預應力錨固技術在巖土工程施工中的應用分析

劉宇輝

（華東冶金地質勘查局屯溪地質調查所， 安徽 黃山 245000）

近年來， 隨著我國工程建設領域規模的持續擴大， 投資方、 業主方和施工方對于施工質量、 進度和效率的要求也在不斷提高， 在巖土工程施工過程中，為提高建筑結構的穩定性， 增加巖體結構強度， 預應力錨固技術逐漸被探索應用， 有效提高了施工質量和效率。 為充分發揮預應力錨固技術優勢， 提高使用范圍， 保障巖土工程施工過程的中的安全和質量， 需要結合實際， 探索該技術的應用， 通過深入分析論證，研究預應力錨固技術的可靠性和穩定性， 對于巖土工程施工具有重要的意義。

1 預應力錨固技術理論概述

錨固技術已經是工程建設領域被廣泛熟知的防護和加固技術之一， 主要是指利用錨桿等構件對巖土土體進行加固和防護， 防止坍塌和變形， 憑借成本低、安全性高、 穩定性好等優點， 被廣泛應用于工程建設的各個領域。 隨著工程技術的發展和革新， 以及面對復雜多變的工程項目環境， 巖土工程施工對于施工要求開始進一步提高， 預應力錨固技術開始逐漸被應用和實踐， 預應力錨固技術通過事先向錨固構件施加預應力， 提高巖體的抗剪程度， 相對于傳統的支護方法， 具有很強的先進性和可靠性。

預應力錨固技術主要是由預應力錨桿和錨頭等構成， 通過向錨桿施加預應力， 再通過錨頭和錨固體的分散， 從而實現預應力的傳遞， 預應力錨固技術一般用于深基坑的支護以及隧道和邊坡的防護等領域。 在現代施工方法體系中， 該技術憑借節約施工成本， 提高施工質量等優點被施工單位廣泛應用。

2 預應力錨固技術的應用原則

2.1 實用性原則

巖土工程施工中要重視各種新技術的應用， 以及綜合分析各種施工技術的適用性， 提高工程項目施工質量。 預應力錨固技術在巖土工程施工之前， 需要現場仔細勘查工程項目環境， 收集氣候、 地質、 水文等資料， 探討分析是否適合預應力錨固技術的使用， 以及在使用過程中需要注意的問題。 由于預應力錨固技術對于環境和地質條件有要求， 施工單位需要事前進行科學評估， 提出合理性的措施和技術方案。

2.2 實踐性原則

巖土工程施工無論技術層面還是工作環境層面都較為復雜， 在預應力錨固技術具體應用之前， 需要實際勘察分析錨固技術的適用性， 全面了解在實際應用中可能存在的問題及相應的技術解決方案， 同時考慮與其他技術和設備的配合使用， 并制定詳細的施工組織計劃。

2.3 經濟性原則

在整個巖土工程施工預算中， 雖然錨固技術的資金投入相對不高， 但是仍然需要考慮最佳的經濟效益結構， 由于巖土工程施工環境復雜， 有時候需要多種錨固技術的結合使用， 因此， 在制定巖土工程施工方案時需要選擇合適的錨固技術， 從而實現經濟費用效率最高。

3 巖土工程施工中預應力錨固技術存在問題分析

目前， 雖然預應力錨固技術已經較為成熟， 但是在巖土工程施工中仍然存在一些問題需要注意和避免。 對于預應力錨固技術的應用， 首先需要正確認識和了解整個錨固系統和錨固機理。 錨固機理主要包括錨固體系本身的受力以及對巖土土體的加固效果， 在面臨復雜多變的工程環境和地質環境， 在實際施工過程中， 需要及時針對錨固流程進行適當的調整和優化。

3.1 錨固桿體的規格型號問題

錨固技術對于錨桿的桿體長度和粗細都有十分明確的要求， 錨桿長度過長， 會導致抗拔力不夠， 錨桿長度過短， 會失去支護效果， 由于我國在巖土工程施工錨固技術研究還不夠深入， 目前只有國際預應力混凝土協會規范有此規定數值， 并不適用于我國工程項目環境要求， 因此在實際施工過程中， 錨固桿體的長度具體要求， 需要進行現場試驗和連續監測， 從而確定錨固桿體的合適長度， 對于施工本身來說， 不利于施工成本和時間的節約。

3.2 錨固體系的設計問題

在巖土工程施工過程中， 錨索對于整個錨固結構至關重要， 而錨索的防腐問題又是直接影響到錨固的效果， 如果質量把關不嚴謹， 很容易導致錨固體系的失效， 從而影響整個工程進度， 因此在設計錨固體系時， 要充分考慮各種不利因素， 構建符合要求的錨固體系。

3.3 錨固系統的穩定性問題

巖土土體在錨桿的作用下， 能夠維持相對平衡的狀態， 但是受到復雜多變的環境和工程因素影響， 比如地下水的侵蝕、 錨頭變形、 震動等， 以及施加預應力的錨固系統在長期負荷狀態下容易造成預應力損失和錨桿桿體松弛， 從而影響整個錨固系統的穩定性。

4 預應力錨固體系的構建

在巖土工程邊坡防護的過程中， 預應力錨固體系的設計和構建直接影響支護結構的穩定性和安全性，錨固體系是整個支護結構的核心要素， 也是核心組件， 通過選擇合適的錨桿、 錨頭以及張拉器具等， 構建完整的錨固體系， 是預應力錨固技術在巖土工程施工中應用的關鍵。

4.1 預應力錨桿的基本構造

預應力錨桿由外錨固段、 張拉段 (自由段) 以及內錨固段等組成， 內錨固段主要包括機械式和黏結式兩種樣式， 其中黏結式內錨固段應用最為廣泛， 對環境的適應性也很強， 但是承載速度較慢， 而機械式內錨固段雖然應用范圍不大， 但是承載速度卻較快。 錨固力的產生主要依靠張拉段， 由張拉段承載和傳遞應力， 張拉段在張拉的過程中受到多種因素影響， 包括施加應力設備的重量等， 張拉段在自然狀態下是保持平衡狀態的受力條件， 只有施加預應力時才能發揮作用。 外錨固段的作用主要是起固定作用， 同時為后續相關檢測裝備和設施提供安放空間。

4.2 內錨頭的確定

內錨頭的安放位置和角度是影響錨固力大小的主要因素之一， 因此， 為了在實際施工過程中， 預應力技術能夠發揮作用， 就必須保證內錨頭的安放是精確的， 否則達不到應有的支護效果。 一般情況下， 在堅硬的巖層土體環境下， 內錨頭的使用還要滿足錨固力能夠持續提供平衡狀態的條件。

4.3 外錨頭和張拉設備的確定

隨著預應力錨固技術的廣泛使用以及對巖土工程施工要求的更加嚴格， 錨固技術在不斷的改進和完善， 其中包括外錨頭在內的多個機具也在多年經驗積累下， 形成了多種性能、 質量的外錨頭類型。 一般情況下， 需要根據施工現場條件選擇合適的外錨頭類型， 滿足安全、 經濟、 高效的使用原則， 在選擇張拉設備時， 也要考慮張拉設備噸位對張拉力的影響， 選擇合適的張拉設備， 減少錨索張拉時間， 優化張拉效果。

5 預應力錨固技術在巖土工程施工中的應用分析

5.1 項目工程概況

A市某大型水電站于1998 年建成使用至今， 由于使用年限較長， 目前存在壩體滲水以及基座發生偏移等情況， 為保證大壩壩體的安全以及水電站的正常運轉， 甲施工單位擬采用預應力錨固技術方案把壩體和壩基基座進行修復和維護， 從而保證大壩的安全與穩定。

在預應力錨固技術應用之前， 需要對相關影響因素進行排除， 包括施工現場環境進行勘察和分析、 錨固材料選擇和檢測等， 通過深入分析并記錄詳細數據， 排除各類影響因素， 并制定合理有效的防治措施， 保障施工工作的順利開展。

在巖土工程施工過程中， 工程地質環境特殊復雜， 巖土土體、 地下水以及雨水等都會對錨固技術的開展產生不利的影響， 比如巖土土體中受到雨水的作用， 會引起錨桿拉伸變形， 從而導致整個錨固結構受力的改變。 因此， 在現場施工之前， 需要認真勘察地質條件和環境因素， 針對可能引起錨固系統失效的情形制定相應的防治措施， 保障工程結構的穩定性。

5.2 錨桿桿體的安放要求

在巖土工程施工過程中， 對于錨桿的使用方法以及錨桿桿體的規格、 型號、 安放位置等都有著嚴格的規定和要求， 否則很容易導致整個錨固技術失去應有的效果。 在實際施工過程中， 根據工程特征以及現場地質環境， 選擇合適的錨桿， 并且在確定桿體及錨桿支護環境沒有問題之后， 才能將錨桿置入鉆孔， 同時放入注漿管， 為后續錨固注漿做好準備。

5.3 錨孔鉆造

錨孔鉆造的時候需要根據土層結構和地質環境等設計相應的孔洞密度， 同時需要結合精密儀器， 對孔洞的直徑、 大小以及位置進行詳細的計算和分析。 孔洞開挖之前， 需要進行測量找平， 標記好錨孔的位置之后， 用顏料、 標簽等標記物進行標記， 然后開始鉆孔作業。 在鉆孔結束之后， 要及時進行沖洗， 清理孔洞中殘留的粉末等。 全部工作完成之后， 開始進行試驗檢測， 檢測完成之后， 進行錨固桿件的安裝工作。

5.4 鉆桿沖洗

鉆孔作業是錨固技術應用的一項重要工作， 而鉆桿沖洗又直接影響到鉆孔作業能否順利實施。 在鉆孔作業時， 鉆桿沖洗會影響鉆造的質量和效果， 在巖土工程施工中， 由于巖層土體較為堅硬， 為保障鉆桿能夠鉆入孔洞， 對于沖擊鉆機， 通常利用洗氣法對鉆桿進行沖洗， 能夠達到很好的沖洗效果。 除此之外， 對于旋轉式鉆鑿， 水沖法更為合適， 水沖法能夠使得巖土土體和灰漿相互之間產生較強的黏性， 但是水沖法對于土體地址條件要求較為苛刻， 在實際使用之前，需要對巖層進行勘測， 避免因為鉆桿沖洗方式不合理導致巖體結構的失穩。

5.5 預應力錨索施工

在本工程施工中， 選擇采用高性能、 高強度鋼絞線， 直徑16.15， 強度1700mpa， 選擇使用 XM15 型錨具， 在施工前通過施加預應力為標準值的1.1 倍， 進行抗拉拔試驗后沒有問題即滿足使用要求。

錨索擴張材料使用直徑為1cm鋼板制作， 自孔底由下往上進行注漿作業， 在注漿之前使用0.3mpa的壓強注滿注漿塞， 強度達到20mpa后即可開始進行注漿。 錨索的自由段管內使用特殊材料鋼絞線， 同時使用黃油熱縮管進行包裹， 為了防止錨索在孔內位置偏移， 用焊接機對擴張件和注漿管進行焊接， 同時錨固段15m鋼絞線要保證不被污染， 在管外需要每隔1m焊接一個定中件。

錨頭混凝土墊板使用C20 鋼筋混凝土， 在強度達到25mpa后開始進行錨索的預應力張拉， 在張拉完成之后對錨頭兩端進行涂塑或者油漆進行防腐處理。

5.6 噴錨混凝土施工

在需要支護的工作面使用噴錨混凝土C30 噴射混凝土護面， 厚度為100mm， 內部含直徑為6mm的鋼絲網， 型號為20cm×20cm， 錨桿使用直徑22mm的螺紋鋼筋， 長度約500cm， 鉆孔使用水灰比為0.6 的水泥砂漿噴注， 并按照1mx1m的方格網進行布置。

鉆孔按照施工設計圖確定位置， 利用液壓鉆機進行鉆孔， 鉆孔的仰角方位根據巖石的縫隙、 孔洞等綜合來定， 一般情況下鉆孔仰角應該與構造成孔保持垂直狀態。

使用m30 混凝土， 水灰比0.6 的普通硅酸鹽水泥進行注漿， 抗壓強度值為26mpa， 同時為了保證注漿注滿， 在注漿之前還應該清理干凈鉆孔， 防止存在孔隙。 錨桿安裝應采用直徑為25cm的螺紋鋼筋， 先安放在已經注漿完成的錨桿孔內， 再留出約8cm的長度至于錨桿孔外面， 用來噴錨掛網。 噴錨混凝土使用C30 混凝土， 厚度約8cm， 在噴錨前先清洗護面， 并保持表面清潔、 無污染， 進行 “干法噴射”， 在混凝土凝固后兩小時， 灑水保濕， 保證護面在14d 之內保持濕潤狀態。

5.7 預應力錨固技術工程造價分析

由于水電站壩體和壩基結構較為特殊， 為了確保在巖土工程施工中的安全和質量， 在本工程施工中需要采用逆作法技術進行施工， 首先是通過自上而下的事先施加預應力錨索， 再進行噴錨施工作業， 進行動態監測變形情況， 詳細記錄數值， 最后通過專業化、信息化的技術裝備， 實現預應力錨固技術安全高效的使用， 避免土方坍塌的風險。 預應力錨固技術和傳統護面加固技術相比， 不但能夠滿足對于護面加固的要求， 又能加快工程進度、 減少建設投資， 充分體現了預應力錨固技術的先進性和適用性。 預應力錨固技術在施工過程中主要的工程量數據和施工單價信息如表1 所示。

表1 主要工程量數據及施工單價信息

6 結語

目前， 預應力錨固技術經過多年發展， 技術已經較為成熟， 在巖土工程領域應用也更加廣泛， 為推動建筑行業健康持續向上發展提供了有利條件。 在實際施工過程中， 利用預應力錨固技術可以解決傳統施工技術的缺點和不足， 提高邊坡穩定性和安全性， 同時能夠降低企業施工成本， 提高施工質量。 但是巖土工程施工通常面臨的工程環境比較復雜， 在實際應用之前， 需要仔細勘察分析預應力錨固技術的可行性和適應性， 確保施工任務能夠順利完成。