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高边坡锚杆(索)加固工程的监控

摘要 介绍福建山区高边坡锚杆(索)加固工程的典型工程地质特征,单孔复合(压力分散)型锚固法的简单机理,锚杆(索)施工过程中的监控程序,以及在施工中遇到特殊情况的处理办法。 
关键词 高边坡 锚杆(索)加固 质量监控
1 前言
  三福高速公路SA6-SA13合同段位于三福高速公路福建省尤溪县境内,起止桩号为K191+000~K250+555.5,全长为59.5km。该路段不良地质路堑边坡多,相对高差均在30~80m左右,最高达到103m,岩石破碎,裂隙发育,易产生滑塌现象。据统计,本路段共有145个坡面需进行高边坡锚杆(索)加固处理,锚杆(索)一般位于2~7级坡面上,主要工程量总计为锚杆171160/11411m/孔,锚索125921/6296m/孔。
  施工图审查结束后,业主组织对高边坡进行了专项设计复查,共对117处边坡的设计进行了修正,并确定了17处高边坡为特别跟踪动态设计部位。由于高边坡防护工程数量大,特别是锚杆(索)数量大,且其成败直接影响到今后高速公路的运营安全,因此如何做好路堑高边坡防护加固工程监控,特别是如何做好锚杆(索)的施工监控,成为该路段监理工作的重点内容之一。
2 自然地理和区域地质条件
  路段地处戴云山脉北部,属中低山丘陵地貌,地势总体上呈首尾高、中间低;地形切割较为强烈,沟谷多为"V"字形,地形陡峭,植被茂密;为亚热带海洋季风气候,温和湿润,雨量充沛,平均气温18.9°,极端最高气温40.5°,最低气温-7.6°;年降雨量1665.4mm,3~9月为雨季,丰雨季节为5~6月份,旱季为10月至次年2月份,全年无霜期300天,霜期为12月中旬至次年2月下旬;沿线水系发育,主要有尤溪及其支流华兰溪、鸭坑溪、吉木溪、新岭溪及其支流等,水力资源丰富,次级沟谷内多常年性流水,流量一般较小,但雨季水量骤增,常形成突发性洪水,对公路建设具有一定的危害。
  项目地处闽东中生代火山断坳带,受区域构造政和至大埔断裂带及清流至连城断裂带的影响,塔兜、卢头隔等断层及次级构造与路线相交,但不构成危害性影响。路线经过地层主要为侏罗系凝灰熔岩、碎斑熔岩及砂岩,次为燕山期花岗岩,受地质构造影响,裂隙较发育,全至强风化层厚度较大;第四系残坡积粘性土、砂质粘性土主要分布于山坡表层,第四系全新统冲洪积砂性土、亚粘土、砂砾及漂石、卵石、淤泥质土等主要分布于沟谷及山间小盆地等地势低凹地带,厚度均不大。
  总体上,项目区地质构造相对稳定,尚未发现大的滑坡、坍塌等不良地质现象,工程地质条件尚可。但侏罗系梨山组沉积岩地层倾角较缓,整体风化不均,软硬相间,在地表水的作用下路堑边坡易产生坍塌;南园组火山岩残坡积厚度较大,对高边坡的稳定亦不利,局部曾产生小型滑坡。
3 单孔复合(压力分散)型锚固法的机理
  单孔复合锚固系统是由同一个钻孔中安装几个单元锚杆(无粘结钢绞线),而每个单元锚杆(索)有自己的杆体、自由长度和固定长度,而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶施加的,并通过预先的补偿张拉而使所有单元锚杆(索)始终承受相同的荷载。当单元锚杆(索)的固定长度很小,而不发生粘结效应逐步弱化成"脱开"的情况下,能最大限度地调用锚杆(索)整个固定长度范围内的地层强度。此外,使用这种锚固系统的整个锚固长度理论上是没有限制的,锚杆(索)承载能力可随固定长度的增加而提高。
  当锚杆(索)的固定段位于非均质地层中时,可以合理调整单元锚杆(索)的固定长度,即比较软弱地层中单元锚杆(索)的固定长度应大于比较坚硬的地层中的单元锚杆(索)的固定长度。而这样就能使不同地层强度都能得到充分利用。
  本路段设计的压力分散型锚索,设计钻孔直径130mm,锚索长度为18~43m,由三个单元无粘结钢绞线组成,锚固长度8~15m,设计张拉力为600~750kN,注浆采用R425纯水泥浆,水灰比0.4:1,注浆采用孔底返浆法。
4 锚杆(索)加固工程监理程序
  (1)在接到"开工申请单"后,专业监理工程师应到现场进行实地勘察,了解锚索(杆)加固工程坡位的地质特征。
  ① 确定工程部位的地质构造。
  详细观察工程部位的地质构造,有无断层通过和坡面滑动迹象;观测坡面岩土层的裂隙发育情况,岩层及裂隙产状;判断引起坡体滑动的后缘控制面和主滑面的裂隙产状,形成前缘出口的裂隙产状和产生边坡松弛的结构产状。
  ② 初步确定锚固段地层层位。
  观察边坡各级(从路基开始,一级一级往上观测)土层和风化岩强度的变化,详细划分坡面的岩土类型,估算坡残积土、土状强风岩、块状强风化岩、弱(中)风化岩、微风化岩的厚度和深度,初步确定锚固段所处地层层位。
  ③ 了解地下水赋存。
  根据山区地形特点,一般三级坡以上无地下水赋存,一、二级坡内块状强风化~微风化岩由于裂隙发育,有基岩裂隙水赋存,往往会影响锚孔钻造的施工,因此应考虑合理的钻造工艺,相应采取措施。
  (2)掌握设计依据和设计目的。
  应详细对设计施工图件进行分析,了解设计孔深、锚固段长度、锚孔倾角、设计拉力等,锚固段地层是否是在该坡松弛结构面以下或坡体滑动的后缘控制面以下,以达到锚固效果。
  (3)锚孔钻造施工的现场监控。
  监理工程师依据3.1、3.2程序,并对现场设备和材料(包括钻机、空压机、脚手架、注浆机、钢绞线、注浆管以及配套材料与配件)、施工队伍资质和主要人员施工简历、施工组织、工艺流程、质保体系和安保体系的建立等进行审查,已具备开工条件的情况下,批复开工报告,进行各锚孔钻造。在施工过程中,主要检查的内容有:
  ① 检查孔位处坡面坐标和标高是否经测量检测,放样拉线是否平直,要求标记各孔孔位,孔位纵横误差<50mm,标高误差<100mm;
  ② 锚孔钻造机安装倾斜度是否与锚孔设计倾角相等,误差为±1。(用地质罗盘量测);
  ③ 锚孔钻造脚手架是否牢固,各部分螺扣是否紧牢;
  ④ 钻孔钻进采用无水干钻,严禁用水钻进;
  ⑤ 详细观测记录岩土层深度并进行岩土命名,分坡残积土、土状风化岩、块状强风化岩、弱(中)风化岩、微风化岩的钻孔深度(从吹出的岩粉判别);
  ⑥ 钻孔深度应大于设计深度0.5mm;
  ⑦ 达孔底深度后,稳钻1~2分钟或更多时间,防止孔底尖灭,达不到设计孔径,同时使用高压空气将孔内岩粉及水体全部清除出孔外,保持孔内干净。
  ⑧ 钻孔检查采用尺检钻头直径,计数标准钻杆根数,检查孔径、孔深、复查锚孔孔位、倾角和方位。
  (4)锚筋制安的现场监控。
  ① 锚杆(索)编束检查。
     当采用锚杆(钢筋)作为锚筋体时,锚杆组装前钢筋应平直,并经除油和除锈处理合格。预应力锚杆钢筋主要采用精扎螺纹钢,锚杆接头要求采用专用锚杆连接接头,自由段刷防锈油漆,涂脱水黄油,外套塑料管,自由段与锚固段分界处,应缠绕胶布进行固接和密塞处理,缠绕长度两侧不得小于100mm;并检查锚杆长度、锚固段长度、锚杆型号是否符合设计要求。
     当采用钢绞线或高强钢丝作锚筋体时,由于本路段锚索为压力分散型锚索,制安时监控的内容如下:
  a 检查锚索长度,锚索编束全长应大于设计长度1.5~2.0m;
  b 检查锚固段长度,锚索编束后,每股长度误差不大于50mm;
  c 检查承载体,用45号钢材,厚度>20mm,承载体捆扎应用双重捆扎,在承载体下方加一钢垫板,用螺杆固定牢固,三个承载体间距要等于锚固段的1/3;并抽检挤压套、挤压簧的挤压强度,单根连接强度>200KN;
  d 检查隔离支架,隔离支架用塑料支架,留有一定的保护层注浆间距,锚固段间距≤1.0m,自由段≤1.5m,并用铁丝绑扎牢固;
  e 检查注浆管,注浆管强度应达注浆泵压要求,从隔离支架和承载体中心通过,管头置于导向帽内(导向帽用钢管制作),并用铁丝固牢,防止安锚时脱落孔底;
  f 检查钢绞线,钢绞线要平直,无损伤(有损伤时应用防水胶布缠绕封密),承载体上下不能裸露钢绞线,有裸露处应用防水胶布缠绕封密。
  ② 锚索(杆)安装
  a 锚索(杆)运输、吊装,应细心操作,不得损伤锚筋体和移动各组成部件;
  b 锚索(杆)安装时,应保持顺直,顺利下到孔底,严禁抖动、扭转、串动,防止散束,锚杆禁止敲击;
  c 尺量锚筋外面长度与设计孔深差为制锚长度与设计长度之差,允许偏差50mm;
  d 压力分散型锚索孔外三组标记清楚,一般用不同颜色油漆标记,防止张拉时补偿错误。
  (5) 锚孔注浆的监控。
  锚孔注浆时应进行旁站,必须采用孔底返浆法,严禁抽拔注浆管,无返浆或中途输送泵故障、高压管破裂等应及时报废返工,第一次注浆出井口,第二次补浆也应流出,若时间长或水泥用量大,需经专业工程师确定。出现异常,同时要请示设计代表,共同制定处理方案。注浆时间原则上是锚孔钻造后24h,需延长时间由专业工程师确认。若采用二次高压劈裂注浆,注浆管在编束时应在锚束另绑扎一根注浆管,在水泥浆体强度达到5.0MPa时进行。
  (6) 锚索(杆)地梁、框架的监控。
  ① 锚索(杆)地梁、框架的制作。
  地梁、框架均于现场浇筑,并满足以下要求:
  a 钢筋接头需错开,焊接头截面之间的距离不得小于1m;
  b 钢筋砼地梁或框架中的立柱埋入平台地面标高以下不小于0.5m,用C25号砼浇注;
  c 锚索(杆)、波纹管、锚垫板地梁应置于中心位置,框架应置于立柱与横梁交叉中心位置,锚索(杆)方向应与锚孔方向一致,锚垫板应垂直锚孔方向;
  d 钢筋安置平整后,模板安装要牢固,接缝平顺,再进行现场浇注、振捣,防止漏浆、倒模;
  e 框架应分片施工,两相邻框架横梁、顶梁接触处留20mm伸缩缝,用浸沥青木板或泡沫板填塞。
  ② 进行锚索(杆)、框架、地梁检验。
达到锚索(杆)孔位符合设计要求,预留长度满足张拉要求,外观顺直、美观,无麻面及跑模现象。
  (7)锚索(杆)试验监控。
     锚索(杆)试验分基本试验和验收试验,必须进行全过程旁站,试验设备必须标定。
  ① 基本试验每坡应不少于3孔,施工前由监理工程师根据岩土情况选定孔位,按规范要求分级进行。压力分散型锚索,预张拉后,根据锚索各单元差异伸长量和差异荷载,分单元补偿差异荷载后再按规范进行分级张拉,直至破坏。发现异常,及时采取措施,找准差异原因,向设计代表和总监办汇报试验情况或共同研究处理方案。
  ② 验收试验孔数为边坡锚孔数的5%,但不少于3孔,试验方法同基本试验,试验最终拉力值为设计拉力值的150%。在分级张拉时,发现异常,必须请示设计代表和总监办,共同研究,确定解决办法,防止将锚索(杆)破坏。
  以上两试验由承包单位写出试验指导书和试验报告,由监理签署意见后,再进行工作锚的张拉、锁定、封锚工作。
  (8)张拉、锁定、封锚的监控。
  监理应进行旁站,张拉、锁定必须采用专用设备,作业前进行标定,所用锚具为专用锚具,并要有送检报告书。锁定拉力值为设计拉力值的110%,其张拉步骤同试验分级进行。压力分散型锚索,预张拉后分单元补偿差异荷载,张拉至设定张拉荷载后,持荷10~15min,进行自动锁定。锚孔封锚,采用机械切割余露钢筋,留长10cm。用纯水泥浆注满垫板及锚头各部分空隙,用20MPa砼按设计要求制模封锚。
5 特殊情况处理
  在锚索(杆)施工全过程中,经常会出现各种特殊情况,应根据实际情况和个人经验,进行果断处理。 
5.1 锚孔钻造特殊情况处理
5.1.1 锚孔坍塌处理
  边坡岩石裂隙发育,或有断层通过,或已滑塌边坡,锚孔钻造时或完成后,经常会出现孔内坍塌、掉块,难以钻进等现象。如YK194+300-400右坡三级,坡面为块状强风化砂砾岩,裂隙发育,岩石均有移位,坡内裂隙多条,最宽达0.5m,于3、5、8、9、15、21、25m孔深出不等均有出现,钻进难度大,一次难以成孔。该边坡采用钻进8m后,用粘土和水泥封闭再重新钻造,再遇裂隙掉块再封闭、再钻进的办法进行了处理。当然,如果材料充足,可采用扩大一级孔径,用套管跟进的办法处理更好,但费钢材,成本大。
5.1.2 卡钻或断钻头于孔内的处理
  锚孔钻造时,卡钻现象经常发生,当卡钻发生后,应加大空气压力,将岩粉吹净,钻具减压提升和下降、慢转,一般经过反复活动能处理好。断钻头和钻具采用多种工具进行打捞,尽量将其取出,若打捞不上来,只有重钻新孔。如K244+610~810右坡第二级钻造时钻头断于孔内,无法打捞,经请示设计代表同意,在原孔位置将设计20°的钻孔改为22°钻进,至孔底。需注意的是倾角改变量不宜过大,经过计算不遇原钻头处即可。
5.2 注浆过程特殊情况处理
  注浆时严禁抽拔注浆管,必须从孔口返浆,若遇特殊情况应果断处理。
5.2.1 设备、注浆管故障处理
  在注浆时,一般一个锚孔注浆时间为15~20min,平均每孔0.33~0.45m3,水泥用量9~13袋。
  如K244+610~810右坡第三级12号孔,上午9:25开始注浆至11:30,水泥用量仅14袋,因水泵故障,外注浆管爆裂,时间过长,因此将锚索拔出,重新钻造、安锚。15号孔,下午4:50~7:10,外注浆管爆裂4次,未注满,同样将锚索拔出,重新钻造、安锚。25、26号孔注浆,注浆时间超过2个小时,仍未注满,将锚索拔出来,又拔不动,最后在靠近锚索下方,加大该锚孔倾角,重新钻造新锚孔,安锚注浆处理。
5.2.2 裂隙宽而长,注浆量大处理
若遇岩石破碎、裂缝等,注浆量大,最多一孔达80t水泥以上,如K192+920~K193+100右坡,正在移动,平台裂缝宽20~25cm,进行36号孔浆时,20t水泥未注满,后采用两孔、三孔轮流注浆,共50t水泥将36、37、38三孔注满至孔口返浆。
  如K192+700~900右坡注浆,在注浆38号孔时,注浆时间1h,孔口未返浆,发现从39号孔流出。处理办法,停止38注浆,注39孔,到其返浆后,停止一定时间,再将38注满返浆,水泥用量为设计用量的7.05倍。
5.3 试验中特殊情况分析
  在进行K211+300~560右坡三孔基本试验时,其钢绞线均有送检合格报告。但当试验拉力达780~1173kN时,第一单元长度大的均先断裂。分析原因是第三单元(最短)已被拉动。部分第二组亦拉动,经过对该处试5-3号孔试验,当试验拉力936KN时,第一组断一根,结果拉第三单元,将第三单元拉出27cm。分析原因为第三单元均在土状强风化岩中,自由段未注浆,第三单元承载体和2.6m水泥柱无压力,被拉动,同样,第二单元也处于土土状强风化岩中,也被拔出,试验孔设计孔深仅20~22m,而工作锚索为28~33m,工作锚锚固段均在块状强风化~弱风化岩中,试验孔虽未达设计要求,而工作孔经验收试验均能满足要求。
5.4 锚索边坡滑塌处理
  一处六级边坡,进行第三级锚孔钻造时,边坡三级平台顶裂隙宽20~25cm,每天位移2~5mm,采用快钻造、快注浆、快制地梁的措施,注浆结束后停止位移,地梁7天后进行张拉,在终张拉锁定时,随着吨位的增加,裂缝缩拢,宽度明显减小,有的合缝,最宽的25cm已合拢至10cm左右,有明显效果。另有多处高边坡施工时开裂出现滑塌征兆,均采用快速施工加临时预张拉办法,保持了边坡的稳定性。
6 结束语
  高边坡锚索(杆)加固工程是福建山区高速公路重要关键工程之一,锚索(杆)加固工程的监理也成为监控制台工作的一项重要内容,同时本路段首次应用压力分散型锚索先进技术,提高了山区高边坡的稳定性,对保证高速公路长期安全和正常运营有着积极的意义。
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