铁路客运专线路基防护工程中的预应力锚索

浅谈铁路客运专线路基防护工程中的预应力锚索作者：2010年6月10日浅谈铁路客运专线路基防护工程中的预应力锚索【摘要】锚索是一种主要承受拉力的杆状构件，它通过钻孔将钢绞线或高强度钢丝固定于深部稳定的地层中，并在被加固表面通过张拉产生预应力，从而达到使被加固体稳定的限制其变形的目的。锚索技术源于国外，是锚杆技术的发展。我国的锚索加固技术始于60年代的梅山水库坝基加固，随着对锚索技术研究的深入以及相应技术的发展，锚索已大量应用到铁路路基边坡加固。本文以石武铁路客运专线大悟站的边坡锚索加固施工为例，浅述预应力锚索的施工工艺。关键词：客运专线预应力锚索施工工艺1概述目前在加固工程中使用的锚索类型种类繁多，按不同的分类方法可将锚索划分为不同的类型，按外锚头结构分为OVM锚、QM锚、XM锚、弗式锚等；按锚索体种类分为钢绞线束锚索、高强钢丝束锚索；按锚固段结构受力分为拉力型、压力型、荷载分散型；另外还有除式锚索、观测锚索等。随着锚固技术的发展，对锚索的要求越来越高，越来越精。目前从国内的技术发展来看，外锚头部位和锚索体材料的技术参数都不难满足锚固技术的需要，而锚固段却因地质条件复杂，比较难确保其可靠性。因此，锚索一般按锚固段的受力状态进行分类。1.1拉力型锚索拉力型锚索主要依靠锚内固段提供足够的抗拔力，以保证预应力的施作。内锚固段采用水泥浆或水泥砂浆将锚固段部分的锚索体固结在岩体的稳定部分。拉力型锚索结构简单，施工方便，造价较低，其结构图见图1，但锚索内锚固受力不尽合理，在内锚固段底部岩体产生拉应力，且应力较集中，使内锚固段上部产生较大的拉力，易把浆体拉裂，影响抗拔力和锚索的永久性。1.2压力型锚索压力型锚索其结构图见图2，荷载分布特点是：①在锚索的根部荷载大，靠近孔口方向的荷载明显变小，有利于将不稳定体锚定在地层深部，充分利用有效锚固段，可缩短锚索长度。②浆体受压，被锚固体受压范围更大，可提供更大锚固力。③压力型锚索体采用无粘结钢绞线，具有更高的防护性能。④锚索安装后可一次全孔注浆，减少注浆工序，而且即使没有施加预应力，靠浆体和土体的粘结力也可起到一定作用，对正在滑动的土体加固非常有利。1.3荷载分散型拉力型和压力型锚索，都将预应力过于集中地传递给锚固段的局部部位，易把浆体拉裂。荷载分散型锚索，是将施加的预应力分散在整个锚固段上，使应力应变分散、减少，从而确保锚固体不受破坏。可分为拉力分散型、压力分散型、拉压分散型和剪力型锚索。2施工工艺2.1设计概况石武铁路客运专线大悟站起点里程DK1073＋510.61，终点里程DK1075＋850，全长2339.39m；正线及到发线6条，道岔16组，桥梁2座。拉力型锚索：孔径130mm，间距3.0m，倾角15°，锚索体一束由6Φ15.2钢绞线组成，锚固段长10m,锚索设计吨位500KN；拉力分散型锚索：孔径130mm，间距3.0m，倾角15°，锚索体一束由6Φ15.2钢绞线组成，锚固段长10m,△L为3m，锚索设计吨位为550KN;压力型锚索：孔径130mm，间距3.0m，倾角15°，锚索体一束由6Φ15.2钢绞线组成，锚固段长10m,锚索设计吨位为600KN;压力分散型锚索：孔径130mm，间距3.0m，倾角15°，锚索体一束由6Φ15.2钢绞线组成，锚固段长10m,△L为3m，锚索设计吨位为600KN;拉压分散型锚索：孔径130mm，间距3.0m，倾角15°，锚索体一束由6Φ15.2钢绞线组成，拉力锚固段长△L=15m,压力锚固端L=2m,锚索设计吨位为600KN；拉力型锚索：孔径110mm，间距3.0m，倾角15°，锚索体一束由4Φ15.2钢绞线组成，锚固段长10m,锚索设计张拉力为450KN;锚索长18～25m,锚索采用M40水泥砂浆灌注。2.2工艺流程见图3。2.3测量放样锚孔孔位按设计结构尺寸和位置，精确放在坡面上；定出孔位后做好标记，锚孔的水平、垂直方向的孔位误差不得超过±0.2m。2.4钻孔按照设计断面，先开挖框架梁，以保证孔位准确。钻孔的轴线偏斜率不应大于锚索长度的±2%；钻头直径不应小于设计钻孔直径3mm；实际钻机械、设备、材料进场机械、设备、材料进场搭设脚手架、清理坡面钻机就位钻孔安装锚索浇筑框架梁及锚头砼锚头清理、处理张拉补充张拉锚头防护处理结束、进入使用维护传感器量测压力传感器安装框架梁立模、安装钢筋锚索尺寸及质量检查钻孔质量检查测量钻孔位置、角度、孔径、倾角的确认锚索组装预应力量值确认锚索孔位注浆砼强度确认张拉系统率定图3预应力锚索施工流程孔深度应比设计孔深大0.2m，且不大于1.0m。锚孔必须采用风洞钻进、严禁水冲钻进。如遇到地层松散破碎易坍孔时，应采用跟管钻进技术。如遇坍孔，应立即停钻，采用同标号水泥砂浆灌浆固壁，灌浆压力应控制在0.1～0.2MPa，初凝后重新扫孔钻进。待钻孔完成后，采用高压风清孔，清除孔内岩粉和积水并对钻孔口进行暂时封堵，不得使碎屑、杂物进入空口。钻机采用康明斯100型钻机（电力）和12.5m3/h空压机，最大钻孔深度为100米，土层每台班400-500米，软岩每台班300-400米，硬岩每台班200-300米。2.5锚索制作、存储和安放截取锚索体材料截取锚索体材料是否要求防腐进行防腐处理是否要求全长防护？进行全长防护处理进行锚索组装检查是否合格？进行处理锚索体材料的确定和检验不是否否是是4.86938712.1734724.3469436.520448.6938755.99795合格储存备用图4锚索制作流程图2.5.1锚索制作根据设计锚索采用高强度低松弛的预应力钢绞线（Φ=15.24mm）制作，钢绞线强度Rb=1860MPa，钢绞线的截取长度为固定段+自由段+1.5m外漏张拉段。锚索自由段要涂强力防腐涂料，锚索每隔1.0m用细铁丝绑扎，涂刷防锈油，套上波纹管，管内注满黄油，两端封闭，外绕工程胶布封闭固定；也可以每单根钢绞线套一根Φ20～22mmPVC塑料保护管，两端10～20cm范围内注满黄油，外绕工程胶布封闭固定。锚索锚固段每1.0m设一个扩张环，每两个扩张环中间用细铁丝绑扎锚索。主要有以下几种形式：图5拉力型锚索大样图①拉力型（大样图见图5）：按照设计索体长度+1.5米截取钢绞线，截取钢绞线时必须采用机械切割。严禁电弧切割。锚索自由段要涂强力防腐涂料，锚索每隔1.0m用细铁丝绑扎，涂刷防锈油，套上波纹管，管内注满黄油，两端封闭，外绕工程胶布封闭固定；也可以每单根钢绞线套一根Φ20～22mmPVC塑料保护管，两端10～20cm范围内注满黄油，外绕工程胶布封闭固定。钢绞线从盘丝上按设计长度截取，不得焊接。②拉力分散型（大样图见图6）：由三个单元锚索组成,每个单元锚索分别由2根钢绞线。各单元自由段长度相差△L（3米），锚固段长度均为L，详见参考图。锚索自由段为无黏结段，涂强力防腐涂料，每单根钢绞线套一根φ20～22mmPVC塑料保护管，两端10～20cm范围内注满黄油，外绕工程胶布封闭固定。锚索锚固段为黏结段，与注浆体紧密连为一体。锚索每1.0m左右设一个扩张环，用厚度35mm的高强聚氯乙烯塑料板加工而成,其材料强度不低于30MPa。图6拉力分散型锚索大样图③压力型（大样图见图7）：每根锚索由6根无黏结钢绞线内锚于钢质承载体组成(钢绞线通过特制的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上,钢质承载板要求采用45号钢材加工制作，其厚度不小于2cm，要求其单根的连接强度大于200kN)，锚索全长采用无黏结，锚索每1.0m左右设一个扩张环，用厚度35mm的高强聚氯乙烯塑料板加工而成,其材料强度不低于30MPa。钢绞线从盘丝上按设计长度截取，不得焊接。挤压头的组装，挤压套、挤压簧安装准确，挤压顶推进应均匀充分，施工中应严格控制钢绞线挤压套挤压工艺，并抽样3%进行检测，确保单根挤压强度不低于200kN。组装承载体时应定位准确，挤压套通过螺栓在承载体和限位片之间栓接牢固。架线环间距为1.0～1.5m，应准确定位、绑接牢固，锚孔孔口位置必须设置一个架线环。注浆管穿索安装准确定位，绑扎结实牢固，应深入导向帽5～10cm。导向帽可点焊固定于最前端承载板上，并应留有溢浆孔，保证孔底返浆。所有的钢质部分均应均匀涂刷防腐油漆。图7压力型锚索大样图图8压力分散型锚索大样图图9拉压分散型锚索大样图④压力分散型（大样图见图8）：由三个单元锚索组成,每个单元锚索分别由2根钢绞线。各单元段长度相差△L，工艺同压力型。⑤拉压分散型（大样图见图9）：拉压分散型锚索由二～三个单元锚索组成,每个单元锚索分别由2根钢绞线内锚于钢质承载体(钢绞线通过特制的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上,要求其单根的连接强度大于200kN)及端部黏结于浆体组成，各单元自由段长度相差△L（3米），各单元锚索的锚固段由压力锚固段L（3米）和拉力锚固段△L（2米）构成，工艺同压力型。锚索制作注意事项：钢绞线必须在丝盘上按设计长度截取，不得焊接。编束时确保每根钢绞线始终均匀排列，平直、不扭不叉，有死弯、机械损伤、严重锈蚀及电烧伤的严禁使用。截取时应使用机械切割，严禁电弧切割。编束前要清污除锈、刷强力防腐涂料。2.5.2储存锚索的储存要符合下列要求：①锚索制作完成后应尽早使用，避免长期存放。②锚索应存放在干燥、清洁的地方，不得露天存放，要避免机械损坏或使焊渣、油渍溅落在锚索体上。③锚索存放在相对湿度超过85%的环境中时，锚索体裸露部分应用浸渍油脂的纸张或塑料布进行防潮处理。④锚索应遵循随用随做的原则，对存放时间较长的锚索在使用前要进行严格的检查。2.5.3锚索安装锚索一般由人工安装，对于大型锚索有时采用吊装。在进行锚索安装前应对钻孔重新检查，发现塌孔、掉块时应进行清理。在不良地层中安装锚索时，应谨慎小心，以防在推送时破坏钻孔。在推送过程中用力要均匀，以免在推送时损坏锚索配件和防护层。当锚索设置有排气管、注浆管和注浆袋时，推送时不要使锚索体转动，并不断检查排气管和注浆管，以免管子折死、压扁和磨坏，并确保锚索在就位后排气管和注浆管畅通。在遇到锚索推送困难时宜将锚索抽出查明原因后再推送。一般要求：①安装锚索前应对钻孔重新进行检查，对塌孔、掉块应进行清理或处理。②锚索安装前应对锚索体进行详细检查，对损坏的防护层、配件、螺纹应进行修复。③对于预制的锚固段，应避免锚索安装时张拉段与锚固段交界处产生剧烈弯曲，以防止注浆体开裂和脱离。④推送锚索时用力要均匀一致，应防止在推送过程中损伤锚索配件和防护层。⑤推送锚索时不得使锚索体转动，并不断检查排气管和注浆管，应确保将锚索体推送至预定深度后排气管和注浆管畅通。⑥当推送锚索困难时，应将锚索抽出，对抽出的锚索应仔细的进行检查，并对配件安放固定的有效性、防护层的损坏程度、孔的清洁度及排气管和注浆管的状况进行观察，当发现锚索体配件有移动、脱落或锚索体上粘附的粉尘和泥土较多时，应加强配件的固定措施并对其他钻孔的清洁程度进行检查，必要时应对钻孔重新进行清洗。2.6锚固试验为了验证预应力锚索设计，检验其施工工艺，指导安全施工，施工前应进行预应力锚索锚固试验。同时通过试验确定采用的工作锚索的性质和性能、设计质量、设计的合理性以及所提供的安全度；研究锚索的极限抗拔力，确定施工工艺和必要的技术措施；通过试验测试采用的工作锚索的性质和性能、设计质量、设计的合理性以及所提供的安全度；研究锚索的极限抗拔力。对大悟车站内路基边坡防护拉力型和压力型预应力锚索做极限拉拔试验。试验锚索选在与设计锚索相同的二级边坡坡脚处。拉力型预应力锚索位于DK1074+455-DK1074+500段二级边坡坡脚出，锚索自由段长4.0m，锚固段长度分别为1、3、5、7、9米，锚索孔径130mm，间距3.0m,倾角15°，锚索体一束由6根Φ15.2普通钢绞线组成；压力型预应力锚索位于DK1074+600-DK1074+690段二级边坡坡脚出，锚索长度分别为5、7、9、11、13米，锚索孔径130mm，间距3.0m,倾角15°，锚索体一束由6根Φ15.2无粘结钢绞线组成，锚孔采用M40水泥砂浆灌注。张拉设备采用：YDC1500型千斤顶。拉力型锚索极限拉拔记录表表1编号锚索钢绞线根数(根)自由段长度(m))锚固段长度(m)张拉力(KN)油表读数(MPa)伸长值（mm）破坏情况16492006.740无40013.048无60019.354无80025.660无100031.972无120038.286无26472006.741无40013.049无60019.356无80025.665无100031.979无120038.290无36452006.728无40013.035无60019.343无80025.650无100031.967无120038.275无46432006.744无40013.048无60019.355无80025.662无100031.97034MPa破坏10793456412006.742无40013.047无60019.352无80025.65828MPa破坏87628极限拉拔试验按照千斤顶最大拉力的80%控制（设计最大拉力的240%），每级张拉力按200KN递增。通过现场试验锚固段长度为1米的锚索在油压表读数为28MPa时破坏通过油压表效验方程算得破坏拉力为876KN；锚固段长度为3米的锚索在油压表读数为34MPa时破坏通过油压表效验方程算得破坏拉力为1079KN；锚固段长度为5米、7米、9米的锚索拉力达到1200KN均无破坏。设计拉力型锚索锚固段长度为10米，张拉力为500KN。结论：通过极限拉拔试验与设计相比较，在相同地质条件下设计的合理，安全度满足要求，极限拉拔力均大于设计值；确定该施工工艺、技术措施和各项材料的材质等均满足设计要求。2.7注浆锚索注浆是为了形成锚固段和为锚索提供防腐保护层。注浆采用孔底注浆法。注浆设备采用柱塞式注浆机，一般的桥梁预应力孔道采用的注浆设备均可；注浆管采用内径2.5cm的PVC管循环使用。注浆管要随锚索体一同送入孔底，注浆管的出浆孔应插入距孔底30～50cm处。注浆泵处的压力一般不小于0.6～0.8MPa,在注浆时边注边拔，使注浆管始终有一段埋于注浆液中，直到注满为止。孔内浆体一般为无压，依靠自重和流动性进行自密。在含有大量裂隙或破碎的岩体中，一般采用预注浆。注浆设备主要采用挤压式注浆泵、柱塞式注浆泵或螺杆式注浆泵，根据施工情况具体选择。浆体灌注必须饱满密实，第一次注浆完毕，水泥砂浆凝固收缩后，孔口应进行补浆。注浆后不得随意敲击杆体，不得在杆体上悬挂重物。锚索注浆设计强度为M40。为提高水泥浆强高保证其稠度，适量填加聚羧酸盐高效减水剂，水泥浆稠度控制在40s以内。聚羧酸盐高效减水剂。配合比如下：水泥：水：减水剂＝1508：483：9.048＝1：0.32：0.006。注浆浆液必须搅拌均匀，随搅随用，并在初凝前用完，防止石块、杂物混入浆液中。搅拌设备应有足够的生产能力，保证单根锚索的连续注浆。检验用的试块每30根锚索不小于一组。2.8框架梁及锚头施工框架采用C30砼浇筑，横梁嵌入坡面20cm，纵梁嵌入坡面40cm，先按照坡比用人工休整好坡面后，在采用人工开挖，石质地段使用风镐开凿，超挖部分采用C25砼调整至设计坡面。横梁、竖肋基础先采用5cm水泥砂浆调平，再进行钢筋制作安装，钢筋接头需错开，同一截面钢筋接头数不得超过钢筋总根数的1/2，且有焊接接头的截面之间的距离不得小于1m。模板采用小块钢模板，在锚孔周围，钢筋较密集，一定要仔细振捣，保证质量。锚头应与框架梁同时浇注，纵向每隔2D设伸缩缝一条，缝宽2cm，用浸沥青麻筋填塞。伸缩缝置于两排节点中间。框架梁砼采用砼泵车浇注，人工振捣。锚头施工应注意以下事项：①锚具、垫板应与锚索体同轴安装，锚索体锁定后其偏差应不超过±5°②应确保垫板与垫墩接触面无任何空隙。③切割锚头多余的锚索体采用冷切割的方法，锚具外保留长度不应小于8-10cm。④当需要补偿张拉时，应考虑保留张拉长度。⑤锚头的防腐处理应符合规定。2.9张拉张拉工艺与一般的桥梁的预应力施工工艺相同。主要注意以下事项：①在锚孔浆体和框架梁应达到设计强度才能进行张拉，张拉前必须对张拉机具进行标定，避免出现应力误差。②拉力型和压力型锚索采用整体张拉，分散型锚索根据各单元分别张拉。锚索各单元体的预拉应力值应当一致。③张拉千斤顶的轴线必须与锚索轴线一致，锚环、夹片和锚索体张拉部分不得有泥沙