預應力錨索處理隧道洞頂防護的施工技術應用

霍紅亮 HUO Hong-liang

（中鐵十七局集團有限公司，太原 030000）

0 引言

預應力錨定是將鋼光圈線嵌入巖層內部進行預加應力的施工技術，是將主體結構的支撐應力傳遞給深部穩定巖層的主動支撐方式。在備用應力作用下，周圍巖石發生壓縮，周圍巖石在錨索的彈性壓縮下形成“負重拱形”，提高周圍巖石的整體性和內在阻力，增加其強度和周圍巖石的穩定強度。錨索的保護可以使結構物和周圍巖石連鎖反應，可以使周圍巖石發揮更大的負荷作用，有利于表面結構的穩定，將結構和共同作業的周圍巖石介質構成復合體由結構鎖定的巖石層可以更有效地承受由于負載引起的拉伸力和剪切力，并且這些力的傳遞深度也比沒有錨定的結構的作用大得多。[1]

1 工程概況

從平涼到綿陽的國家高速公路（G8513）平涼到天水段PT09堡子梁2號隧道建在甘肅省天水市秦安縣安伏鄉陳家村，邊坂位于堡子梁2號隧道的進口。堡子梁2號隧道的進口軸線大致與地形的大角相交，自然斜面為35-40°梯度。發育B8-2黃土碎石崩潰，該崩塌堆積體位于山間沖槽左側的山的斜面部位，前緣位于沖槽中，后緣位于山的斜面部位，屬于淺層黃土碎石崩潰。這個崩壞體整體呈前緣寬，后緣窄的扇形。崩塌方向約8°，后緣寬度約20～30m，前緣寬度約123m，縱長65m，厚度約2～4m。成分主要是碎石，碎石夾著少量的黃土。由于不穩定，隧道的進口和橋墩位于崩塌的前緣，對線路產生了巨大影響。建議去除崩壞體，強化坡面防護。

2 設計錨索框架梁原因

頂應力錨索框架梁的保護結構是將對應力錨定施加預應力的潛在滑動巖體與穩定巖體緊密連接成為一體，增加巖土體的各等級的耐滑動力，并且通過坡面上的框架梁將各錨定素有效地連接到一個整體，形成表和背面的加固系統進一步達到防止整體邊坂不穩定性的目的。在備用應力錯誤掃描框架梁系統中，將錨定繩鎖定在框架上，錨定力首先作用于框架，然后通過框架傳遞至巖土體，從而使巖土體產生附加應力，調整巖土體的應力環境，以加強邊緣坂。

3 設計方案處理方案

①暫時關閉裂縫，關閉時用三七灰土填埋。②清除洞頂黃土表層，清方邊的坡率為1:0.5，樓梯寬度為第一級2-6m，第二級、三級臺階寬度為2m，樓梯高度為10m。③斜面防護由下向上，第一級采用錨定框架梁防護，第二級采用錨定框架梁防護，第三級采用錨定框架梁保護。第一段邊坡：左線的仰坡根據原設計采用8m長錨框格梁防護，錨棒采用Φ25灰漿錨，8m長，間隔3m×3m；右線仰坡采用12m長錨框格梁防護，錨棒采用Φ32摩爾錨，長度12m，間隔3m×3m。第二級邊坡：左線的仰坡按照原設計采用8m長錨框格梁防護，錨棒采用Φ25灰漿錨，8m長，間隔3m×3m；右線的仰坡采用20m長的錨繩框架梁防護，錨繩采用4捆Φ15.24mm，強度1860MPa的高強度低松弛無粘壓床線，長度20m，錨定力400kN。漿料注入采用水泥灰漿、水灰比0.4-0.5、灰砂比1:1、灰漿強度≥40MPa，漿料注入壓力不小于0.3MPa。第3段邊緣坂：左線沒有3段邊緣坂；右線仰坡采用8m長錨框格梁防護，錨棒采用Φ25灰漿錨，8m長，間隔3m×3m。底部用噴槍保護。Φ22灰漿錨，長度3.5m，間隔1.5m×1.5m、采用鋼筋網Φ6鋼筋網、網格間隔25cm*25cm、C25混凝土10cm噴射。④排水措施：在挖掘面外側設置一條斷水溝，斷水溝與左線仰坂斷水槽結合實施。各級平臺排水由路基平臺的斷水槽設置，1、2級平臺的斷水槽連接左線洞頂排水溝排出至坂腳沖槽內，3級平臺的斷水槽排出至左側斷水槽內。⑤左洞崩塌部分5m長暗洞層疊調整明洞層疊。

4 預應力錨索施工工藝及方法

預應力錨索施工工藝流程見圖1。

圖1 預應力錨索施工工藝流程圖

4.1 預應力錨索設計參數及相關要求

每孔錨定設計錨定力600kN、入射角20度、錨定型4個Φ15.24毫米線，標準強度1860MPa。鉆頭直徑為120mm，鉆頭采用YG-30型錨定工程鉆頭鉆孔。[2]

4.2 鎖定孔測量

根據各工點工程的立面圖，根據設計將錨定孔的位置正確地測量在坡面上，孔位誤差不應超過±20mm。刷子側的坡面遇到不順或特殊困難的地方，需要得到設計監理部門的認可，在確保坂體穩定和結構安全的前提下，適當放寬定位精度，調整鎖定孔的定位。

4.3 鉆孔

巖石層采用潛孔鉆孔鉆孔。在巖石層破碎、柔軟、充滿水等容易崩塌、容易嵌入鉆頭的地層施工，根據需要采用管道鉆頭技術。在鉆孔前構筑腳手架，根據設計樁編號測量采樣，用油漆標記錨點孔的位置。鉆頭嚴格按照設計孔位、傾斜角和方位正確定位，采用角度測量儀控制角度，鉆孔軌道的傾斜角誤差不超過±1。方位誤差不超過±2。錨定繩的孔形成應根據地層選擇相應的錨定繩鉆頭，嚴禁用熱水鉆孔和清洗洞壁。在挖掘過程中，必須認真記錄地層狀況、地下水狀況等施工記錄。鉆孔徑、孔深要求不小于設計值，超鉆頭在40cm以上，鉆頭在設計深度后不能立即停止鉆頭，要求穩定3～5分鐘進行鉆頭，同時應立即清掃錨點孔。鉆頭結束后，可以安裝錨定繩。鉆頭完成后，立即安裝錨定筋體并對錨定孔進行漿料注入，原則上，必須放置24小時以上，避免崩塌孔。[1]

圖2 錨索示意圖

4.4 鉆進過程

鉆頭中記錄各個孔的地層變化、鉆頭狀態（鉆頭壓力、鉆頭速度）、地下水等情況。發生了孔縮等不良鉆頭現象時，立即停止鉆頭，立即進行固壁漿處理（爐渣壓力0.1～0.2MPa），水泥灰漿首次凝固后，再掃孔進行鉆頭。

4.5 錨孔清理

鉆頭達到設計深度后，不能立即停止鉆頭，要求穩定3～5分鐘，防止鉆孔底部尖尖消失，達不到設計孔徑。打孔完成后，使用高壓空氣（風壓0.2～0.4MPa）將穴內巖粉和水體全部除去到洞外，防止水泥灰漿和穴壁巖漿的粘結強度下降。除相對堅硬、完整的巖體外，不能用高壓水清洗。當壓水流出錨定孔時，水壓和水量變小后，可以安裝錨定筋和漿料，根據需要在周圍適當的部位設置排水孔進行處理。如果要求處理錨定孔內的存儲水體，則通常以諸如漿料密封二次鉆頭的方法處理。

4.6 錨孔檢查

錨穴鉆探完成，現場監理檢查合格后，進行下一道工序。孔徑、孔深檢查一般采用設計孔徑、鉆頭和標準鉆頭棒在現場監理旁路站的條件下對孔進行檢查，在孔檢過程中鉆頭按平順推進，不產生沖擊和抖動，鉆頭檢查長度滿足設計錨定孔的深度，鉆頭要求順暢要求高壓風檢查不存在明顯的飛塵和水體現象。同時要求對錨定孔的孔位、傾斜角和方位進行復檢，可以認為所有錨定孔的施工項目合格后，錨定孔的鉆探檢查合格。

4.7 錨索體的制作及安裝

安裝前，各鋼的光圈線應筆直，不擰叉，均勻排列，除去銹，除去油污，確保從死彎、機械損傷、銹蝕孔中去除。錨定繩在錨定端，每隔1.0m設置對中支架，將錨定繩居中，自由端每1.0m用細鐵絲綁住，要求涂抹強力防腐涂料和覆蓋。Φ20～22mm的PVC管在套管兩端10～20cm的長度范圍內用黃油填充，用外圈工程膠帶固定。錨繩防銹、防腐處理符合鐵路路基屏障結構設計規范提出的各項技術要求。錨定頭面必須垂直于錨定繩軸線。在安裝錨定繩之前再次認真檢查錨定孔號，確認無誤后，用高壓風吹孔，人工慢慢地將錨定繩放入穴內，用鋼尺測量露出孔外的電線長度，計算孔內錨定繩的長度（誤差控制在50mm的范圍內）確保鎖定的長度。

4.8 錨索注漿

漿料注入采用一次漿料注入、孔底回漿法，將自由端涂在防銹油上，蓋上波紋管，在管內注入黃油，嚴格封閉兩端，一次滿足錨定繩的錨定段和拉伸段，不能留有間隙。用試驗比選定灰漿后，確定施工配合比。實際的漿料注入量一般比理論上的漿料注入量大，或者錨定排氣孔不排出，孔口漿料溢出濃漿料作為漿料注入結束的基準。填埋結束后，將漿料注入管、漿料注入槍和漿料注入管洗凈，在施工過程中制作漿料注入記錄。錨定繩的漿料注入采用水灰比0.4～0.45的水漿料，其中錨定段遇到土質或沙土狀的強風化巖層，且富有水時，應采用二次高壓裂紋漿料注入法來提高地層的錨定力。漿料材料要求嚴格按照試驗合格配比準備材料，漿料液嚴格按照配比攪拌均勻，伴隨攪拌使用，漿料強度不低于40MPa。錨定孔的漿料注入必須采用孔底的漿料還原方法，嚴禁拔出漿料注入管或孔口的漿料注入，直至孔口充滿新鮮的漿料。當發現奧利菲斯史萊利面的下落時，必須在30分鐘內進行2～3次壓注補充史萊里，確保滿足奧利菲斯史萊利。漿料注入過程認真進行現場的漿料注入記錄，各批次的漿料注入進行漿料強度測試，樣品不得小于2組。當漿料未達到設計強度的70%時，不能在錨定筋體的邊緣上懸掛或捆綁重物進行碰撞。建議采用添加早強劑等方法，縮短工期。使用二次分流板提高地層的錨定力時，必須用漿料強度控制分流開始時間（一次漿料強度為5MPa），在二次漿料管的錨定段內設置花孔和密封，二次漿料的高壓漿料管應采用鍍鋅鐵管或鋼管。當錨定繩被拉伸并鎖定時，必須在錨定頭與自由段之間的空隙中實施填充條。[2]

4.9 框架梁（錨梁、錨腳或十字架）工程

框架梁（錨光束、錨腳或十字架光束）由C30混凝土制成。框架梁截面采用0.4m*0.4m橫梁，0.6m*0.5m豎梁截面。錨定采用C30鋼筋混凝土，根據地層的負荷力和錨定繩的噸位采用不同尺寸的錨定和壓板。首先，在基板上鋪上灰漿調整平層，制作、安裝鋼筋，使鋼筋接頭錯開，同一斷面的鋼筋接頭數不得超過鋼筋總根數的1/2，有焊接接頭的斷面間的距離不得小于1m。可以局部調整箍筋的間隔，使得錨定繩與縱梁的箍筋干涉。錨坑周圍鋼筋密集，混凝土建設應經常振動，保證質量。受壓板是預制混凝土正方形板，面板是受壓部材，受壓面積在1.0以下。×1.0m，邊長1.0m，1.2m，1.5m。

4.10 錨索的拉伸及鎖定、鎖定

漿料注入強度和傳動系統強度達到設計強度的95%以上時，在驗收測試合格后，可以進行拉伸作業。錨定支架的受壓面應平坦且垂直于錨定筋的軸方向。錨定安裝與錨定墊和千斤頂緊貼，千斤頂軸線與錨定孔和錨定筋體同軸線，必須確保負載均勻。錨定筋的張力必須采用專用設備。設備在拉伸作業前進行標識，在鎖定件、鉗子等檢查合格后可以使用。[3]拉伸時，必須詳細記錄各階段負荷的應力和拉伸量。錨定繩整體分為3級拉伸到設計負荷值，即設計負荷的25%、50%、110%，前面3級的拉伸滯留時間為5分鐘，最后一級的拉伸在灰漿設計強度達到90%以上時進行，負荷時間為30分鐘，采用拉伸應力和拉伸值的校正雙重控制伸長量控制在設計值的±1.0%～5.7%之間，不應超過最大±10%，應立即停止。查清原因后再拖延。由于本段的墻壁強度不高、承載力不大，所有的錨定拉伸應在3個階段進行，第一批的拉伸設計負荷的25%、第二批的拉伸設計負荷的50%、第三批的拉伸設計負荷的110%。6～10天后，對錨定繩的預應力損失狀況進行檢查，根據需要進行補償拉伸，拉伸最后的負荷，鎖定錨定后，在開口部實施二次漿料，確保錨定頭端孔內的漿料注入緊密。錨定繩的拉伸完成后，立即在錨定頭上密封條和錨定，外錨定頭使用與錨定腳相同編號的包絡頭，防止銹蝕破壞。錨定頭和錨定腳等間隙的泥漿補給作為錨定頭防腐的重要工序，必須認真進行。漿料補給管必須插入錨定光束的底面以下進行漿料補給，直到孔溢出為止補充漿料。對于錨定和錨定筋的露出部分，必須使用與錨定相同符號的混凝土來密封錨定。[3]

5 驗收試驗的方法與過程

驗收試驗應按等級施加負荷，起始負荷應為錨索設計負荷的30%，分級負荷值分別為設計負荷的0.5、0.75、1.0、1.2、1.33和1.5倍，考慮到本工程是墻加固的實際情況，負荷的最大值為1.2倍。在驗收試驗中，每次負荷增加1級時，必須使負荷穩定5～10分鐘，記錄位移讀數。最終級考試也必須維持10～15分鐘。當10分鐘的位移超過1mm時，級負荷還需保持50分鐘，記錄15、20、25、30、45、60分鐘的位移量，最后卸載到開始負荷，測量并記錄剩余位移量。[3]

5.1 驗收試驗的數據整理與結果判定

驗收考試的錨定符合以下兩個標準，判定為合格，否則不合格。

①從開始負荷到最大試驗負荷之間測量的總彈性位移量（即最大試驗負荷條件下的總位移量-向開始負荷卸貨時的剩余位移量）超過該負荷范圍內（最大試驗負荷-開始負荷）的錨定自由段長度的理論彈性伸長量的80%必須小于自由段的1/2和錨定段長度之和的錨定筋的理論彈性伸長值。[3]

②在最終級負載下的位移觀測期間，錨定頭的位移穩定，即，在10分鐘內位移不超過1mm，或1小時的蠕變量不超過2mm。[3]

5.2 錨定驗收考試不合格的處理

①發現一孔試驗錨定繩不合格時，增加三孔錨定繩進行驗收測試，如果再不合格，則以三倍的比例進行采樣測試，判斷不合格的錨定繩是個別現象還是普遍性總結并估計不合格錨定繩的百分比。[3]

②不合格錨定的負荷力按試驗負荷最大值的50%計算，以不合格錨定的百分之率估計錨定的實際張力和設計值的差額，并報告設計單位進行加固處理。[3]

6 取得的成果

預應力錨框架可以有機地結合高邊坂斜坡的柔性防護，不僅可以預防和治療高邊坡的崩塌，還可以美化環境，實現了工程與自然的和諧統一。通過大的噸位的預備應力錨定繩鎖定在邊緣坂體內穩定的巖體上，通過施加的預備應力可以抵抗邊緣坂體的深層變形和破壞。貼在坡面上的鋼筋混凝土框架對邊坂體表層巖土起到框架箍作用，限制表層巖土的變形和破壞。

7 結束語

本工程的錨定繩在關閉錨定前，取錨定繩總數的5%以上，抽取3根以上進行驗收試驗，最大實驗負荷是設計負荷的2倍，錨定繩在各級的荷載時間內位移和總位移量符合設計要求，驗收試驗結果錨定繩的承受力大于設計負荷時的短期錨定性能良好，表明錨定繩的施工技術和質量符合設計和規范要求。實現經濟合理、安全可靠的目標。