深厚碎石土覆蓋層預應力錨索施工技術研究

高 強, 舒 媛, 林 思 波

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610036)

1 概 述

國道G317線起點為四川成都,終點為西藏阿里地區噶爾縣。G317線獅子坪水電站改線公路K230+970 ～ K231+350路段邊坡由于其自身地質條件較差,在暴雨等因素影響下,該段邊坡近年來持續變形、已經嚴重危及到其下方G317國道的暢通及附近居民的人身財產安全。建設方最終決定采用“預應力錨索+框架梁+排水孔”的方法對其進行加固治理。

設計單位在Ⅰ區中后部區域分2級增加了6排錨索,單根錨索由6束Φ15.2 mm、1 860 MPa級無粘結鋼絞線組成,錨索設計噸位為750 kN,錨索長度分為60 m和65 m兩種,共計576根。框架梁采用3 m×3 m形式。根據現場情況酌情增加了坡面仰斜式排水孔,用于疏導地下水。該工程合同計劃工期為3個月。

本次待加固區域的坡體略有起伏,兩側略高,中間略有下凹,強變形區坡體順直,坡度約為44°。斜坡上巖體厚度極大,成分以崩坡積碎石土為主,滲透性較好,其巖土界線相對較陡,約為32°,覆蓋層下部發育角礫層且該層粉粒含量較高,力學性能相對較差。本文闡述了錨索施工遇到的難點及采用的施工技術。

2 錨索施工的難點

2.1 成孔施工難度非常大

該工程錨索設計長度為60 m和65 m兩種,錨固段長10 m,屬于深孔錨索。對于邊坡覆蓋層錨索鉆孔主要采用跟管鉆進,根據以往多個類似工程的施工經驗,覆蓋層錨索的跟管深度一般在40 m以內最為合理、經濟。但因該工程的跟管深度超過40 m且含有大量、分布不均的孤石,極大程度地增加了跟管施工的難度。孤石的存在容易導致跟管過程中出現卡鉆、管靴斷裂等孔內事故,進而造成施工工效降低、成本增加,甚至影響到工程質量。

2.2 錨索施工安全風險高

根據設計文件,本次待治理坡體長期處于勻速變形狀態,變形量約為5～10 mm/d,其后緣及兩側已經形成貫穿性裂縫,坡體在天然工況下已處于欠穩定狀態,暴雨工況下處于欠穩定與不穩定狀態。錨索施工期間將投入大量的人力及設備物資,由于荷載的增加,將進一步惡化邊坡的穩定性。因此,確保錨索施工期間的安全是該工程的重點和難點。

2.3 錨索施工工期緊、任務重

由于該工程屬于應急搶險工程,合同工期僅為3個月,考慮到前期施工準備、框格梁施工、質量檢查及工程驗收,其有效施工時間僅為75 d,錨索日鉆孔強度達476 m。在實現成本控制目標的前提下,如何快速、有效成孔是實現該工程節點工期的關鍵。

3 施工技術方案的選擇

傳統的覆蓋層錨索成孔施工多采用偏心錘跟管鉆進[1]輔以固壁灌漿[2]成孔,但該方法工效低、灌漿量大、卡鉆及套管起拔困難、廢孔率高。為解決上述難題,通過引入勘查工程中常用的多級鉆孔[3]工藝、厚壁內外粗絲螺紋套管、同心跟管鉆具及爆破工藝,實現了深厚碎石土崩坡積覆蓋層錨索快速成孔。

該技術方案采用“孤石靜態爆破[4]+地層預判+覆蓋層多鉆具(偏心錘與同心鉆具)跟管聯合鉆進+基巖段釬頭鉆進+分體液壓三頂式頂管機頂拔套管”核心工藝,先進行地層鉆探,再根據鉆探情況預判地層,大致掌握地層內孤石分布的深度與數量以確定覆蓋層采取偏心錘跟管鉆進或同心跟管鉆進工藝,進入基巖面后,更換釬頭鉆進,直至終孔。

4 預應力錨索的施工

4.1 地層預判

在大面積錨索鉆孔施工前,采用大扭矩的錨固鉆機按照30～50 m2的范圍選取一個錨索孔兼做勘探孔,采用偏心錘跟管鉆進。若能跟管至覆蓋層與基巖面交接處,則該區域內的錨索首選偏心錘跟管鉆進工藝;反之,選用同心跟管鉆進[5]工藝。

4.2 淺表層孤石解小

鉆孔前,對裸露在外的淺表層孤石進行解小處理,以減少后續錨索跟管施工的難度,同時為修建錨墩或框架梁提供一個較為平坦的建基面。由于該邊坡為蠕動體,采用常規炸藥爆破將進一步惡化邊坡的安全穩定性,故選用靜態爆破方法解小孤石。表層孤石現場解爆情況見圖1。

爆破孔布孔前需要先確定至少一個臨空面,鉆孔方向應盡可能做到與臨空面平行。臨空面越多,單位破石量越大。切割巖石時,同一排鉆孔應盡可能地保持在一個平面上。孔距與排距的大小與巖石硬度有直接關系,硬度越大,孔距與排距越小;反之則大。根據邊坡外露巖石的單軸飽和抗壓強度設計出的炮孔布孔間距為20～30 cm,呈一字型布置。

爆破孔采用YT-28手風鉆風動沖擊成孔,孔徑為50 mm,巖石鉆孔深度為待解小孤石體厚度的75%～85%。成孔后,在孔內裝入靜態爆破劑,按水∶藥劑=1∶3的配比拌制藥劑,迅速倒入孔內。藥劑下入孔后立即在孔口加上30 cm長的膨脹鋼楔堵孔,堵孔一定要密實。每次裝填藥劑時都要觀察并確定巖石、藥劑、拌和水的溫度是否符合要求。灌裝過程中,對于已經開始發生化學反應的藥劑不允許裝入孔內。

4.3 鉆孔

(1)測放孔位。錨索孔孔位采用GPS測量儀定位,錨索孔位的偏差不得大于設計要求的允許偏差。鉆機方位角采用DQY-1A地質羅盤測量,鉆機傾角采用WR400數顯角度尺控制。

(2)鉆孔要求。錨索孔方位角的偏差不得大于2°,孔斜度不得大于孔深的2%,終孔孔深不得欠深且不大于設計深度30 cm;終孔孔徑不得小于設計孔徑10 mm。

(3)鉆孔。采用YXZ-70或YXZ-90型液壓錨固鉆機造孔。對于有條件的區域可以采用HM-90A履帶鉆機造孔。覆蓋層鉆孔根據地層預判結果選用偏心錘跟管或同心跟管聯合鉆進工藝。偏心錘跟管鉆進采用Φ127 mm偏心錘跟管鉆具,同心跟管鉆進采用Φ146 mm三翼同心跟管鉆具,基巖段采用Φ110 mm釬頭沖擊成孔。套管采用內外螺紋1 cm厚的厚壁地質套管,套管間采用絲牙連接。覆蓋層和破碎巖層采用跟管鉆進的方式,而對于完整的基巖則采用釬頭鉆進。

鉆孔過程中,孔斜的控制采用粗徑鉆桿加設扶正器,施工過程中使用測斜儀檢測孔斜。

4.4 清孔

鉆孔結束時,連續不斷地用高壓風徹底清理孔內的沉渣及積水,鉆孔清理干凈后方可安裝錨索。

4.5 錨索的編制及安裝

4.5.1 錨索的編制

(1)鋼絞線按照實際鉆孔的深度下料。下料前檢查鋼絞線的表面,對于有損傷的鋼絞線不得使用。

(2)沿錨索的軸線方向:自由段每隔1.5 m設置對中隔離支架,錨固段按0.8 m的間距設置對中隔離支架。

(3)錨索的鋼絞線按規律編排并綁扎成束,每根鋼絞線的長度必須一致。

4.5.2 錨索的安裝

(1)錨索運輸過程中必須防止錨索發生彎曲和損傷,對組裝好的錨索進行編號。

(2)錨索下索前,再一次對鉆孔進行通孔檢查,對于孔中的塌孔、掉塊應清理干凈,不得欠深。

(3)安裝前應對錨索體進行詳細的檢查,檢查排氣管的位置是否準確和暢通;核對錨索編號與鉆孔號。

(4)在將錨索體推送至預定深度后,檢查排氣管和注漿管是否暢通,否則應拔出錨索體、排除故障后重新安放。

4.6 套管的起拔

套管頂拔采用的拔管機為分體、液壓三頂式拔管機,拔管機的起拔力為200～400 t。拔管機采用分體式結構,由液壓站、油缸、底座、內卡座、外卡座、自鎖裝置組成,其結構輕巧、組裝便捷;頂拔時三個液壓千斤頂同時傳遞頂拔力,使其受力更均勻,起拔力更大。

套管的起拔由專人負責施工。起拔時不得帶出已下入孔內的錨索。起拔時,應隨時觀察液壓站壓力,避免油壓超高發生油管爆裂。對于拔出來的套管,應及時對連接部位進行清洗并涂抹潤滑油后整齊存放。

4.7 錨索注漿

(1)錨索安裝后應及時注漿,采用水灰比為0.45∶1的水泥凈漿進行灌注。

(2)注漿采用SGB6-10型高壓灌漿泵注漿,注漿全程采用三參數記錄儀進行記錄。

(3)錨索下索后、外錨墩混凝土澆筑之前,在孔口封閉后進行全孔一次性注漿,待錨索張拉檢查合格后進行封孔回填注漿。

(4)錨索屏漿壓力為0.6～0.8 MPa。注漿結束后,若孔道內漿體不飽滿,則需進行補充注漿。

4.8 錨墩的澆筑

錨索的錨墩尺寸必須符合設計要求。錨墩混凝土采用強制式拌和機現場拌制、溜槽配合人工下料入倉,ZN50插入式振動棒振搗密實,澆筑完畢及時灑水加以養護。

4.9 錨索的張拉及鎖定

(1)張拉程序。錨索張拉程序為:張拉設備校定→分級理論值計算→錨固段注漿體和錨墩混凝土強度檢查→張拉機具安裝→單根鋼絞線預緊→整索分級張拉→鎖定。

(2)張拉設備。單根預緊錨索采用YDC-240QXB型液壓千斤頂;整體張拉的千斤頂選用YCW-200型液壓千斤頂;張拉動力由ZB4-400油泵提供。

(3)張拉。①待注漿體和錨墩混凝土抗壓強度達到設計強度要求后方能進行錨索的張拉。②單根鋼絞線的預緊應力為150 kN。每根鋼絞線進行兩個循環的預緊,要求兩次預緊的伸長值小于3 mm,且每根鋼絞線的伸長值不得小于理論值的10%。③整束張拉分4級進行,按設計永存張拉力的50%、75%、100%和115%進行張拉,每級持荷時間為5 min,最后一級持荷穩定觀測20 min即可鎖定。④在錨索鎖定后的48 h內,若錨索應力下降到設計值以下10%時則需進行補償張拉。

4.10 外錨頭保護

錨索張拉鎖定后,為防止外錨固部件外露,使用切割機切去工作錨板以外多余的鋼絞線,用環氧砂漿對錨頭進行保護。對需要長期應力監測的錨索外錨頭使用金屬帽進行保護。

4.11 安全監測

為確保施工安全,該工程實施期間連續對滑坡體安全穩定及施工用排架進行安全監測,根據監測結果指導工程施工。

(1)滑坡體的安全穩定監測。施工期滑坡體的安全監測工作主要為施工區域及毗鄰的施工邊緣地帶,共布置監測剖面線5條,其中在施工區域布置監測剖面3條,施工區邊緣地帶布置監測剖面2條。鑒于滑坡的過程是漫長而緩慢的,如果不借助儀器觀察僅憑肉眼極難發現,故該工程采用了先進的GNSS監測技術用于地表位移監測,極大程度地提高了施工期間的安全。GNSS地表位移監測是利用GNSS和計算機技術、數據通信技術及數據處理與分析技術進行集成,通過對不穩定滑坡體、地面塌陷及地面沉降等部位進行實時數據采集、分析地表變形數據以實現對多種地質災害表面的形變位移監測,達到了從數據采集、傳輸、管理到變形分析及預報的自動化,再到遠程在線網絡實時監控的目的。其主要由GNSS天線、太陽能電池板、主控制機箱和安裝支架組成。

本次滑坡體安全監測共布置一體化GNSS地表位移監測站[6]16套,一體化裂縫自動監測站6套,無線預警廣播1套,實現了滑坡體區域安全監測24 h不間斷、全覆蓋。

(2)施工排架的安全監測。錨索施工用排架在其使用期間必須按照設計要求進行安全監測,項目部分別在排架左側、中部、右側三個斷面選取9根橫桿布設監測點,采用卷尺測量錨桿與腳手架橫桿的距離,用全站儀對橫桿與錨桿的垂直距離進行觀測,以判斷排架和邊坡是否存在位移變形;同時選取三根立桿安設應力傳感器以監測其應變。施工排架安全監測的頻率按照每班不少于2次進行控制。若遇大雨等惡劣天氣,則需加強監測頻率。

該工程錨索施工通過采用“孤石靜態爆破+地層預判+覆蓋層多鉆具跟管聯合鉆進+基巖段釬頭鉆進法”對所遇到的深厚崩坡積碎石土覆蓋層進行有針對性的治理,取得了良好的施工效果和經濟效益。滑坡體治理施工整體效果見圖2。該工程采用該工藝共計完成錨索576束,鉆孔36 560 m,相較傳統跟管鉆進或固壁灌漿施工其孔斜合格率達到100%,套管一次起拔率達98%,套管完好率為95%,節約工期21 d,節約成本62.9萬元人民幣,取得了良好的社會與經濟效益。

圖2 滑坡體治理施工整體效果圖

5 結 語

深厚覆蓋層錨索施工的重點和難點在于錨索成孔,其成孔質量的好壞及快慢往往決定了錨索施工工期及成本是否受控。傳統的覆蓋層錨索成孔施工采用單一直徑的偏心錘跟管鉆進及固壁灌漿鉆進,該方法存在工效低、跟管深度淺、孔內事故頻繁、施工成本高、環境污染大等缺點,愈發不適應錨索施工需要,尤其不適用于應急搶險處治工程,迫切需要一種更加高效的錨索成孔方法。獅子坪水電站改線公路沙壩段應急搶險治理工程錨索成孔采用“孤石靜態爆破+地層預判+多鉆具聯合鉆進”核心工藝,取得了良好的效果。通過對地層提前預判及淺表層孤石靜態解小,為采取何種跟管鉆具進行錨索成孔提供了有力的支撐,降低了跟管鉆進的難度。同心跟管鉆進和偏心跟管鉆進工藝的聯合應用,很好地解決了覆蓋層傳統跟管鉆進存在的深度淺、卡鉆頻繁、套管易斷裂等難題,所取得的經驗可供類似工程參考。