渝怀线施工技术研究(全)

1、渝怀线施工技术研究江北客站预应力锚索桩及土钉格子梁墙复合结构施工技术工艺中铁一局桥梁处渝怀指挥部2003年10月20日江北客站预应力锚索桩及土钉格子梁墙复合结构施工技术工艺桥梁外 孙晓义1工程概况：江北客站预应力锚索桩及土钉格子梁墙复合结构位于DIK20+185DIK20+330线路左侧，该段线路为顺层路基，且位于双五公路立交中桥、渝黔高速公路立交中桥之间。由于该段线路路堑顶上的地方道路，经改移后呈反“S”型跨越铁路，并设置“S”型衡重式挡墙，铁路路堑开挖后，路堑高度达到26米。受顺层不利构造面的影响较大, 需采取有效加固措施，因此在线路左侧设置锚固桩和锚索桩，桩间距为6m，桩间采用土钉格子梁

2、墙防护。其中7#桩11#桩为锚索桩，每根锚索桩均设置2孔锚索，每孔锚索均用615.2mm高强度低松弛钢铰线制作,锚索长度为27.5m42.5m。桩间原设计采用土钉墙进行防护，但为了实现铁路路基绿色防护工程示范线的工作目标，作为全线唯一的一个试点，原设计改为土钉格子梁墙进行防护。2地质描述：渝怀铁路江北客站地形属浅丘地貌，丘包与沟槽及洼地相间，地形呈坡状，自然横坡1545°，相对高差50150m，地表上覆第四系坡残积砂粘土，下伏基岩为砂泥岩互层。其中DIK20+185+330线路左侧为顺层路基，岩层走向与线路近于平行，视倾角1923°。3作用机理：锚索是一种主要承受拉力的杆状

3、构件，它是通过钻孔将钢绞线固定于深部稳定的地层中，并在被加固体表面通过张拉产生预应力，从而达到使被加固体稳定和限制其变形的目地。土钉格子梁墙是近年来发展起来的用于土体开挖和边坡稳定的的一种新型绿色挡护形式，其实质为土钉墙的一个变种。一方面它保留了土钉墙的基本结构外，又增设了格子梁构造，从而进一步提高了路堑的挡护能力；另一方面，格子梁内种植厚层基材，使坡面全部绿化，克服了传统防护破坏自然环境的缺点，真正实现了生态防护。两者的结合，改善了原结构的受力，并带来了新的抗滑结构，加大了施工中的安全保障，更有利于环境的保护。3.1锚索的构造锚索由锚固段、自由段、张拉段三部分构成，如图1所示。锚固段：为锚索

4、伸入钻孔底部的稳定岩层内的孔段，设计长度为10m，用以提供锚固力，采用胶结形式锚固，通过注浆使锚孔与孔壁结成整体，多采用枣核状结构。当锚索张拉时每根钢绞线企图调直，对周围砂浆和岩壁产生挤压力，发生磨擦效应，从而增加锚索锚固力。自由段：锚索穿过被加固岩体的孔段，锚索可在护套内自由伸缩，起传递力的作用，在施加预应力后，可使自由段的岩体双面受压而得以加固。 张拉段：由混凝土锚墩、钢垫板、锚具组成，是锚固段反力的承载体。锚索设有GMS锚索测力计用以观测、监控工程质量。该结构的构造和受力分析如下：1图2 预应力锚索桩结构示意图 图3 预应力锚索桩受力简图图3中：qc滑坡推力、T锚索张拉力、qb被动土压力

5、、qz土体对桩嵌入段的土压力3.2土钉格子梁墙的构造土钉格子梁墙由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件（土钉）、喷射混凝土面层及附着于面层的整体钢筋混凝土格子梁、绿化植物组成，形成一个类似重力式的挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土压力和其它作用力，从而使开挖坡面稳定。其结构详见图4、图5。土钉：采用钻孔注浆钉，即先在土中钻孔，置入25 钢筋，然后沿全长注浆。为使土钉钢筋处于孔的中心位置，周围有足够的浆体保护层，需沿钉长每隔23m设对中支架。土钉外露端作成螺纹，并通过螺母、钢垫板与格子梁相连。土钉长度为6m，间距为1.2m。喷射混凝土面层：由8cm厚的喷射混凝土和中间一层间距为20×2

6、0cm的8钢筋网组成。钢筋混凝土格子梁：由C20钢筋混凝土框架组成，断面尺寸为15cm（宽）×18cm(高)，间距为1.2m，格子梁内的箍筋与面层钢筋网连接，土钉的螺母、钢垫板位于格子梁的节点上。绿化植物：格子梁内设置200 mm袋装厚层基材植草，整个坡面挂设土工格栅进行防护。图4 土钉墙立面图图5 格子梁节点详图4 主要施工设备的选择4.1 成孔设备本工程采用两台QZJ-100型全风动潜孔钻机，该机灵活，重量只有200kg，钻进的角度可以随意调整，同时整机可解体人工搬迁，钻机的动力是全风动，动力单一、移动方便、操作简单。4.2 动力设备电力来源采用高压电网供应，空压机是钻机的主要动

7、力设备，它决定钻机的速度和成孔质量，根据钻机的风耗量912m3的要求，配备2台空压机并联供钻机工作。4.3 注浆设备注浆机采用注浆机灌注砂浆，该机压力大，采用挤压式注浆，对灌注砂浆极为有利。4.4 喷射砼面层设备采用转子式喷射机进行干喷法施工，喷射时严格按试验部门所提供的施工配合比施工。砼干拌料采用搅拌机拌合。4.4 张拉设备张拉设备采用YCW-150型千斤顶进行张拉，锚具采用OVM六孔锚具，并在7号、9号、10号锚索桩第一排锚索上安设GMS锚索测力计。5 劳动力组织 由于本工程的施工特点，施工宜采用一次流水作业方式，接施工工艺流程图沿路堑自上而下施工，各工序相互配合作业，施工中施工人员按工序

8、明确分组，统一指挥、以保证各工点间工序顺次展开，衔接顺畅。劳动力配备表人员人数工作内容及人员分工施工负责人1现场指挥生产现场技术人员2现场技术工作预应力锚索施工24操作钻机4人、空压机1人、材料加工4人、普工（搭设脚手架、下索、编索、穿索、）7人、张拉技工2人、混凝土（注浆、封锚）6人土钉格子梁墙施工22操作钻机4人、空压机1人、材料加工4人、钢筋工（插钉、加工、绑扎钢筋）6人、张拉技工1人、混凝土6人喷射混凝土作业18操作喷枪2人、喷射机上料2人、拌合干料6人、运料2人、加水1人、钢筋加工绑扎5人6施工工艺：6.1预应力锚索桩施工工艺预 应 力 锚 索 施 工 流 程 图框图1确定产品质量编

9、索配合比试验确定钻孔角度组装检查砂浆达到强度的75%前3孔1100KN预应力验证试验初步锁定且间隔35天天按设计张拉力的70%施加预应力复合结构形成后随机抽取3孔做900KN的验证试验机械、材料进入现场第一次压浆钻孔设备安装钻机下索定期观测测力计封锚搭设脚手架钻孔锚墩制作、安装测力计张拉到预应力的100%清孔第二次压浆框图土 钉 格 子 梁 墙 施 工 流 程 图2确定锚孔位置及锚固角测力扳手施加预应力机械、材料进入现场安装锚杆、封孔、注浆土钉、端杆螺丝及钢筋制作锚固材料钻孔设备安装钻机预埋定位钢筋定期养护厚层基材安装土工格栅安装厚层基材搭设双重脚手架钻孔安装端杆螺丝绑扎钢筋格子梁立模、浇筑砼

10、施工放样检查加工件清孔第一层砼面层第二层砼面层施工脚墙6.1.1 钻孔 6.1.1.1 桩体预留孔道在进行桩体混凝土灌注之前,须进行锚索孔位的预留。采用内径150mmPVC管在设计位置按设计角度预留,且每根锚索桩在最下排锚索以下1m处预留一个备用锚索孔。6.1.1.2 钻孔钻孔是锚索施工中控制质量及工期的关键，本段防护锚索孔孔径设计均为115mm，俯角分别为15°、20°,锚索间距为1m。首先根据施工现场地形情况搭好支架 ,支架不少于3排，搭架过程中要仔细检查每一个扣件，不得使用残损扣件，以防止张拉过程中塌架伤人。钻机安装要做到“正、平、稳、固”的要求，确保钻机受力后不摇摆

11、、不移位。钻机安装好后，要全面检查钻机方位、倾角、水平度和开孔钻头落点差,方可开钻，钻孔采用干钻。锚索孔要求圆直，不得弯曲，在钻孔施工过程中要及时测斜，必要时每5m测一次，如发现孔斜应立即纠治。钻孔开始后，要随时观察钻进情况，尤其对孔内吹出的岩屑及钻进的尺度细心观察，一旦发现进尺突然加快，应立即调整给进速度，防止造成卡钻，破碎带吹出的岩屑多为黄色，粘土含量高，此时应在钻孔钻进记录中记下该破碎带的深度和厚度，以便技术人员了解实际情况及时调整设计。角度倾斜偏差不超过±1°，每孔超钻0.20.5m，防止孔底被岩(土)屑侵占。6.1.1.3 清孔钻孔完毕后用高压风对孔进行清洗，以保

12、证注浆后浆液能与孔壁粘结良好，然后拔除钻杆，通过钻杆长度量出孔深。最后将编好的锚索安装就位。6.1.1.4 渗水及塌孔处理渗水和塌孔是钻孔过程中经常遇到的问题，施工中我们主要采取如下措施： （1）渗水处理潜孔钻钻进要以能吹出岩屑为前提，当孔内有渗水时，岩屑凝结成团，难以吹出，此时空压机可并联起来以增大压力。当水量大到难以钻进时，则需进行固壁防渗注浆处理。做法是先洗孔，然后在渗水段压入砂浆，待砂浆达到一定强度后再重新钻孔，如此反复，直至钻至设计深度。（2）塌孔处理当钻孔中排出的岩粉中夹杂一些原状石块时，表明有塌孔发生，此时应立即停钻，拔出钻具，进行固壁注浆处理。6.1.2 编索及下索6.1.2.

13、1下料下料长度按下式确定：L=Ls+Lm+Ld+d其中：L-预应力钢铰线下料长度；Ls-锚索实际孔深；Lm-锚墩及锚具厚度；Ld-千斤顶长度；d-预留长度。实际施工中下料长度为孔深再加1.5m，已能够满足该工程的设计及所用设备要求，钢铰线的切割采用砂轮切割机切割。在钻孔过程中，要同时进行导向尖锥、隔离架、及锚索的加工制作。6.1.2.2 编索按下料长度每束六根下好料，平顺放于平整干净的场地上，逐根检查钢铰线有无损伤，然后量出锚固段和自由张拉段的长度，作好标记。施工中首先将六根钢铰线插入导向尖锥内，在锚固段每隔1m安装一个隔离架，并使钢绞线间有一定的间隙，以保证压浆时能将锚束内空隙充填密实，使钢

14、铰线得到充分握裹和保护；然后再把隔离架、紧箍环、注浆管按设计组合在一起，注浆管沿隔离架中心孔穿过，直到距导向尖锥约30cm处，隔离架与隔离架中间用铁丝将钢铰线绑扎，松紧程度应使注浆管能够活动，且使整个锚索体呈枣核状；最后在自由段按设计要求进行防腐处理，方法如下：（1）钢绞线表面涂抹黄油；（2）每根钢绞线用22聚乙烯管作套管隔离，并将自由段端头用粘胶带缠封。编好后应再次检查锚固段长度各部件是否正确。一经安好，不得任意敲击，不得悬挂重物。6.1.2.3 下索将编好的锚索用人工抬运到孔口，抬运中严禁拖拉。锚索在运输、吊装过程中转弯半径不得太小，操作应细心，不得损坏锚索及防护层。进孔后向孔底推进，如有

15、困难应重新清孔，若还不行，应用钻机扫孔，直到下好索。6.1.3锚固段注浆采用孔底注浆法施工，即用压浆机将砂浆通过注浆管注入孔底，砂浆从孔底向外依次注满，注浆压力为0.60.8Mpa，若注浆困难时可缓慢抽出注浆管。当孔口有浓稠的水泥浆冒出时表明浆已注满，但要注意由于在自由段部分岩层裂隙较多，已灌注的砂浆有可能渗漏，因此孔口注满后要观察一段时间，若浆液位置下降应持续补浆直至稳定后方可全部拔出注浆管。 6.1.4锚墩制作锚固段注浆后，就可以开始制作锚墩。锚墩是一个受压构件，由楔形的现浇钢筋混凝土（C35）斜托、预埋定位钢管、钢垫板组成，如图6所示。注完浆，绑扎锚墩钢筋，用120mm、长300mm的薄

16、壁钢管插入孔口内，钢管用人字型钢筋进行固定，且要使钢管轴线与锚索孔轴线重合，孔外部分与锚墩混凝土顶面平齐，立模后浇注C35混凝土。浇注前注意预留二次补注浆所用的进浆管和出浆管。浇筑时应注意锚索应与锚墩顶面垂直。要求垫板的平面与锚索的轴线垂直，以保证施加张拉力方向的正确。6.1.5 预应力张拉当砂浆和锚墩混凝土强度达到75%后方可开始张拉。按张拉设计程序分为以下几个步骤：（1）第一批锚索应首先施工3孔做验证试验，确定锚索锚固力与设计值是否相符。要求单孔6束锚索张拉力不小于1100KN。验证完全合格后方可进行其他锚索施工，试验锚索应按设计初始预应力值的115%重新张拉锁定。不得切索及封锚。（2）首

17、先施工的3孔，验证完全合格后方可进行其他锚索的正常张拉施工，张拉时按设计张拉力分两次逐级张拉。第一次张拉值为设计张拉力的70%，每次持荷稳定5min；第二次张拉值为设计张拉力的115%，持荷稳定20min。两次张拉间隔时间不宜小于35天。具体程序为：0设计张拉力的20%（持荷5min）设计张拉力的50%（持荷5min）设计张拉力的70%停留3-5天设计张拉力的100%（持荷5min）设计张拉力的115%（持荷20min）。张拉时严格控制加荷速度，锚索张拉中应对锚索伸长及受力作好记录，核实伸长与受力是否相符。无应力损失时即可锁定。该工序也不得切索及封锚。图6 锚头断面详图表1 锚索1100KN验

18、证张拉理论伸长量一览表桩 号锚索排数(从上至下)锚索长度（m）20%k（mm）50%k（mm）70%k（mm）100%k（mm）7#131.528.771.8100.0144.0227.523.358.381.6116.68#135.534.185.4119.5170.7230.527.468.495.8136.99#137.536.892.1130.0184.0233.531.578.8110.3157.610#142.543.6109.0152.6218.0237.536.892.1130.0184.011#142.543.6109.0152.6218.0237.536.892.1130.

19、0184.0表2锚索按初始预应力张拉时理论伸长量一览表桩 号锚索排数(从上至下)锚索长度（m）20%k（mm）50%k（mm）70%k（mm）100%（mm）115%（mm）7#131.511.829.641.459.168.0227.57.218.025.336.041.68#135.514.636.649.070.084.0230.5922.431.444.951.79#137.514.837.051.874.085.0233.510.025.836.051.659.010#142.518.045.864.091.6105237.512.832.044.763.873.011#142.51

20、8.045.864.091.6105237.512.832.044.763.873.0（3） 路堑开挖完成且锚索桩及桩间复合结构形成后，随机抽取3孔进行张拉检测，要求单孔6束锚索张拉力不小于900KN。检测合格率达到100%后，方可切割锚具外超长部分钢绞线，对锚索进行封锚处理。张拉控制荷载应采用应力控制，伸长量进行复核，实测伸长值与理论伸长值之差应控制在±6%以内。 表3锚索900KN验证张拉理论伸长量一览表桩 号锚索排数(从上至下)锚索长度（m）20%k（mm）50%k（mm）70%k（mm）100%k（mm）7#131.523.759.182.8118.3227.51948679

21、5.78#135.5287098140230.5225678.71129#137.530.275.7106151.5233.525.86490129#10142.535.889125.1178.8237.530.275.5105151.1#11142.535.889.6125179237.530.275.5105151.1表4 锚索张拉力对应压力表读数一览表桩号标准力值20%k50%k70%k100%k115%k拉力值（KN）110022055077011001265压力表读数(MPa)41.278.220.628.8741.2747.47拉力值（KN）9001804506309001035压

22、力表读数(MPa)33.766.7016.8523.6133.7638.83表5 锚索设计张拉力对应压力表读数一览表桩号标准力值20%k50%k70%k100%k115%k拉力值（KN）7-145090225315450517.5压力表读数(MPa)16.853.328.3911.7716.8519.38拉力值（KN）7-234068170238340391压力表读数(MPa)12.712.496.328.8812.7114.63拉力值（KN）8-147094235329470540.5压力表读数(MPa)17.63.478.7712.3017.6020.25拉力值（KN）8-23607218

23、0252360414压力表读数(MPa)13.462.646.709.4013.4615.49拉力值（KN）9-144088220308440506压力表读数(MPa)16.53.248.2011.516.519.95拉力值（KN）9-236072180252360414压力表读数(MPa)13.462.646.709.4013.4615.49拉力值（KN）10-146092230322460529压力表读数(MPa)17.223.398.5812.0317.2219.81拉力值（KN）10-238076190266380437压力表读数(MPa)14.212.797.079.9314.211

24、6.35拉力值（KN）11-146092230322460529压力表读数(MPa)17.223.398.5812.0317.2219.81拉力值（KN）11-238076190266380437压力表读数(MPa)14.212.797.079.9314.2116.356.1.6 二次补注浆及封锚为保证自由段砂浆饱满密实，务必进行二次补注浆。由于自由段多数存在岩层破碎，或有裂隙存在，易发生漏浆，因此应注意观察，若发生漏浆，应隔一段时间后补注浆，直到注满为止。注满后用手提砂轮切割机切除外露多余钢绞线，然后将锚头外露部分用C15混凝土封好，以防止锚头外露锈蚀而造成预应力损失。6.1.7 GMS锚索

25、测力计的应用GMS锚索测力计由三部分组成：承载感压体、钢弦压力传感器和信号传输电缆。其工作原理为：当钢性环承载板受到压力后，内腔的液体同时感生出相应的压力并均匀的施加到传感器的敏感膜板上，使之挠曲变形，一端固定于膜板的钢弦固有频率相应变化，通过钢弦频率测定仪读取该频率，再根据厂家提供的压力与频率关系式计算压力。计算公式如下：式中：- 荷载量（） - 初始频率（）-温漂被修改后的被测频率值- 截距- 系数其中： -测量时的环境温度 -基准温度 -环境中实测频率值安装注意事项： 测力计承载环的上、下端面绝对不得倒置，必须把锚具安装到与测力计相同直径尺寸的台阶上。 锚垫板的外平面必须与穿索孔轴线垂直

26、，其不垂直度要小于5°。 锚垫板的外表面必须平整（不平整度小于0.1）、洁净。我们经过施工中全过程监测，及竣工后GSM测力计定期监测及全站仪进行变形观测，观测值均在设计要求的限差之内。6.2土钉格子梁墙施工工艺6.2.1 作业面开挖每层开挖的最大高度取决于岩体可以站立而不破坏的能力，根据本段岩层的情况，确定每层最大开挖高度为4m。为使坡面能达到平整、规则，开挖采取光面爆破的方法。每一层完成后人工清除岩石的松动部分，用石块补砌空洞，对较大的裂缝进行灌浆或勾缝处理，最后用高压风吹净坡面碎屑、粉尘等杂物。6.2.2 第一次喷射4cm厚混凝土面层6.2.2.1配合比(重量比)水泥：水：砂：碎

27、石=1：0.40.5:2:2，水泥选用32.5级普通硅酸盐水泥；砂为中粗砂，细度模数宜大于2.5，含水率控制在5%7%之间；碎石的最大粒径不宜大于20mm。6.2.2.2喷射混凝土之前，用清水将坡面冲刷干净，湿润岩层表面，以确保喷射混凝土与岩层之间有良好的粘结，然后埋设控制喷射混凝土厚度的标志。6.2.2.3 喷射作业采用干喷法，分段进行，喷射顺序自下而上。6.2.2.4 喷嘴与受喷面应垂直，宜保持0.81m的距离。喷嘴指向一个地点时间不应太久，喷射时应将喷嘴稳定而系统地做圆形或椭圆形移动，其横向为4060cm,高1520cm。6.2.2.5喷射过程中如加水过多，则表面会出现流淌，而且混凝土将

28、下垂；如加水过少，则表面出现干斑。因此要注意调节水量，以使混凝土表面平整，呈湿润光泽。6.2.2.6 喷射过程中要正确的控制风压和保证喷嘴料流的均匀性。料流量少时水灰比大，容易引起脱落；大时混凝土则易出现分层现象，从而降低混凝土的强度和耐久性。6.2.2.7 喷射混凝土终凝两小时后应及时浇水养护，养护时间不小于14天。6.2.3 土钉施工6.2.3.1 成孔第一层喷射混凝土达到设计强度的70%后，即可用潜孔钻机钻孔。钻孔前须对孔位进行准确放线，作到所有土钉位置横平竖直。钻孔结束后，为保证注浆液能与孔壁粘结良好，应对孔内用高压风清孔，保证孔内无岩屑及残渣。6.2.3.2 安装土钉清孔完毕后即可插

29、入土钉，每隔23m设对中支架以使其居中。安装就位后用塑料纸将螺丝端杆包裹起来，以防注浆时砂浆喷溅在螺丝上。6.2.3.3 注浆土钉注浆采用砂浆泵灌注，M35水泥砂浆配合比为水泥：水：砂=1:0.45:2。为保证土钉与周围岩体紧密结合，在孔口处设置止浆塞，中间钻眼插入注浆管，深入距孔底0.20.5m处，边注浆边缓慢拔出注浆管，直至注满为止。6.2.4 施加预应力本项目设计土钉施加预应力值为10KN，由于锚杆的锚固力小，故采用测力扳手对锚杆施加预应力。锚杆锁紧力与扭矩的关系：锁紧力=5.25×螺母扭矩/螺纹公称直径（锚固与注浆技术手册P31，中国电力出版社）由公式得预应力值为10KN时，

30、其扭矩为476KN.m,在测力扳手中预设该值，当施加预应力达到10KN时，测力扳手自动发出音响提示。6.2.5格子梁施工6.2.5.1 绑扎面层及格子梁钢筋当锚固砂浆达到设计强度的70%后，即可绑扎喷射混凝土面层钢筋网，然后安装土钉钢垫板，并拧紧螺母以确保钢垫板紧紧压住钢筋网，最后绑扎格子梁钢筋。为保证成型后的格子梁横平竖直，绑扎钢筋前要用水平仪和经纬仪分别定出水平位置和竖直位置。6.2.5.2 模型安装模型均采用2cm厚的木模。安装模型前首先布置锚固筋，其目的主要是为了支撑及固定模型，方法为沿模型两外侧边及顺模型间距30cm布置，用冲击钻打眼，孔深10cm，孔径12mm，然后打入12mm的钢

31、筋。安装模型以3.6m高为一个单元，按照从下到上的顺序进行。横向为“”型结构，可整体安装。竖向为“”型结构，先安装两侧模，最后再封口。模型用锚固筋进行支撑和固定，内撑用10钢筋，外撑采用铁丝将两锚固筋拧紧，铁丝与模板间缝隙插入木楔从而固定模型。考虑到竖向模型浇注混凝土的便利及为了更好的保证混凝土的浇注质量，在格子梁节点上方予留30cm高的天窗，待其下部混凝土全部浇注完后再进行封口。模板详细构造见图7、图8、图9、图10。6.2.5.3 浇注混凝土由于浇注格子梁混凝土具有高空作业、一次浇注方量小、振捣困难的特点，因此混凝土采用皮桶吊运，浇注时应严格按照从下至上的顺序进行，振捣机具采用小型振动棒，竖向模型每浇注30cm厚振捣一次。6.2.5.4 第二次喷射混凝土格子梁模型脱模后即可向格子梁中间喷射第二层砼，其施工方法同第一层。6.2.5.5种植袋装厚层基材格子梁全部施工完毕后，即可沿梁长按间距20cm钻眼布设土工格栅挂钩