标准 混凝土结构工程施工及验收规范 GB T50204 92 3 水泥浆 混凝土结构工程施工及验收规范 GB T50204 92 4 喷射混凝土 锚杆喷射混凝土规范 GBJ86 85 5 钢铰线 预应力混凝土用钢铰线 GB T5224 95 6 钢铰线 预应力筋用锚具 夹具和连接器 GB T14370 93 7 金属波纹管 预应力混凝土用金属螺旋管 JG T3013 94 二 主要材料质量控制 本工程采购的主要工程材料 均要有生产厂家提供有效的生产许可证 产品实验资料 产品合格证及相关证明 四 施工中的质量控制 1 钻孔 钻孔孔位 方位角 倾角严格根据设计要求 由现场技术人员指导定钻 并由甲方工 地代表核准后开钻 钻孔完成后 采用 3 寸塑料管吹孔 并用吹管测量孔深 满足设计要求 后 由甲乙工地代表核准后下锚索 对于深部 锚固段 岩体破碎的 适当地加大锚固长 度以及孔深 2 锚索 锚索体总长度 锚固段长度 张拉段长度都应由甲方工地代表测量核实 锚固段作油 渍 污物清除处理 钢铰线规整 顺畅 分离架固定牢固 自由段波纹管连接处涂黄油以 防渗浆 内端头用黄油棉堵塞 长度不小于 15cm 并用铁丝固定 波纹管表面无碰凹或变 形现象 经严格检验合格 方能下索 3 注浆 严格控制浆液水灰比 采用立式搅拌机拌浆 并在搅拌筒中标示水位标尺 以严格控 制水加入量 在必要的情况下 适当加入减水剂 并减小水灰比 注浆时应连续灌注 停 泵时间不大于 3min 4 钢筋混凝土 根据设计及合同要求进行配合比设计并进行试验检验 以后每 20m3混凝土抽制一组试 件送验 作出混凝土要求配合比试验报告及试件抗压检验报告 钢筋的绑扎执行 混凝土 工程施工及验收规范 GB50204 94 5 挂网喷射混凝土 金属网的铺挂在钢筋混凝土悬挂的钢筋绑扎之前进行 挂网之前坡面清理平 齐 网格整齐 满足设计要求 喷射混凝土执行 锚杆喷射混凝土规范 GBJ86 85 标 准 喷射混凝土厚度用埋桩法控制 6 张拉 锚索的预应力张拉在混凝土梁施工 14 天后进行 强度超过设计强度的 80 张拉方 法及技术要求根据设计及工程的施工组织设计进行 每次张拉均设有甲方工地代表在场方 能进行 严格采用分阶段多循环的张拉方式 并做好施工记录 第四节 锚索施工工程监测 一 工程监测的目的 监测的主要目的是了解边坡的变形情况 可能导致滑坡的外部因素的变化 以及滑坡 发生前可能会出现的征兆 对于边坡的变形情况 除了要了解重点位移监测量的量值大小 还要了解位移的变化速度和变化加速度等 对于可能导致滑坡的外部因素的变化 重点掌 握降雨的强度 地震和边坡周边的自然环境变化和人类活动对边坡稳定的影响情况 对于 滑坡征兆 需要及时了解诸如山体张裂缝的出现和发展 局部岩体崩塌 异常的地下水冒 水现象和动物活动行为的异常表现等 及时掌握这些情况 将有助于预测滑坡发生的时间 和滑坡规模 为有关部门作出决策采取避险行动提供依据 人为的开挖或砌筑等改变了原来固有的动态平衡 使其应力重分布 找到新的平衡 在重新平衡期间可能出现不稳定趋势 需要实现的动态监测 另外 设计中考虑不到的不 利因素也会使应力重分布的过程与预期不符 因此边坡监测工作的根本目的有以下四个方 面 1 对人工开挖边坡实现动态监测 监测边坡在开挖过程中因应力重分布 开挖爆破 引起的卸荷裂隙变化 软弱层的蠕动等变形位移大小及其规律性 发现设计中未考虑的边 坡稳定性影响因素 为分析判断边坡稳定性提供可靠依据 2 为施工期安全施工提供保 障 同时反馈指导工程方案 3 为高边坡的支护和加固处理提供设计依据 使加固处理 措施具有合理性 4 掌握开挖后的变形规律 为边坡投入使用以后运行作安全预报 二 监测的内容和方法 1 坡表变形监测 边坡水平位移可使用长距离测量的精密水准仪和进行角度测量的经纬仪 亦可采用全 球定位系统 GPS 进行精密测量 边坡垂直位移可以采用精密水准仪 对于重大边坡的坡面变形监测应规划成网 网点观测标志可采用钢筋混凝土观测标墩 标墩基础力求稳固 可除去表面风化层 使标墩浇筑在新鲜基岩上 当表面覆盖层较厚时 应开挖出一基坑 深度不小于 1m 同时在底部打 5 根长 2m 的桩 标墩应现场浇筑 2 深部位移监测 深部位移监测常用活动式钻孔测斜仪 测斜仪钻孔应穿越已有或潜在的危险滑动面 测斜管的基准点设在孔底的不动点上 一对导向槽方向应与预计的最大位移方向一致 3 预应力锚索的受力监测 锚索的受力通常采用在锚墩处设置测力装置的方法来监测 测力计安装在孔口底板上 应与孔轴垂直 偏斜小于 0 5 偏心不大于 5mm 测力计安装就位后 安装张拉前 应 准确测得初始值和环境温度 反复测读 二次读数差小于 1 F S 取其平均值作为观 测基准点 锚索与工作锚索的张拉程序相同 分级加荷张拉 逐级进行张拉观测 一般连 续三次读数差小于 1 F S