高边坡预应力锚索框架支护施工工法
1、前言
预应力锚索框架是随着锚固技术发展起来的，并广泛应用于公路、铁路、水利等工程高边坡和建筑工程基坑防护的加固工程中。本工法主要介绍了高速公路高边坡整治工程中预应力锚索的应用，阐明预应力锚索在边坡加固中的原理和破坏形式，对预应力锚索框架的施工工法做了详尽的阐述。并对应用中出现的问题进行分析研究，可为类似工程提供参考和借鉴。
2、工法特点
2.1加固效果明显
2.2施工工期短
2.3施工技术难度较大
2.4使用通用的机械设备，节约工程成本
2.5受季节性施工影响小
2.6可操作性强，劳动强度低
3、适用范围
本工法适用于公路、铁路、水利、城市建设等相关领域的浅、中、深层土石混合滑坡、土滑坡、岩石滑坡的防治工程。及土质、风化破碎的软质岩，挖方量大、岩层间夹有软弱夹层的高陡边坡及高层建筑的深基坑等工程项目。
4、工艺原理
预应力锚索防护是利用一定强度的水泥砂浆在有效深度的锚孔底端与周边岩石形成具一定强度的锚固体，而后在锚索的预应力作用下，将不稳定的山体部分稳固地与稳定山体组成整体，确保边坡的稳定，不使构造裂隙进一步发展，从而达到防护目的。
预应力锚索，一方面可直接在滑面上产生抗滑阻力，另一方面通过增大滑面上的正应力来增大抗滑摩擦阻力，从而提高边坡岩土的整体性和稳定性。
5、施工工艺
施工工艺流程见下图“预应力锚索框格梁施工工艺框图”
5.1施工准备
预应力锚索施工前应做好施工组织设计，明确施工方法、施工工艺、工序流程、人员组织和施工设备、材料、试验、监测安排及安全、质量管理。
申请单项工程开工，开工条件包括开工报告、锚筋材料试验、浆体材料试验、配合比试验、相关机械设备等，并应注意张拉设备及有关机具是否经过标定。
做好施工场地的排水工作，材料、机械的防雨、防水工作，保证水、电畅通。将预应力的造孔设备、注浆设备、张拉设备调至工作面附近，待坡面整修工作面完成后，马上吊运至工作面。
锚索所需的水泥、钢材、预应力钢铰线及锚具等各类材料必须和工程锚索施工所需的完全相同，具有出厂检验合格证，并符合国家标准。使用前需对各种材料做必要的物理力学试验，提供材料检验合格证书等资料。预应力锚索使用的千斤顶、压力表等使用前必须进行标定或检验。
5.2试验孔施做
为了验证设计采用的工作锚索的性质和性能、施工工艺、设计质量、设计合理性以及所提供的安全储备，同时考虑有关搬运、储存、安装和施工过程中抗物理破坏的能力，在单项工程开工申请批复后，按设计要求先进行锚索基本试验，即抗拔拉破坏试验。
具体位置应由监理和设计代表现场确定，试验孔位置的选择应体现工程孔锚固地层实际情况。试验时应记录各级荷载及锚头位移等详细数据，并在工程锚索施工前及时向设计单位提交试验报告，以验证和调整设计。
5.3孔位定位放样
根据各工点工程平、立面图，按设计要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位误差不得超过±50mm。如遇既有刷方坡面不平顺或特殊困难场地时，需经设计监理单位认可，在确保坡体稳定和结构安全的前提下，适当放宽定位精度或调整锚孔定位。
5.4搭设脚手架平台与钻机就位
为方便钻机作业，需在边坡上搭设脚手架平台。高边坡钻孔工作均在高空条件下作业，作业平台的牢固性与安全性十分重要。采用符合规范标准的φ48mm×35mm钢管作支架，用扣件联接，平台宽度为5m，作业平台上满铺建筑模板，模板与脚手架用铁丝绑扎牢固。
钻机在作业平台上安装要保证稳固，且保证使钻头中心对准孔位中心。确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±50mm，高程误差不得超过±100mm，钻孔倾角和方向符合设计要求，倾角允许误差位±1.0°，方位允许误差±2.0°。
5.5钻孔
5.5.1钻孔设备
钻孔机具的选择，根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择钻孔设备。岩层中采用潜孔冲击成孔；在岩层破碎或松软饱水等易于塌缩孔和卡钻埋钻的地层中采用跟管钻进技术。
5.5.2钻进方式
钻孔要求干钻，禁止采用水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其它意外事故。
5.5.3钻进过程
钻进过程中对每个孔的地层变化，钻进状态（钻压、钻速）、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2MPa），待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
5.5.4孔径孔深
钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值。为确保锚孔直径，要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度大于设计深度0.2m以上。
5.5.5锚孔清理
钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2分钟，防止孔底尖灭、达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压空气（风压0.2～0.4MPa）将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。除相对坚硬完整之岩体锚固外，不得采用高压水冲洗。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下安锚索与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。如果设计要求处理锚孔内部积聚水体，一般采用灌浆封堵二次钻进等方法处理。
5.5.6锚孔检验
锚孔钻造结束后，须经现场监理检验合格后，方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在现场监理旁站的条件下验孔，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压风吹验不存明显飞溅尘碴及水体现象。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。
5.6锚索制作
锚索制作工艺流程：编束通知单→下料、清洗→安装承载体→挤压P锚→编束→安装支撑环→安装注浆管→验收→库存
在预先平整好的下料场地上按下料长度进行下料，每根绞线长度误差控制在10cm左右。钢绞线下料长度=各分段锚固长度+锚索自由段长度+框格梁厚度+锚索工作段长度+截长误差（约100mm）。下料要求用砂轮切割机切割好以后，钢绞线全段除锈除污垢后，将每束锚索平顺地放在制作平台上，用钢卷尺量出锚固段和自由段，分别作出标记，在自由段涂抹黄油，作防腐处理后再外套PVC管（如采用无粘结预应力钢绞线，则在一端锚固长度内剥除PE层，对剥除部分钢绞线除污洗净）。按要求设置承压板、支撑环，支撑环每1m放1个，用GYJ60A型挤压机对剥除部分挤压上P锚。索体要求绑扎牢固，绞线应平行顺直。对不同位置处的承载体相应的绞线外露端做出临时和永久性标记。灌浆管绑扎在锚索体上，灌浆管头部距锚索体端部5～10cm，灌浆管使用前，要检查有无破裂、堵赛。绑扎好的锚索顶部要安装导向帽，以方便穿索。
锚索制好后应将承压板、P锚外部涂上防腐油漆。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。
5.7锚索安装
向锚索孔安索前，要核对锚索编号是否与孔号一致，确认无误后，即可将锚索用人工抬至工作面，用人工将锚索平顺穿入锚孔，当外露部分满足工作长度时即到位，停止穿索。锚索往孔内穿时，索体必须平顺，不得扭绞，同时应避免损伤PE（或PVC）管及支撑环脱落。锚索安装工作结束后即可进行灌浆工作。
5.8注浆
注浆采用3SNS系列注浆泵，搅拌采用灰浆搅拌机进行。浆液要搅拌均匀，随绞随用，并在初凝前用完。严防石块等杂物混入浆液。
注浆材料为纯水泥浆，水泥选用普通硅酸盐525#，水灰比为0.38～0.48，外加10%UEA-Z型复合膨胀剂和0.6%的高效早强减水剂。浆体强度不小于40MPa，注浆压力保持在0.4～0.6MPa。边注浆边缓慢抽拔注浆管，保证注浆管口处于浆液面一下。并保证浆体密实、饱和，达到设计浆体强度。待孔口溢出清晰的浆体即可停止注浆。注浆过程中要做好相关记录，并做好试验块。
5.9砼框格梁施工
把框格梁位置坡面清理干净，人工绑扎钢筋后支牢模板，并在锚索位置套上2.5inPVC管;采用分段浇筑砼，浇筑时振捣要均匀、密实，保证浇筑质量。框格梁混凝土浇筑前，应先清除孔口周围及建基面上的碎石及泥土，然后绑扎钢筋、立模，并同时安装定向筋、定位管及固定锚垫板。锚垫板可作为框格梁端面模板固定在定位管端部，锚垫板必须与定位管轴线垂直。框格梁混凝土强度等级：C25，斜托强度等级：C30。浇筑时应加强振捣，以确保混凝土的均匀密实。并养护。
5.10锚索的张拉
待锚孔注浆体强度和框格梁砼强度达到设计要求后，和监理工程师书面通知即可进行张拉。张拉前须对张拉机具进行配套标定，计算出千斤顶受力与油压的线性方程，用于张拉油压与张拉力的控制。安装锚板前，要用棉纱擦净锚板内的泥沙油污。钢绞线穿入锚板的顺序，力求与钢绞线束绑扎的顺序一致，防止交叉缠绕。使用无粘结预应力钢绞线的，在张拉前，钢绞线外包的PE护管用锯条割掉（注意不要伤着钢绞线），不得用火烧钢绞线，剥除PE后要清除防腐油脂。
按设计要求对锚索施加预应力并锁定。锚索张拉锁定采用间隔施工，即每间隔1～2根锚索进行循环张拉锁定。张拉分6级2次进行，即按设计值的15%、30%、45%、60%、75%、90%进行张拉，每级张拉观测稳定时间为5～10min，其中前5级为一次张拉，一次张拉完毕5天后进行二次张拉，二次张拉至90%时，观测稳定10min后，回油至75%观测10min稳定后锁定。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砂、锈蚀层或其它污物。
索整体张拉前，应进行单股钢绞线的预张拉，单股钢绞线的最大预张拉力可取单股钢绞线设计张拉力的10%，且锚索各单元体的预拉应力值应当一致。如在张拉过程中发生意外或有迹象表明预应力损失较大时，则必须进行补偿张拉，此时应一次张拉到超张拉荷载。
张拉结束后，将锚板外的钢绞线处理好，不能松散，以备再进行张拉。为防止外锚头的长期暴露，每次结束后应作相应的防护。
每级张拉的稳定时间必须保证，预应力张拉采用“双控法”控制，以张拉油压为主，伸长值进行校核。当出现异常情况时，必须停止作业进行检查，查明原因后方可继续进行作业。
5.11张拉锁定、封锚
预应力张拉完成后，用手提砂轮机切除多余钢绞线，外留长度5cm。填充好油脂后对锚头采用不低于20MPa的混凝土进行封锚，防止锈蚀和兼顾美观。
6、劳动组织
劳力组织表
序号 项目 工种 人数 备注 1 框格梁工程 现场指挥 1 2 技术兼质检 1 3 拌合机司机 2 4 电工 1 5 振捣工 4 6 配料 3 7 试验员 1 8 电焊工 3 9 钢筋工 8 10 修理工 1 11 架子模板工 12 12 普工 25 13 钻孔 现场指挥 1 14 技术兼质检 1 15 钻机司机 4 16 电工 1 17 架子工 6 18 空压机司机 2 19 普工 15 20 电焊工 1 21 锚索、注浆 现场指挥 1 22 技术兼质检 1 23 电工 1 24 试验员 1 25 电焊工 1 26 制索、安索 10 27 注浆 4 28 张拉 8
7、机具设备
机具设备表
序号 机具名称 规格 单位 数量 备注 1 钻机 MG-50A 台 1 2 压风机 17m3 台 1 3 注浆泵 SNS200/100 台 1 4 灰浆搅拌机 台 2 5 油泵 ZB4/500 台 4 带S阀 6 千斤顶 YCW250A 台 1 7 千分表 只 2 8 挤压机 GYJ60A 台 1 9 砂轮切割机 台 1 10 手提砂轮机切割机 台 2 11 单根测力传感器 台 6 12 精密液压油压表 块 10
8、质量控制
8.1施工前应认真进行技术交底，施工中明确分工、清楚责任、统一指挥，严格按设计图纸及相关规范要求施工;施工中严格按工序顺序，严格把好各工序质量关，对隐蔽工程做好施工记录。
8.2脚手架的搭设必须稳定，对紧固体的紧固必须有人复核。钻机在脚手架上必须固定牢固，避免因钻机固定不牢而导致孔位出现偏差。
8.3锚索孔径允许误差±2mm，倾角允许误差±1°，孔位允许误差±5厘米。。
8.4若遇坍孔，应立即停钻，进行固壁注浆处理，注浆24小时后重新扫孔钻进。
8.5锚孔要清洗干净，空中不得留有岩粉和水。
8.6锚索的编制要确保每一根钢绞线始终均匀排列、平直、不扭不叉，锈、油污要除净，对有死弯、机械损伤及锈坑者应剔出。
8.7锚索安放要保证锚索孔壁有不少于1厘米的注浆厚度。
8.8锚索下料长度允许误差±10cm，并对锚索按孔号相应编号。
8.9锚索的张拉要在注浆体强度达到设计要求后方可进行。
8.10张拉前必须对张拉设备进行标定，保证各级张拉的稳定时间。张拉到位后用机械切除多余钢绞线，严禁电割、氧割。
8.11锚索的张拉必须按张拉程序进行，即：从上到下的原则进行张拉、锁定。
8.12钢绞线要调直、除锈、去污垢，检查有无损伤、交叉重叠、锈坑等，不合格者应剔除。截取后的钢绞线两端应用铁丝扎捆牢固，同一束钢绞线必须等长。锚索安放要保证平直，张拉段要放在锚孔中央，确保锚索孔壁有20mm厚的砂浆保护层。
8.13施工使用材料要有出厂合格证和送检合格证明，严禁使用不合格材料。
8.14预应力锚索的锚固长度、锚固段孔壁的清洗干净与否是保证锚固力的重要环节，应严格按设计进行;锚杆的施工长度(深度)要按设计图纸要求进行，不得随意缩短。锚索(杆)长度、钻孔深度、采取岩心样、入岩深度、洗孔质量、注浆压力6道关键工序须经监理工程师确认后才可进行下一道工序。
9、安全措施
9.1施工前进行安全技术交底，施工过程中要明确分工，统一指挥。
9.2坚持“安全第一、预防为主”的安全生产方针，定期检查、落实安全责任，严格执行安全生产奖惩制度，对违章作业者要追究责任，严肃处理。
9.3上岗前要做好安全培训工作，施工人员进入现场要戴好安全帽，操作人员遵守有关安全操作规程。
9.4各种机具设备应处于完好状态。
9.5高空作业要设置必要的防护措施，作业人员必须佩戴安全带。
9.6切割钢绞线使用的砂轮切割机要设置安全护罩，以防断片伤人。
9.7注浆管路应畅通，不得有堵塞现象，避免浆液突然喷出伤人，注浆管路不使用时要及时注压清水冲洗干净。
9.8风动钻机管路连接应牢靠，避免脱开出伤人。
9.9张拉机具各部件应牢靠，特别是高压油管的联接点，以避免突然断裂脱口喷出伤人。在张拉过程中，千斤顶前不得站人，以防锚索断裂造成事故。
9.10夜间施工应有足够的照明。
9.11钻孔孔口须设置粉尘收集器，使岩粉不致随风飘散，污染大气。严格按照国家环境保护有关规定施工。
9.12边坡弃碴要按设计弃土石，作好挡碴墙，排水沟，防止土石流失污染农田或河流。
10、技术经济分析
该施工技术为松散岩土体和滑坡整治工程施工积累了成功的经验，为预应力锚索施工奠定了坚实的基础。经济效益显著，和预应力锚索抗滑桩设计方案进行经济比较造价投资1/3，且工期缩短1/2。也为单位创造了良好的社会效益。
11、工程实例
国道主干线（GZ65）上海—瑞丽公路曲靖至崇明（小铺）段高速公路第5合同段，K32+950~K33+350，全长400m段预应力锚索框格梁。该路段原设计为路堑式路基,左侧边坡最大开挖深度44米,分为5级,坡比为1:1~1:1.25.工作区属构造剥蚀地貌.海拔1900~2300米,高差一般不足300米,地形坡度一般在25度以下,属地中山地形。区内出露的主要地层为中寒武统沧浪铺组乌龙箐段,次为第四系堆积层。根据地质勘察钻探揭露,地层由上至下主要为碎石土、坡积亚粘土、残积亚粘土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩、微风化泥质砂岩等。基岩节理、裂隙发育,强风化泥质砂岩吸水易软化,岩石因节理、裂隙发育而较破碎;另外,上覆坡积亚粘土厚度较大,含较多碎石及不同粒级的砂,土层透水性较好,土体稳定性差。这些不良地质现象,在各种地质内力和外力作用下,自施工以来,在左侧边坡K32+970~K33+245不同路段内先后发生了三次明显的边坡失稳,直接危害高速公路行车安全。因此,必须对该危险边坡进行系统整治和加固支护。
根据边坡的特点,工程设计内容主要分两大部分：
第一部分为预应力锚索加砼框格梁加固支护段
根据场地工程地质情况和周边工程环境,本着合理、经济、安全的原则,K32+950~k33+350段护坡防护设计采用锚索框格梁,在k32+960~k33+080段第四级边坡上设一排锚索框格架,锚索长度27米,钻孔倾角20°,锚固长度按10米考虑.在k32+950~k33+350段第二级边坡上设一排锚索框格架,锚索长度25米,钻孔倾角20°,锚固长度按10米考虑.
(1)预应力锚索成孔直径130mm,倾角20°,孔深有27、25两种,钻孔深度要求进入中风化岩不少于8m或进入微风化岩不少于5m。
(2)预应力锚索材料采用φ15.24mm的钢绞线,强度标准值1860MPa,OVM15-5型锚具,锚索锚固力设计标准值为500kN,锚索施加预应力为400kN。
(3)砼框格梁梁体强度为C25,规格600mm×600mm,纵梁水平间距3.5m,横梁沿坡向间距4.25m,主筋为φ250mm通长配筋,箍筋为φ120mm。
(4)预应力锚索间距.3.5m,自由段长度15m,锚固段长度10m。
(5)注浆材料采用水泥净浆,水泥采用42.5MPa的普通硅酸盐水泥,注浆压力0.4～0.8MPa,注浆28天后的无侧限抗压强度≮30MPa。
第二部分为抗滑挡墙支护段
在K32+950~K33+250段第一级边坡脚设抗滑挡墙进行支挡,K33+140~K33+250段为重力式抗滑挡墙,K32+950~K33+140段抗滑挡墙顶50厘米处设φ110PVC排水管作深层排水,间距8米,长15米,坡度10%.
根据对土体和锚索轴力的检测，各项指标均满足设计和规范要求，保证了施工质量，边坡完全稳定，利用预应力锚索框格梁加抗滑挡墙整治边坡是非常成功的。
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砼框格梁制作
锚索养护
锚索制作
钻进成孔、清孔
排（截）水沟施工
锚头封闭
锚索张拉锁定
注浆
砂浆制备
锚索安装
坡面清理
原材料送检
钻机就位
测量定孔位
搭设脚手架平台
施工准备
砼养护
预应力锚索框格梁施工工艺框图
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