路塹邊坡玄武巖纖維筋錨桿支護的應用

劉毅

摘 要：針對路塹邊坡垮塌造成實體工程病害的情況，依托實體工程，結合現場實際情況，對路塹邊坡玄武巖纖維筋錨桿支護應用進行了對比分析，分析了BFRP錨桿對路塹邊坡治處效果及施工過程中的應對措施，對后續BFRP錨桿在工程中的應用提供了參考。

關鍵詞：路塹邊坡；BFRP錨桿；施工

中圖分類號：U417.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0163-04

Abstract： In view of the physical engineering diseases caused by the collapse of the cutting slope， this paper makes a comparative analysis on the application of basalt fiber reinforced bolt support on the cutting slope based on the physical engineering and the actual situation in the field. The effect of BFRP bolt on cutting slope treatment and the corresponding measures in the process of construction are analyzed， which provides a reference for the application of BFRP bolt in engineering.

Keywords： cutting slope； BFRP bolt； construction

1 概述

路塹邊坡錨桿材料一般采用精軋螺紋鋼，在工程實踐中人們發現，由于邊坡工程的地質條件復雜，地下水豐富，且地下水中含有對金屬具有較強腐蝕性化學物質，往往會使錨桿材料遭受腐蝕而導致破壞失效的情況普遍。目前工程中仍未從根本上解決錨桿的防腐技術問題。玄武巖纖維復合筋（BFRP）具有耐腐蝕、強度高、質量輕、與注漿體粘結性能較好等優點。利用BFRP筋材錨桿材料，可以有效解決邊坡錨固工程的錨桿腐蝕問題，并能為結構的安全性和耐久性提供相應的保障。本文依托廣東省梅大高速公路梅州東環支線K13+785-K14+060段路塹邊坡實體工程，結合現場施工情況，對BFRP錨桿在路塹邊坡中的應用進行了理論分析，并在施工過程中采取有效措施以杜絕后續病害。

2 工程概況

廣東省梅大高速公路梅州東環支線K13+785-K14+060段右側路塹邊坡，原設計為6級邊坡，長275m，最大坡高69m，路線走向274°，邊坡傾向184°。邊坡開挖至二級坡腳時（四～六級邊坡防護已施工，三級邊坡防護未施工），邊坡開挖后一～三級邊坡中部為強風化、中風化夾強風化變質碎裂巖，現端為半巖半土狀強風化砂巖。經現場踏堪，大里程段第三級邊面出現裂縫。本項目依據“新技術”、“新材料”、“新設備”、“新工藝”的“四新”管理要求，經相關人員研究、討論，擬在該邊坡的設計變更加固方案中采用BFRP錨桿。

2.1 地層巖性

邊坡主要由第四系坡殘積粉質粘土、碎石、前泥盆系上統砂巖、碎裂巖及其風化層組成。

2.2 地質構造

斷層F11于本段坡體山脊處切過，兩盤擠壓造成邊坡巖體風化強烈，巖體破碎，小型褶皺現象發育。

2.3 設計方案

邊坡加固設計措施如下：

一級：坡面采用格構梁+8.5m錨桿（間距3m，采用新型玄武巖纖維復合筋材）+8cm客土噴播防護；二級：K13+870-K13+960段坡面采用格構梁+11.5m錨桿（間距3m，采用新型玄武巖纖維復合筋材）+6cm，其余段落采用錨索格梁防護，客土噴播防護；三級：全坡面采用格構梁+11.5m錨桿（間距3m，采用新型玄武巖纖維復合筋材）， 6cm 客土噴播防護。每級邊坡在適當位置設置檢查踏步兼急流槽。

每級邊坡平臺設置平臺截水溝，平臺截水溝采用C20砼預制塊砌筑，各級平臺采用10cm厚C20現澆砼硬化。 平臺截水溝連通路塹頂截水溝。各級邊坡平臺低高程端設引流槽連通平臺截水溝與塹頂截水溝，排除坡面匯水，引流槽形式與平臺截水溝一致。

2.4 加固防護結構設計

錨桿鉆孔直徑130mm，錨桿采用φ16mm的玄武巖纖維復合筋。錨桿長11.5m，設計抗拔力為100kN，采用一次注漿，灌注強度為M30的水泥砂漿，注漿壓力不小于0.6MPa。

錨桿格梁截面尺寸0.3×0.3m，采用C25砼澆筑，每片錨桿的橫梁長為6m，施工時橫梁間設置沉降縫。

3 BFRP錨桿在工程中的應用

3.1 新型玄武巖纖維復合筋錨桿特性

玄武巖纖維復合筋（Basalt Fiber Reinforced Plastics簡稱 BFRP）是采用玄武巖纖維作為普通鋼材的增強材料，在基體材料合成樹脂中摻入適量的輔助劑，通過拉擠后，進行表面處治而形成的一種新型非金屬復合材料。通過加工后的玄武巖纖維復合筋性能比普通鋼筋均能有所提高，其具有輕質、高強和耐候等優異的物理化學性能。試驗證明，玄武巖纖維復合筋與混凝土的熱膨脹系數接近，能保證筋材與混凝土的變形趁于同步；且該材料可縱向連續通長生產，用于配筋的相關混凝土構件可根據其現場長度進行連續配置，減少了鋼筋配筋焊接工序，提高了工程施工進度及工效。采用玄武巖纖維復合筋作為路塹邊坡的錨固材料，可以有效解決巖土錨固工程中的鋼筋腐蝕問題，能更有效的保證路塹邊坡的安全性和耐久性。

3.2 BFRP錨桿施工工藝

3.2.1 施工準備

（1）技術準備

a.結合工程地質勘察報告對工程周邊環境進行調查；

b.圖紙復核；

c.各項方案的申報、審批；主要有排水、降水方案；施工方案；施工組織設計等；

d.監測檢測方案的確定及相關準備工作；

e.測量放樣確定邊坡開挖線、觀測點布設，并作好相應的保護措施。

（2）主要施工機械設備

a.鉆孔機具

根據邊坡巖質特點和作業條件選擇成孔設備，本項目采用螺旋鉆機，在易塌孔的土體鉆孔時宜采用套管成孔。空壓機具有風量9m3/min以上、壓力大于0.5MPa的功率。

b.孔道壓漿機具

灌漿機具有注漿泵和灰漿攪拌機，注漿泵的規格、壓力和輸漿量須滿足要求。

c.張拉設備

張拉設備采用成套YC-60型機具（含穿心式千斤頂，油泵、油壓表等，）千斤頂在使用前須送當地計量所進行標定。

3.2.2 材料及質量要點

（1）材料的關鍵要求

a.錨桿：用作錨桿的BFRP筋材必須符合設計文件的相關要求，并附有出廠合格證明材料，使用前須經檢驗合格。

b.孔道壓漿漿體：水泥為強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥；砂為粒徑小于2mm的細砂；水為普通的飲用水；添加劑為高性能減水劑。

（2）關鍵技術要求

a.孔道壓漿是錨桿施工中的關鍵工序，必須規范進行。壓漿漿體強度等級不宜低于M20；水灰比為0.4～0.5左右，如有早強要求，可根據水泥用量摻入3～5%的早強劑；水泥漿體塑性流動時間應在22s以下，漿體工作性能應可保持30～60min；整個壓漿過程應在5min內完成。

b.壓漿的壓力不得低于0.2MPa，亦不大于2MPa；宜采用封閉式反壓及二次壓漿，能有效提高錨桿的抗拔力（20%左右）。

c.錨桿設計及構造應符合下列要求：錨桿的錨固體應設置在地層穩定區域內，上覆土層厚度不宜小于4.0m；錨桿傾角宜設置在15°～25°間，且不應大于45°；錨桿的自由段長度不宜小于5m并應超過潛在滑裂面1.5m；錨桿錨固段長度不宜小于4m；錨桿水平間距不宜小于1.5m，上、下排垂直間距不宜小于2.0m；錨桿沿桿身每隔1.0～1.5m宜設置一個定位支架；由于BFRP筋材錨桿不同于普通鋼筋錨桿，所以定位支架的制作不能采用傳統的焊接工藝，而是使用綁扎工藝，一般采用 5mm鐵絲繞制 70mm鐵絲圈，也可采用市場上適合的對中器；錨桿錨固體宜采用水泥砂漿，其強度等級不宜低于M20。

圖1 絲繞式對中器

（3）關鍵質量要求

a.根據設計、規范、標準要求認真編制施工方案，選擇合適的鉆孔機具和施工方法，合理組織，確保錨桿施工質量。

b.鉆孔時，應根據地質情況各相應機具掌握鉆進參數，合理控制鉆進速度，以消除埋鉆、卡鉆、塌孔、縮頸和涌砂等各種通病，一旦發生相關的孔內事故，應及時進行處理。鉆孔完成，拔出鉆桿后須及時安裝錨桿，并立即對孔道進行壓漿處理。

c.錨桿應按設計要求組裝，規范安插，確保錨桿的安裝質量。

d.錨桿孔道壓漿的漿體應嚴格控制，確保攪拌均勻；壓漿前應對壓漿設備和管道進行調試，確保壓漿機具的工作狀態良好。

e.所有施工工序應連續，確保邊坡支護完成的時效性。

f.預應力錨具應根據錨桿類型選用，施加預應力前應規范安裝臺座和張拉設備，保證張拉數據準確、可靠。

3.2.3 施工工藝

（1）工藝流程圖

BFRP錨桿施工工藝流程：邊坡開挖、修整→錨桿孔位放線→鉆機就位→接鉆桿→孔位校正、角度調整→鉆孔（鉆進過程中接鉆桿）→鉆至設計深度→孔道沖洗→錨桿安裝→壓漿→養護→裸露BFRP筋材除油除塵→專用BFRP錨具安裝（靜置24小時固化）→上預應力錨件→錨具鎖定→張拉（僅限于預應力錨桿）→鎖定錨具。

（2）工藝要求

a.邊坡開挖

邊坡應按設計要求分層、分段開挖，做到開挖一級，防護一級，未完成上一級邊坡防護前，不得進行下一級邊坡的開挖。

邊坡開挖前應在四周支護范圍內預做修整，完善邊坡截水溝，防止地表水向下滲透，及時排除地表水。

b.鉆孔與錨桿制作

鉆孔位置要確保準確（縱、橫向點位及間距，孔道傾角角度），確保線型橫平豎直。鉆孔孔深應比設計深10～20cm，防止孔深不夠的現象。

BFRP筋材使用前應檢查錨桿有無油污、缺裂等情況，將不符合要求的筋材剔除。錨桿制作應設置專人，所有錨桿必須為通長的單根，不得接長。須在錨桿桿上每隔1.5m設置一個定位器，確保錨桿安裝后置于鉆孔中心位置。鉆孔完成后應立即安裝錨桿、并及時完成孔道壓漿，以防塌孔。為保證錨桿的非錨固段可以自由伸長，可在非錨固段涂以潤滑油脂或在錨固段和非錨固段之間設置堵漿器，以保證在非錨固段的自由變形。

c.壓漿

壓漿前，應檢查注漿管有無破裂和堵塞，并用水引路、潤濕輸漿管道；管道接口處要牢固，防止壓漿過程中壓力加大時接口處松脫或爆管而引起跑漿。注漿管應隨錨桿通長安裝，同時插入孔道內，對干成孔壓漿前應封閉孔口，通過漿體自重壓力進行反壓，確保壓漿飽滿度；濕成孔時在灌漿過程中以看見孔口出漿為準，及時在封閉孔口。壓漿完成后要及時清洗壓漿設備及管道。壓漿后的自然養護期不得少于7d，待強度達到設計強度的70%后，方可進行錨桿張拉作業。在灌漿體硬化之前，應避免錨桿承受外力或由外力引起的錨桿移動。

4 錨桿監測與檢測結果

4.1 監測情況及結果

本項目路塹邊坡由項目業主委托的廣東省航運規劃設計院有限公司進行監控量測，監測單位主要對錨桿支護的支護位移、沉降的測量及地表開裂狀態（位置、裂寬）的觀察。在施工階段，按每天不少于2次進行監測；施工完成后，變形趨于穩定的情況下每天一次。觀測點的設置：觀測點在變形量最大或局部條件最為不利的地段按間距不大于30m布設，其余部位按50m間距布設。觀測儀器采用精密水準儀和經緯儀。雨天和雨后針對邊坡進行了加密監測。

梅大高速梅州東環支線項目K13+785-K14+060段右側路塹邊坡BFRP筋材錨桿試驗區現場施工完成于2018年12月20日，至2019年5月底，共進行了5個月的監測。通過第3方監測單位的監測報告顯示坡腳地面變形最大約1.2～2.2mm；坡頂變形最大約5.0mm左右。坡頂變形比坡腳變形大3mm左右，對應于筋材受力，雨季之后，邊坡產生了一定的變形，筋材受力也有明顯的增加，邊坡變形與支護系統受力是吻合的。表明采用BFRP錨桿與普通鋼筋錨桿對邊坡的支護效果類似。

4.2 錨桿拉拔試驗檢測結果

錨桿施工完成后，由中交第二公路勘察設計研究院有限公司試驗檢測中心梅大高速公路梅州東環支線中心試驗室進行拉拔試驗檢測，經檢測5組數據，拉拔力為均能大于125kN，檢測合格。

5 新型BFRP錨桿與傳統錨桿經濟性對比

按等強度設計原則，若采用鋼筋錨桿，需要采用？準32 HRB400鋼筋。

？準32 HRB400鋼筋錨桿施工綜合單價：181.03元/m；其中鋼筋錨桿材料制作及安裝費約6.07元/kg，即38.32元/m，折算單根錨桿材料制作及安裝費：38.32×11.5=440.68元。

采用BFRP筋材錨桿，主要是錨桿制作方式與鋼筋錨桿不同，其它鉆孔、注漿等與鋼筋錨桿施工完全相同。因此，主要經濟性區別主要體現在錨桿制作上。分兩種情況：

（1）對于需要施加預應力或拉拔檢測錨桿或格構梁載面尺寸小于30cm×30cm時，需要采用專用錨具。？準16mm BFRP筋材材料價格15.68元/m；錨具套管材料及加工費50元/根；植筋膠180元/支×0.2（支）=36元；錨桿制作安裝費60元/根，折算單根錨桿材料制作及安裝費：15.68×12+50+36+60=334.16元。

綜合單價節約成本：（440.68-334.16）/（181.03×11.5）=5.12%。

（2）對于不施加預應力且格構梁載面尺寸不低于30cm×30cm時，可直接將錨桿與格構梁鋼筋綁扎（不能彎折），澆筑混凝土粘結錨桿，不需要單獨的錨具。？準16mm BFRP筋材料價格：15.68元/m；錨桿制作安裝費40元/根，折算單根錨桿材料制作及安裝費：15.68×12+40=228.16元。

綜合單價節約成本：（440.68-228.16）/（181.03×11.5）=10.2%。

采用BFRP筋材錨桿支護邊坡，一方面可節約材料經濟成本，另一方面，由于BFRP筋材不會銹蝕腐蝕，不存在腐銹蝕失效問題，不產生后期維護費用，間接經濟效益和社會效益明顯。

6 結論

梅大高速梅州東環支線項目K13+785-K14+060段右側路塹邊坡BFRP筋材錨桿的使用與其他段落路塹邊坡的普照通鋼筋錨桿的使用情況，研究BFRP錨桿和鋼筋錨桿加固邊坡的受力機制和替代效果發現：

（1）采用BFRP筋制作錨桿，無需焊接，但在錨固頭處需加設40cm長的特制鋼管錨具，采用高強度植筋膠粘結筋材。錨具焊接？準8mm短鋼筋與坡面掛面筋材綁扎。

（2）對比表明，采用直徑為14mm的筋材支護路塹邊坡，其效果與采用直徑為32mm的鋼筋錨桿支護邊坡相當。

（3）鋼筋錨桿和BFRP筋材錨桿監測受力表明，兩種錨桿受力類似，因此設計安全合理。

（4）錨桿目前受力低于它的設計強度，邊坡變形微小，邊坡處于穩定狀態。所使用的BFRP桿體，能替代鋼筋支護邊坡，施工方便，支護效果好，節約工程造價。

參考文獻：

[1]廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司.梅大高速公路梅州東環支線項目K13+785～K14+060路塹右側邊坡變更設計圖[Z].

[2]李國維，邱利銳，馬曉輝，等.GFRP筋錨桿框架梁加固公路邊坡應用實驗[M].中國水利水電出版社，2007：446-452.

[3]郭成鵬，林學軍，李濤，等.玄武巖纖維筋用作錨桿的適宜性研究[J].洛陽理工學院學報（自然科學版），2012，22（4）：24-27.

[4]馬萍.土層錨桿錨固機理試驗研究[D].湖北：長江大學，2012：41.