陶余苗 （合肥工业大学建设监理公司）
张吾霞 （合肥工业大学建设监理公司）
【摘要】 随着高速公路建设的迅猛发展，我省的高速公路逐渐向山区延伸，对高边坡稳定采用锚索技术深层锚固岩体边坡已经越来越普遍。本文结合目前我省在建的铜汤高速第七合同段的施工，对锚索桩预应力锚索的工作原理和关键施工工序控制作一简要介绍。
【关键词】预应力锚索 工作原理 施工工序 控制
一、 应力锚索的工作原理
1.1 锚索桩设计简述
锚索桩是高挖方路段为了减少对原状土体的和减少挖方数量，保护耕地面积和保护生态环境而设计的一种特殊挡防结构。是抗滑桩和预应力锚索的力学性与经济性的有机组合，主要解决破裂面至土体临空面（桩内侧面）之间破裂土体的稳定。其作用原理是：依靠对锚索的张拉预应力F，用锚具锁定在桩身上，锚索产生的反作用力F '通过桩身传递到破裂土体，使破裂土体在外力作用下稳定。锚索预应力一头靠锚固段承受，另一头靠桩身承受，中间穿过破裂土体。
1.2 预应力锚索分锚固端、自由端和张拉端
1.2.1 锚固段
锚固段为锚索通过破裂面伸入稳定土体内的孔段，靠砂浆与钢绞线的粘结，砂浆与孔壁的粘结，使孔周稳定岩体成为承受预应力的载体。
1.2.2 自由段
自由段是锚索穿过被稳定破裂土体，连接锚固段和张拉段的索体部分（孔段）。自由段锚索钢绞线要能自由伸缩，通过对锚索的张拉，使自由段钢绞线产生弹性变形，从而产生预应力传递到锚固段。
1.2.3 张拉段
是锚索实现张拉和锁定的部位，包括斜托、钢绞线、锚具、封头的桩身外侧面部分。是锚索段反力的承载体。通过对锚锁的锁定，使自由段钢绞线产生弹性变形，从而产生预应力传递到锚固段。
二、 铜汤高速公路第七合同段锚索桩的施工
位于K130+650处的1#高边坡长约75m，左侧山体设置锚索桩、锚固桩及桩间土钉墙，最大桩长28m，悬臂段为25m，锚索最大长度为25m，桩身断面尺寸为1.0m×3.0m。该路段沿南北向一侵蚀冲沟右侧行进，属构造侵蚀单斜低山地貌区。相对高差20~50m，自然坡度为20º~50º。
每根锚索桩上设置1~4排锚索，锚索长度为22~25m，锚固段长度均采用8m，锚索孔径为130mm，每根锚索采用10φ15.24mm钢绞线制作而成，钢绞线采用高强度低松弛钢绞线，其抗拉强度不小于1860Mpa，锚索自由段采用塑料套管隔离防护，暴露部分需做防腐处理，锚索孔全孔范围内采用C35水泥浆灌注，注浆压力为0.6-0.8Mpa，锚索下倾角为15º。桩井开挖均设置锁口，在桩身一定范围内设置护壁。
在施工时尽量避免雨季施工，并应首先作好截、排水沟的施工。在桩井开挖过程中，需跳桩开挖，避免相邻两桩在开挖爆破时造成对岩层的破坏；作好每根桩岩石柱状图以备查阅。桩井一旦开挖随即施工锁口和护壁确保质量和安全。在桩井开挖过程中，对桩井的平面位置，桩井的竖直偏位（倾斜度），桩井的尺寸应随时检测，如发现倾斜度等不符合设计要求，应立即进行修正，避免造成质量隐患。应避免超挖，超挖后更不能回填虚土。桩井成型后需清除桩井中松散岩石、浮土。（平面位置、桩井倾斜度等借鉴桥梁规范JTJ041-2000要求）。
在锚索桩钢筋的加工及安装中，应主要控制受力钢筋同一截面的接头数，搭接长度和焊接接头质量应符合规范要求，并控制钢筋的混凝土保护层达到设计要求。
混凝土所用的水泥、砂、石以及水和外加剂的质量必须符合有关规范要求。按规定的配合比施工，桩身砼应一次性连续浇筑，不得形成横竖方向施工缝，不得出现露筋和空洞现象。在混凝土浇筑过程中锚索孔可预埋PVC管来预留且位置必须精确到位。
待全部桩身混凝土达到设计强度后，再分层开挖桩前土体并及时施工预应力锚索体系。开挖时每级分层高度不得大于3m。
预应力锚索的施工工艺见下图：
造 孔
制锚索
下锚索
灌 浆
制作斜氏加锚具JU
第一次多级张拉
第二次多级张拉
锁 定
封 头
造孔与制锚为平行作业，其后工序依次进行。
施工的主要机具包括：锚索孔钻孔、空压机、搅拌机、注浆机、张拉设备和发电机，其他配套的辅助机具设备如切割机、电焊机、对焊机等；还需配足足够钢管架、扣件搭设钻机的工作平台。
2.1 造孔
钻锚索孔的技术要求保证孔深、孔径和锚孔的下倾角符合设计要求，所以需用专用锚索（锚杆）钻机。锚索钻机有国产及进口两大类型。
进口机以瑞典阿斯拉斯锚索机和日本YBM锚索机为代表。机械性能好，但价格昂贵，并且无法在高空作业时使用，故采用国产钻机；国产锚索机以无锡探矿机械总厂MD-50型及GX-1TD型钻机为代表，国产机价格较低，较为轻便，配套钻杆及零配件容易购得，在陡坡地段架设钢管搭设钻机进行造孔时，机器易搬运至钻面上。
无论国内国外锚索钻机都采用风动凿岩钻进工艺，需配备大型空压机，一般以容量17~23m3/min风压为1.2Mpa为宜。风动凿岩效率较高，一般地段钻进可达16~20m/台班。
施钻作业，要求定位准确，保持下倾角的稳定；故在定位钻孔过程中应随时观测钻孔方向是否偏位，钻孔方向有所偏差，直接影响锚索的受力，所以应随时修正钻孔方向。
当钻进过程中锚孔坍塌时解决的方法有二：一是注浆加固待浆体达到一定强度后在钻进；二是采用跟管钻进，无锡探矿机械总厂生产的新型MD-50型钻机能自动跟管钻进。
钻进中不断采用高压风吹出岩粉及石渣，以保证孔壁干净，以利于锚固段注浆体同岩壁之间很好的粘结，每个钻孔要求超过设计深度的0.5m，以防施钻到最后岩土屑沉落孔底而使孔深不足。
2.2 锚索制作及安装
锚索由若干束钢绞线排列成同心状环布，中间为灌浆管，为增大锚固段锚索与水泥浆的结合力，每间隔1.5m分别设紧箍环及隔离架一个，使锚固段钢绞线呈藕节状（或称枣核状），以增大锚索与水泥砂浆的结合力。锚索外套设定位片，使钢绞线能在钻孔内居中，使锚索和水泥浆与孔壁形成一个整体。锚索头焊上定制钢锚头，下锚时起导向作用，故又名“导向尖锥”。
自由段的钢绞线不能水泥浆粘结，自由段锚索用聚乙烯塑料套管隔离防护，以满足钢绞线的自由伸缩，水泥浆只能使套管和孔壁粘结成一体，以满足钢绞线的自由伸缩。在制锚时，对此段钢绞线先做除锈处理，再涂刷特种防腐剂，保护钢绞线，再涂刷黄油并套用内径φ20聚乙烯管和外界隔离。
锚索中间设φ22注浆管，根据经验，一般在注浆管近孔底处多开几个小孔，使其成为花管，避免注浆时浆液压流不畅。
2.3 灌浆
灌浆是铆索成功的的关键工序之一。水泥浆强度为C35，注浆管位于锚索中心，其下端靠近孔底；注浆时，自孔底采用0.6~0.8Mpa注浆压力进行有压注浆。有压注浆能达到孔内浆液饱满，还可以将孔壁周围细小裂缝、岩缝充填密实，所以实际所用的水泥浆量是大于锚孔内体积的，待水泥浆冷却产生一些收缩，要在孔口段补注浆使其饱满。水泥浆强度达到70%以上才允许张拉，所以也是控制工期的因素之一，当工期特别紧张时，可加入适量的早强剂或提高水泥浆的标号。关键要保证锚固段锚索和水泥浆的粘结，注浆体与孔壁的粘结，所以钢绞线要除锈，注浆强度达到设计要求，注浆要饱满。
2.4 斜托制作
斜托用以放置锚圈，锚索产生的反作用力要靠斜托支持和传递，因此斜托的施工质量是保证锚固体系正常工作的关键工序之一。
C35钢筋混凝土制作要精细，混凝土的强度要保证，要振捣密实，并养护待其强度达到70%后方能承受预应力张拉。
斜托混凝土应紧贴桩身，不能有空隙，斜托面应与锚索垂直，以保证锚索在张拉时其受力在同一轴线上，斜托面应平整，锚圈和钢垫板之间、钢垫板与斜托面之间平面要紧贴密合。
2.5 张拉、锁定
2.5.1 根据设计钢绞线张拉力计算伸长值
钢绞线采用φ15.24mm 高强度低松弛钢绞线，每孔10束，抗拉强度为1860Mpa，公称面积A=140mm2，破坏荷载F=бA≧260.4kN。K130+650处的1#高边坡处锚索桩每孔设计最大张拉力为1000KN，则每束钢绞线控制张拉力为FK=100KN，要求超张拉15%，则钢绞线伸长值：
△l=FK×1×115%/EA
l—— 自由段加张拉段长度
E——钢绞线弹性模量
2.5.2 千斤顶、液压油泵百分表的标定
为保证精度，使用前要对千斤顶、液压油泵进行校订，张拉时采用油表读数反应的张拉力和钢绞线伸长值双重控制，以确保张拉力符合设计要求，并作好张力记录。
张拉一般分为预张拉、第一次二级张拉、第二次多级张拉。
预张拉的目的是为了将钢绞线由自然状态转入调直、绷紧状态。预张拉为控制应力的5%，一般采用小千斤顶张拉。
第一次张拉一般分为两级进行，每级稳定时间不少于10分钟。
第二次张拉一般在第一次张拉后4~5天进行，一般分为三级进行，最后一级张拉应超张拉15%。
超张拉完成后，立即用自锁式夹片锁定于锚具上。
张拉时应每根循环分次逐级张拉，且应对角对称进行。
在山体正中，桩长最长、锚固段埋置最深处（锚索最长）埋设BHR1500传感器，用EMS-1锚索预应力测量仪检测锚索应力的变化。
2.6 封头
用切割机切除多余的钢绞线，浇注封头C15砼。
2.7 锚索桩桩间设置土钉墙
土钉采用φ25Ⅱ级螺纹钢，长度采用6m，间距1.25m，正方形布置，土钉孔需垂直开挖坡面，孔径采用100mm，孔深较钉长0.15m，孔内灌注C35水泥浆，注浆压力不小于0.2 Mpa，土钉与钢筋网点焊连接。在该段锚索桩桩顶上设喷锚网护坡，钉长3.0m，纵横间距1.5m。钢筋网采用φ8钢筋制作成间距20cm的方格网。
土钉施工包括定位、成孔、置筋、注浆等工序。成孔工艺及方法与土层条件、机具设备和施工单位的经验有关。在该段施工中，基岩为泥岩、砂岩互层。土钉要在脚手架上施工，且钻孔长度较短，在机具上尽量选择重量轻，易操作及搬运的凿岩机。
在置筋前，用鼓风机将孔内残留及扰动的废土清除干净。为保证钢筋在孔内的位置，在钢筋上每隔2~3m焊接一定位架。
土钉注浆可采用注浆泵或水泥浆泵灌注，浆液采用C35水泥浆，用搅拌装置按水灰比1：0.45左右搅拌，再采用注浆泵或灰浆泵进行常压或高压注浆。为防止水泥浆在因硬化过程中产生干缩裂缝，提高其防腐性能保证浆体与周围孔壁的紧密粘合，可掺入一定量的膨胀剂，具体掺入量由实验确定，以满足补偿收缩为准。为提高水泥浆的早期强度加速硬化，可掺入一定量的速凝剂或早强剂。
三、 结束语
现锚索桩已施工完毕，经过BMS-1锚索预应力测量仪检测，锚索应力均达到设计要求。25m高度直边坡稳定，桩没有产生明显位移，桩身、锚索体系工作效果良好
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