黔東南復雜地質(zhì)條件高邊坡預應力錨索應用與探討

彭磊PENG Lei

（中鐵十五局集團有限公司，上海200070）

0 引言

“十四五”以來，貴州高速公路建設持續(xù)保持高位運行，截止2021 年 11 月，貴州省高速公路綜合密度繼續(xù)保持全國第一，高速公路不斷向山區(qū)深處延伸，但由于貴州復雜的水文地質(zhì)條件，全區(qū)域基本都位于易滑巖組區(qū)，高速建設受到地質(zhì)、地形及技術指標嚴格限制，建設過程中不可避免出現(xiàn)了大量高填深挖邊坡，邊坡地質(zhì)風險日益攀升。平均每年全省營運高速公路汛期排查發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害點約為1600 處。如何有效提高邊坡耐久性、品味性、兼容性，并處理好邊坡與構筑物的協(xié)調(diào)共生關系是當前行業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)，也是亟需解決的平安百年瓶頸。

本文依托貴州劍河至黎平高速公路項目，采用分析設計意圖、核對實地水文地質(zhì)條件、調(diào)查走訪當?shù)厝罕?、動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)等方法，對高邊坡預應力錨索施工過程及發(fā)揮效果進行實地應用分析，并提出改進意見。

1 高邊坡預應力錨索的應用

1.1 工程概況 劍黎高速公路項目地處黔東南地區(qū)，山高谷深、比鄰水源保護區(qū)且板巖地質(zhì)特征突出，線路內(nèi)存在由殘積層、風化巖石、坡積物、巖溶崩塌堆積等構成的堆積體，沒有外力影響時基本處于臨界狀態(tài)，若因建設需要對其進行局部開挖，遭受卸荷松弛和雨水淋濾，其結(jié)構即會迅速破壞，強度快速下降，將出現(xiàn)大范圍的變形失穩(wěn)，形成堆積體邊坡擾動帶。鑒于堆積體固有的塊體松散、易于滲水、施工擾動快速失穩(wěn)的特點，堆積體段施工“宜跨不宜挖”。由于地形陡峻，巖質(zhì)軟硬不同、巖層厚薄不同的砂巖、礫巖、頁巖、石灰?guī)r呈互層或夾層分布，特別是施工中深挖方破壞了巖體應力平衡，易誘發(fā)山體滑坡、崩塌等邊坡災害。

為了高邊坡施工期及運營期穩(wěn)定可靠，設計采用了抗滑樁、擋土墻、預應力錨索錨桿等防護措施，如圖1。其中本標段預應力錨索共有13087m。按錨索內(nèi)拉筋和水泥漿體傳力方式的不同，可將錨索分為拉力集中型錨索、壓力集中型錨索、荷載分散型錨索，其中荷載分散型錨索又可分為拉力分散型錨索、壓力分散型錨索、拉壓分散型錨索。以下介紹承壓板式壓力分散型錨索的施工要點，錨索采用無粘結(jié)鋼絞線，鋼絞線和錨固體之間用PE 管隔離，鋼絞線底部通過擠壓套固定在承壓板上，頂部通過錨具固定在墩座處，如圖2。

圖1 邊坡防護類型使用頻率（貴州在建高速不完全統(tǒng)計）

圖2 承壓板式壓力分散型錨索示意圖

1.2 錨索體制作安裝 錨索下料應整齊準確，誤差不大于±50mm，按需預留張拉端長度。該錨索為壓力分散型錨索，采用無粘結(jié)高強度低松弛鋼絞線，對鋼絞線不同單元和鋼筋錨接頭進行醒目可靠的標記。下料還應注意各單元錨索長度是不同的，本段錨索長度為20m、22m、24m，故自由段長度分別為 15m、17m、19m，錨固段長度L1、L2、L3均為5m。

擠壓套、擠壓簧安裝準確，擠壓頂推進應均勻充分，施工中嚴格控制鋼絞線擠壓套擠壓工藝，并抽樣3%進行檢測，確保單根擠壓強度不低于200kN。組裝承載體時應定位準確，擠壓套通過螺栓在承載體和限位片之間栓接牢固。架線環(huán)間距為1.0～1.5m，應準確定位、綁接牢固，錨孔孔口位置必須設置一個架線環(huán)。注漿管穿索安裝準確定位，綁扎結(jié)實牢固，應深入導向帽5～10cm。導向帽可點焊固定于最前端承載板上，并應留有溢漿孔，保證孔底返漿。所有的鋼質(zhì)部分均應均勻涂刷防腐油漆。

錨筋體擺放順直，不扭不叉，排列均勻。錨筋體安裝時按設計傾角和方位平順推進，嚴禁抖動、扭轉(zhuǎn)和串動，防止中途散束和卡阻。安裝完成后，不得隨意敲擊錨筋或懸掛重物。

1.3 錨孔注漿 錨孔鉆造完成后應及時進行錨筋體安裝和錨孔注漿，原則上不得超過24 小時。錨索注漿采用水灰比0.4～0.5 的純水泥漿，漿體強度不低于40MPa，其中錨固段遇土質(zhì)或砂土狀強風化巖層且富水時應采用二次高壓劈裂注漿法來提高地層錨固力。錨孔注漿必須采用孔底返漿方法（注漿壓力一般為2.0MPa 左右），直至孔口溢出新鮮漿液，嚴禁抽拔注漿管或孔口注漿；如發(fā)現(xiàn)孔口漿面回落，應在30 分鐘內(nèi)進行孔底壓注補漿2～3 次，確?？卓跐{體充滿。當采用二次劈裂注漿提高地層錨固力時，以漿體強度控制開始劈注時間（一次注漿體強度為5MPa），需在二次注漿管的錨固段內(nèi)設花孔和封塞，二次注漿的高壓注漿管應采用鍍鋅鐵管或鋼管。注漿材料加入聚丙烯腈纖維（PAN），摻入量為每方 1.8～2.0kg（纖維抗拉強度不小于700MPa）。

1.4 錨索張拉 在注漿漿體與臺座混凝土強度達到設計強度80%以上時，方可進行張拉鎖定作業(yè)。按總數(shù)的5%且不得少于3 根的錨索進行多循環(huán)張拉驗收試驗，按總數(shù)的95%的錨索進行單循環(huán)張拉驗收試驗。

在全部工程錨索經(jīng)抽樣進行驗收試驗并符合上述有關規(guī)定和要求條件后，方可按照有關設計要求張拉鎖定程序進行張拉鎖定和封錨工作。錨索正式張拉前，應取10～20%的設計張拉荷載，對其預張拉1～2 次，使其各部位接觸緊密，鋼絞線完全平直。張拉分級系數(shù)mi 為0.25-0.5-0.75-1.0-1.1，每級持荷時間為2～5min，超設計1.1 倍張拉持荷時間為10～20min。

錨索采用高強度、低松弛無粘結(jié)預應力鋼絞線，其標準強度Rby=1860MPa。錨索張拉控制力P=450*1.1=495kN，各單元錨索長度分別為L1=20m，L2=15m 或L1=22m，L2=17m 或 L1=24m，L2=19m 或 L1=26m，L2=21m 或L1=28m，L2=23m（設計張拉力P 一般均需超張拉至110%，Ln 為n 單元的長度，每單元由兩根錨索組成），設定鋼絞線彈性模量E=1.95×105MPa，單根鋼絞線截面面積A=140mm2，以錨索長20m 計算為例：

伸長量：

ΔL1 =（P*L1）/（E*A） =123750*20000/195000/140 =90.7mm

ΔL2=（P*L1）/（E*A）=123750*15000/195000/140=68mm差異伸長量：

ΔL1-2=ΔL1-ΔL2=90.7-68=22.7mm

差異荷載增量：

ΔP1=E*A*ΔL1-2*2/L1=195000*140*22.7*2/20000=61971N=62kN

表1 千斤頂和油壓表對應關系標定值

據(jù)千斤頂與油壓表檢測數(shù)據(jù)一次線性關系，可得其一次線性方程：y=13.377x-2.2231（y：負荷，kN；x：壓力表值，MPa）

表2 相應張拉力時油表讀數(shù)

1.5 應用效果 壓力分散型錨索有多個錨固單元，每個單元承擔一部分荷載，使最大粘結(jié)應力相對小、應力分布范圍廣、相對均勻，相對于拉力集中型錨索能夠充分利用錨固長度內(nèi)的底層強度，充分發(fā)揮注漿體抗壓不抗拉的特性，提高了錨索的耐久性。缺點是，施工工藝比較復雜，實際施工中注漿效果不理想，漿液中往往混有少量泥土，導致承壓板附件的注漿體被壓碎，影響錨索的支護能力。

2 高邊坡預應力錨索應用中存在的主要問題

2.1 成本至上 在PPP 為主流建設模式的背景下，大部分項目成本控制漸成唯一導向，勘察設計作為控本的強力手段，被成本控制所綁架。邊坡防護費用從初設伊始就被天然壓縮，大部分建設項目隨著工程深度的不斷推進，抱著“垮哪補哪”的態(tài)度被動追加邊坡防護費用，基于成本控制的“擠牙膏式”費用追加規(guī)律極為明顯，但綜合變更成本其實更高，這種“投資就必須見效益”的PPP 管理理念對勘察深度和設計方案的選擇產(chǎn)生了極其深遠的負面影響。

2.2 勘察深度不足 失去勘察的設計是沒有靈魂的，然而受制于技術手段單一、人員素質(zhì)低下、勘察周期急迫、經(jīng)費投入不足，往往導致“勘不出、勘不準、勘不實”的情況，技術上僅采用調(diào)繪、鉆探等常規(guī)手段，現(xiàn)場地質(zhì)編錄人員流動性較大、水平參差不齊，勘察設計工期壓縮嚴重，高速公路勘察工期一般控制在1～3 個月，只有鐵路行業(yè)的一半不到；勘察設計費用也偏低，據(jù)悉高速公路勘察費用約為5800 萬元/百公里，僅為鐵路勘察費用的二分之一，必要的勘察投入無法得到保證，必然導致后期大量的變更，目前高速公路平均每百公里邊坡變更費用高達2100 萬，不難預見變更數(shù)量、數(shù)額跟勘察周期存在較強的相關性，妄想通過“壓縮勘察成本來實現(xiàn)總體控本”的想法殊為不智。

2.3 點錨、條錨式濫用 高邊坡防護工程中錨固工程應用較多，以框架錨索運用最為普遍，因造價低、工期短、施工便利，框架錨索衍生出十字點錨、地梁錨、井字錨等多種形式，但部分設計單位無視現(xiàn)場實際地質(zhì)條件、生搬硬套，造成了點、條錨的濫用。某處滑坡區(qū)上覆為殘積、坡積碎石土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)飛仙關組（T1f）砂質(zhì)泥巖，強風化層砂質(zhì)泥巖、碎石土結(jié)構較為松散，在松散巖土體坡面采用十字錨索進行加固，不能充分發(fā)揮錨索反力的有效性，有悖于錨索預加固的理念，造成邊坡滑塌的必然發(fā)生。

2.4 同級邊坡多元化防護 邊坡工程的防護形式多樣、作用不一，防護形式的有效組合固然有降本增效的優(yōu)點，但在同一級邊坡綜合使用時更應深入考慮風險性和可實施性。但是同級邊坡不同的防護形式，對組織、工藝、機械設備、人員均有不同要求，需要生產(chǎn)要素的多次投入，過程成本增加，施工亦極為不便；另外，勘察工作的深度需要充分的支撐依據(jù)。若結(jié)合邊坡特點，將同一形式的防護（如框架錨索）單元間距適當進行調(diào)整，也可同樣達到節(jié)省造價的目的，盲目采用這種“一級邊坡多種防護”的形式可能會適得其反。

2.5 施工中問題頻發(fā) 防護工程中錨索施工質(zhì)量問題最多，幾乎囊括所有工序：施工方案中錨索作業(yè)支架計算未考慮水平推力（鉆孔設備造成），鉆孔記錄顯示終孔時仍處于強風化巖層與設計要求不符，鋼絞線未按設計要求采用無粘結(jié)鋼絞線，使用有粘結(jié)鋼絞線的自由段未涂抹防腐油脂或油脂不飽滿，錨固段長度與設計不符，注漿強度未檢驗，框架鋼筋安裝與設計不符，無鋼筋保護層確保措施，錨墊板安裝角度隨意，未施工錨斜托，鋼絞線張拉采用單根張拉方式與設計要求不符，隱蔽工程質(zhì)量追溯性差。

3 預應力錨索施工中好的做法

增加鉆探量，采用“空、天、地”綜合勘察手段：綜合利用衛(wèi)星遙感、無人機、雙管單洞鉆探、EH4 大地電磁法物探等方式，長周期的精細化勘察作業(yè)，為選線提供有利的依據(jù)、為防護形式補強提供支撐基礎、極大的降低工程地質(zhì)風險。大力推行邊坡機械化施工，采用自行登高式錨桿鉆機、挖機裝配式鉆孔設備，保障風險可控；建立邊坡坡口開挖線多方復檢制度，保障開挖坡率可控；強化工序銜接組織管理，保障逐級開挖、防護、綠化秩序可控。

4 邊坡防護發(fā)展方向探討

4.1 健全監(jiān)測預警體系 近年來，高速公路地質(zhì)災害的危害性日益凸顯，監(jiān)測預警作為地質(zhì)災害風險減緩的重要措施之一，逐漸受到重視。但當前市場自動化監(jiān)測應用普及率并不高，一是基于成本控制，施工階段的監(jiān)測手段基本上以施工單位人工自測為主；二是自動化監(jiān)測存在滯后性，通常并未結(jié)合施工同步開展監(jiān)測工作；三是目前沒有自動化監(jiān)測技術的統(tǒng)一標準，監(jiān)測預警預判亦是參差不齊；四是監(jiān)測預警信息未有效集成運用。

4.2 打造智慧邊坡 重點從“規(guī)劃協(xié)同推進、把牢建設階段轉(zhuǎn)換關口、狠抓勘察設計源頭、構建全壽命周期系統(tǒng)、踐行綠色低碳理念、完善評價指標體系、開展科研創(chuàng)新公關、嚴守質(zhì)量安全紅線、推動市場良性發(fā)展、集成山地邊坡經(jīng)驗”等十方面內(nèi)容著手，采用北斗高精度定位與時空智能技術，精準感知、實時監(jiān)測、智能分析、在線監(jiān)控、預警預報、人技聯(lián)防和全流程閉環(huán)處置的邊坡風險管理體系，進一步提升邊坡可靠性與安全防護能力，推動實現(xiàn)邊坡綠色及數(shù)字化賦能，構建智慧邊坡體系。在設計中就坡體及工程結(jié)構的感應設施、設備進行細化設計，做到同步設計、同步施工、提前運營，實現(xiàn)“聯(lián)動”；在規(guī)劃實施過程中應考慮新老基建融合發(fā)展、集約共建，在對象邊坡處預留電力接引、5G 基站站址、通信管道等條件，做到“路通、電通、網(wǎng)通”，使感知體系完全適應各種應用場景；構建在建高速公路邊坡大數(shù)據(jù)中心，成規(guī)模、成體系的開展邊坡大數(shù)據(jù)應用，通過先期量的積累、完成后期質(zhì)的提升，最終實現(xiàn)山地邊坡的智慧化升級，可分區(qū)域、分類型、分氣候?qū)吰屡R界狀態(tài)進行診斷，提前進行預加固，實現(xiàn)本質(zhì)安全。

4.3 開展科研創(chuàng)新攻關，推動工藝轉(zhuǎn)型升級 以創(chuàng)新驅(qū)動高質(zhì)量發(fā)展，針對錨索現(xiàn)有工藝預應力層層損失的特點，開展錨索工藝微創(chuàng)新升級攻關。當前現(xiàn)場加工錨索的情形較為普遍，但多出現(xiàn)油脂不飽滿、膠套破損、自由段和錨固段長度控制不到位等情形，可將錨索納入鋼筋加工廠或小構廠統(tǒng)一集中加工，此外針對框架十字點處配筋復雜的特點，將十字點處框架鋼筋籠也納入統(tǒng)一加工，用定制鋼筋籠適配無法移動的錨桿（索）點位，推動邊坡防護的裝配式施工。推廣塑鋼模板以保證框格梁外觀線形可控，推廣無粘結(jié)鋼絞線以減少預應力損失，推廣挖機裝配錨桿鉆機以淘汰主線邊坡支架施工。

5 結(jié)語

預應力錨索通過盡可能少地擾動被錨固巖土體，由錨固段提供預應力，有效地提高了被錨固巖土體的穩(wěn)定性，是一種高效、經(jīng)濟的巖土加固技術，已廣泛地運用于邊坡的加固防護。但是，也必須看到從勘察開始就被壓縮的費用投入，勘察手段的應付差事，防護形式的錯誤使用，施工建設期的偷工減料，運營期的被動追加投資與邊坡?lián)岆U，如此種種環(huán)節(jié)的推諉扯皮、利益拿捏，愈發(fā)顯得構建智慧邊坡的勢在必行，為此，需要行業(yè)上下游各方聯(lián)動，共筑品質(zhì)邊坡。