压力分散型锚索施工工法.docx
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压力分散型锚索施工工法
压力分散型锚索施工工法
工法编号：
GZSJGF07-03-04
中铁隧道集团二处有限公司何峰张昌伟许维青
一、前言
压力分散型锚索是在不同长度的无粘结钢绞线末端套以承载体和挤压套。
当锚固段注浆固结后，以一定荷载张拉对应于承载体的钢绞线，设置在不同深度部位的数个承载体将压应力通过浆体传递给被加固体。
这样，对在整个锚固段范围内的被加固体提供分散的锚固力。
与通常的拉力锚及压力锚相比较，压力分散型锚索的锚固范围及所提供的锚固力显著增加，对岩层的应用范围进一步扩大，减少了破碎岩体中的扩孔工作，能最大限度地减少破碎地段的挖方刷坡，并具有施工工序简化、抗震性能好的优点。
二、工法特点
1、锚杆的根部荷载大，孔口荷载小，可以将边坡表层不稳定体锚定在地层深部，有效地利用了内锚固段。
同时，分散布置的内锚头又避免了锚固应力集中分布状况，使锚固段应力分布更趋于均匀。
2、浆体受压，加大了被锚固体的受压范围，使锚固体和被加固体能够提供更高更稳定的锚固力，因而对软弱地层适应性强。
3、杆体采用无粘结钢绞线，具有很高的防腐性能，减少了普通钢绞线施工时涂油工作，节省了人力，减少了对环境的污染，并可进行二次补偿张拉，有效地延长了锚固体的寿命。
4、安装锚索后可一次性全孔注浆，简化了注浆工序。
5、可以最大限度地减少破碎岩体的挖方刷坡，以较小的投入即可达到理想的加固效果，成本低、效益高，在深基坑加固中较其它加固类型可节约投资20%左右。
三、适用范围
1、适用于工业与民用建筑、矿山建设、地下洞室、高陡边坡、基坑支护、坝基、大型弧门闸墩的加固。
2、适用于各类岩层及可拆除的深基坑土层加固，加固深度可达60米。
尤其对内锚固段岩石强度偏低的围岩地层或要求大吨位锚固力时更具有优越性，提供锚固吨位可达3000KN。
3、适用于滑坡体的加固治理，但应通过可靠的地质勘测手段确定滑动面位置，确保内锚固段设置于稳定的岩层之中。
四、工艺原理及关键技术
（一）工艺原理
压力分散型锚索是在不同长度的无粘结钢绞线末端套以承载体和挤压套，通过孔口设置的锚垫墩施加预应力，设置于不同深度部位的数个承载体将压应力传递给被加固体。
压力分散型锚索加固岩体是基于无粘结钢绞线预应力筋的自由伸缩而将所施加预应力传递于承载体上，然后通过承载体对浆体的挤压而起到加固锚固体的作用。
（二）关键技术
本工法的关键技术为：
设置在不同深度部位的数个承载体的施工。
1、钻孔
（1）进行现场地质调查，根据岩层破碎实际情况进行钻机比选及确定钻孔过程中合理的辅助措施。
钻机以风动潜孔钻及轻型地质钻机为主，对破碎地段则采用偏心钻头跟管钻进或注浆固结二次成孔等辅助措施。
常用钻机在不同岩层中的适用情况参见表1。
常用钻机对不同岩层的适用情况表表1
序号
钻机型号
可钻孔径
（mm）
适用钻杆
Φ（mm）
配用
冲击器
适用岩层
备注
1
YG60
100-200
73、89
CIR系列
各种岩层
可跟管钻进20m，跟管钻进时选用偏心钻头
2
MG-50A
76-250
73、89
CIR系列
中、硬岩
可跟管钻进24m，跟管钻进时选用偏心钻头
3
MD-50
80-150
73、89
CIR系列
中、硬岩
可跟管钻进20m，跟管钻进时选用偏心钻头
4
YG-2A
75-600
73、89
CIR系列
中、硬岩
地质钻
5
QZJ100B
85-105
73、89
CIR系列
完整软岩
松散地段采用螺旋钻杆
（2）确定钻进技术参数
钻进技术参数主要指风量、风压、钻压。
风量一般要求17m3/s，以确保排除岩屑及石粉；风压选择0.5～0.7Mpa；钻压以钻头落在石质上发出清脆声音为准：
普通钻头钻进时钻压一般控制在8～10KN为佳，如选用偏心钻头，钻压一般控制在13～15KN为佳。
（3）钻进施工
①清理坡面，搭设作业平台。
②按设计孔位编号进行现场布设，岩面用红油漆标明孔号，对观测锚索及试验锚索作特别标记。
③安装钻机、确定孔位方向及倾角，使钻机安装严格达到“正、平、稳、固”。
④开孔前核对孔位、孔向、倾角，检查活塞运动是否灵活，检查冲击器工作是否正常、钎头的磨损程度、外径是否合乎口径的要求、确定钎头有无整孔进尺的能力。
进尺0.3m左右时重新校正一次钻机的位置，并量好该孔的机前距离，若发现钻机与孔位有明显的移位和异常现象，则重新调准钻机的位置和方向。
（4）钻孔过程中辅助施工措施
①注浆固结二次成孔：
对于岩体破碎，透水率q＞1Lu时，固结灌浆分段进行，段长一般控制在5～6米，对于大渗透地段适当掺加部分水玻璃等化学浆液。
②对于岩体过于松散破碎，但又属于石质，因注浆而造成浆液流失过大时，则采用潜孔钻跟管钻进。
若岩体破碎层覆盖较厚而造成跟管长度过长时，在套管上加工梅花孔眼，以确保注浆效果及锚固质量。
对可拔除的套管，利用拔管机或直接利用潜孔锤反冲起拔。
2、注浆
（1）注浆设备的选择
根据施工任务及注浆压力要求，锚索注浆选择UBJ2挤压式注浆泵（注浆压力0～1.5Mpa，排浆量30L/min）和BW200/50注浆泵（工作压力P＝0～5Mpa，排浆量10～200L/min）。
浆液搅拌设备采用普通搅拌机搅拌，同时根据浆液的凝胶时间，一次搅拌水泥浆量不小于0.3m3，搅拌时间不小于2min。
注浆管采用耐压50Mpa的高压胶管，管口采用快速接头以保证注浆速度。
（2）浆液的配备
选用普通硅酸盐水泥，并对水泥中的氯盐含量严格分析，确保选用水泥的氯盐含量在0.1%以内。
对于冬季施工的锚索，要考虑到水泥浆的冻胀泌水而引起的结石收缩，注浆时掺入适量的微膨胀剂。
（3）注浆施工
采用有压灌浆，终孔注浆压力≥1.2Mpa，且对靠孔口10米的自由段采取循环注浆，直至回浆浓度与进浆浓度相同后才结束灌浆。
3、锚索张拉
以金丽温25m锚索为例，锚索结构示意见图1。
（1）张拉设备的选用
根据BSM锚具的特点，并结合设计锚索承载力，千斤顶选用YCW-100t型和YCW-200t型（张拉行程200mm）；油泵选用ZB-500电动油泵，额定工作压力50Mpa，额定流量4L/min。
（2）张拉理论及计算（计算图示意见下图——图2）
考虑到各单元锚自由伸长长度不同，为保证各单元锚的受力均匀，防止某单元锚因应力过大造成破坏，张拉时必须考虑各单元锚在同荷载下因自由长度不等而引起的伸长值差。
各单元锚的伸长值计算：
各单元锚杆的承载力T=Td/n
式中：
Td---设计复合锚承载力；n---每个复合锚内的单元锚杆数
各单元锚杆的伸长量δi=T×Li/（Es×As）
式中：
Li---单元锚杆的自由长度；T---各单元锚杆的承载力
Li=锚具厚度+锚垫板厚度+垫墩轴心厚度+2×（锚固段+自由段）+弯曲段长度-2×铁头半径
Es---预应力筋的弹性模量；As---预应力筋的截面积。
由此得出各单元锚间位移差：
Δ1-2=δ1-δ2
Δ2-3=δ2-δ3。
（3）张拉施工
首先对各单元锚因自由段长度不同而引起的伸长值不同进行补偿，补偿张拉1单元：
张拉力T1=Δ1-2×Es×As/L1；张拉（1单元+2单元）
张拉力T2=Δ2-3×Es×As/L2+T1+Δ2-3×Es×As/L1
在完成各单元锚的补偿张拉后，开始同时张拉（1+2+3单元）：
因1、2单元均已采用补偿张拉，故三个单元同时张拉，采用逐级加载。
逐级加载力分别为设计荷载的0.3、0.5、0.7、0.9、1.1倍进行，前四级荷载停留时间5分钟，最后一级荷载停留10分钟。
五、施工工艺流程
压力分散型锚索施工工艺流程见下图（图3）：
六、施工要点
1、钻孔施工要点
（1）开孔前检查供气管路是否连接牢固、是否有漏风现象，检查钻机安装是否能达到“正、平、稳、固”，检查钻杆及供风管路是否畅通，以防堵塞潜孔锤。
（2）钻进施工中严格按照钻进技术参数作业，严禁为求进度而擅自修改钻进参数，以防出现折断钻杆、加大钻头磨损等现象。
（3）钻进过程中注意观察进尺情况及潜孔锤的冲击响声，如出现突然进尺或潜孔锤不回风等现象时立即提钻，查明原因再行开钻。
（4）当发现钻杆抖动厉害或出现周期性滞转现象时应立即提钻，然后降低钻压，再进行开钻。
（5）每一回次结束时应上提钻具0.3～0.5m并进行吹孔，待孔口不返岩屑时才可停风加接钻杆。
停风时，应缓慢关闭风阀，不可突然中断供风，防止潜孔锤倒吸岩粉造成堵塞。
（6）钻进过程中要经常对孔的方位角及倾角进行检查，防止出现偏斜过大现象。
孔的测斜可利用手电筒倒置于孔内，通过回光来检查倾角及方位。
2、索体的制作及入锚施工要点
（1）确定预应力锚索的下料长度应考虑因素：
垫墩受坡率影响锚索的增长、定位板及锚具的厚度、应力测试仪的厚度、千斤顶长度、施工预留值。
（2）锚索加工制作设备：
钢铰线弯曲机、捆绑机。
（3）加工方法：
采用切割机进行钢绞线下料。
先从最里面的设计单元开始。
用钢绞线弯曲机将承载体+铁头+下好料大致弯成“U”型的钢绞线共同推进。
当钢绞线与铁头前凹槽密贴后，再利用捆绑机将钢带捆绑于承载体和钢绞线上，然后依次加工后续单元。
加工时，须及时确定隔离支架的位置及间距，以保证钢绞线相互平行，同时做好双记号以便确认。
（4）下锚：
入索前首先根据孔口找到对应索体编号，并进行锚孔及索体的检查，确认锚孔已有无杂物及坍孔现象、索体隔离架绑扎已牢固、索体无粘结油脂且无破坏、进出浆管畅通、锚索无明显弯曲扭转。
经检查处理各项要求合格后，用人工将索体抬运至孔口，由人工利用导向锥的自重进行缓慢下放，直至入孔深度比设计孔深多进20cm，在注浆时再拔出，以保证第一个单元体注浆饱满度完全达标。
3、注浆施工要点
（1）缩短浆液的胶凝时间，根据钻孔情况对于裂隙非常发育的锚索孔首先利用水泥－水玻璃双液浆进行注浆固结，在3～5小时后利用提高注浆压力，再实行注纯水泥浆。
（2）对部分孔位采取以下注浆方式：
开始注浆采取低压低流，待浆液距孔口3～5米时，立即进行封孔，加大注浆压力与注浆流量。
（3）采取间隔注浆施工，即根据钻孔揭示的裂隙分布情况对注浆采取分段间隔进行，分段以钻孔的地质为依据，在每一裂隙带处划开，注浆间隔时间控制在5～7小时左右。
4、格梁及锚垫墩施工要点
垫墩施工前对孔口岩面进行处理，清除碎渣和不稳定石块，并使孔口岩面基本垂直于钻孔轴线。
施工中，锚索垫墩支垫板要进行整平，以确保垫墩后的混凝土密实程度。
锚索孔通过在钢筋上定出孔轴线上两点来确定锚索孔的方位。
混凝土利用电动卷扬机提升。
5、张拉施工要点
（1）认真进行承压台座的整平，细心安装好锚具，并和轴线方向垂直；安装千斤顶时必须确保千斤顶轴线与锚索索体轴线一致，并不能压弯锚头；务必要保持各锚索相互平行，不能扭结，尤其要按照编号将各单元区分清楚。
（2）张拉前先对千斤顶及油泵进行标定，按标定数据进行张拉。
张拉前仔细检查油泵各阀门的工作情况是否正常，油管是否畅通，以避免张拉时因油泵不正常而造成张拉失败。
（3）锚索张拉应在纵横上下错开进行，以避免张拉时影响相邻锚索的锁定。
（4）张拉前最好先均张拉一下，张拉力为0.1～0.2Nt，以确保钢绞线与承载体之间接触紧密，消除隐蔽变形量，并可检查注浆有无不密实情况。
（5）部分地段锚索由于表层地质情况不一致，因岩体蠕变易出现格梁开裂。
因此，格梁应在锚索张拉（或补偿张拉）稳定后再施作格梁，以防止格梁混凝土开裂。
锁定荷载的同时，根据实际情况随机选择锚索数量的20%安装GMS型锚索测力计，按要求进行测力与分析。
根据测力结果，如在10d内（规范规定为48h）锚索应力值损失不超过锁定荷载的10%视为稳定，否则对对应区域的锚索进行二次补偿张拉。
6、锚索应力的监测
锚索应力监测采用GMS型锚索测力计。
在锚索施工中，将锚索穿过传感器中孔，将传感器锁定在钢垫板上承受压力，通过传感元件的输出值求出锚索应力值。
（1）测力计工作原理（参见图4）
（2）测力计安装及工作
①检查锚垫板平整度，不平整度小于0.1，锚垫板外平面与穿索孔轴线必须垂直，不垂直度要求小于5度。
②清理锚垫板表面的杂物，如混凝土、土质等。
③安装锚力计。
把锚力计套入锚索坐到锚垫板上，仔细调整锚力计的位置，使其中心与锚索轴中心对正重合。
④信号输出插头插入测定仪的信号输入插座。
⑤测定工作温度修正。
需根据温度—频率补偿系数k，计算温漂被修正的被测频率值：
fi=（Ti-T0）×k+fci
式中：
fi---温漂被修正的被测频率值
Ti---测量时的环境温度
T0---基准温度
fci---环境中实测频率值
⑥安装工作锚板、千斤顶，按程序张拉。
⑦根据锚力计标定的工作直线方程，求荷载量P。
（3）测力计观测频率
张拉锁定后即开始进行锚力监测工作，测力计观测频率按（表2）要求进行。
测力计观测频率表表2
锁定后时间
观测频率
1～10d
每天一次
11～30d
每2天一次
31d~12个月
每月一次
12个月后
每2个月一次
特殊情况
爆破后、暴雨后第二天、相邻锚索张拉、连阴雨阶段
七、机具设备（见表3）
机械设备配备表表3
序号
设备类型
机械型号
数量
序号
设备类型
机械型号
数量
1
供风设备
L-22/8
3台
2
钻孔设备
ZY100
3台
4L-20/8
4台
QZ100K
3台
L-10/8
3台
YG30
1台
英格索兰24m3
2台
YG60
1台
英格索兰17m3
1台
MG-50A
6台
柳工20m3
2台
MD-50
4台
柳工9m3
1台
YG-2A
2台
3
加工设备
钢筋焊接机
4台
QZJ100B
5台
钢筋切断机
1台
YQ100D
3台
钢筋弯曲机
1台
4
注浆设备
BM-150
2台
锚索弯曲机
1台
3SNS
2台
锚索打包机
2台
UBJ2
1台
5
张拉设备
YC-2000
1台
SGB6-10
3台
YC-1000
2台
6
拔管机
YBG-88
2台
ZB-500
2台
合计
68台
八、劳动组织
本工法劳动力组织见表4。
劳动组织人员配备表表4
序号
工种
人数
工作内容
1
工区长
1
负责指挥各工序操作，控制施工质量及安全，排除现场施工中的各种困难。
2
管理工程师
3
具体负责各工序操作，指导工人按要求标准操作。
3
测量人员
4
负责现场锚孔孔位的放样工作
4
司钻人员
9
负责锚索孔的钻进和钻机的维修工作。
5
编束人员
3
负责锚索的编束工作。
6
注浆
7
负责成孔注浆以及锚索的注浆工作
7
空压司机
2
负责空压机等动力设备的运转。
8
混凝土工
15
负责锚垫墩、格梁的浇筑
9
锚索安装
15
负责锚索的运输、安装
10
张拉
4
负责锚索的张拉、锁定
11
电工
2
负责现场电气设备的正常运转
12
普工
6
负责现场各作业平台的搭设
合计
71
九、质量控制
（一）质量控制标准
1、钻孔：
实际孔位与设计孔位偏差不大于10cm，钻孔方位角与倾角误差不大于2%。
钻孔孔深、孔径不小于设计值，有效孔深超深小于0.2m；孔斜率不大于3%。
2、编索：
下料长度不大于总长度的1/5000，且不超过5mm。
3、锚索性能检测：
锚索弹性变形不小于自由段长度变形值的80%，且不大于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值。
4、锚索验收：
从50%拉力设计值到最大试验荷载之间所测得的总位移量须超过该荷载范围自由段长度预应力筋理论弹性伸长值的80%，且小于自由段长度与1/2锚固段之和的预应力筋的理论弹性伸长值。
（二）质量检查技术
1、钻孔：
孔斜通过将手电筒置于孔底，利用经纬仪施测钻孔的方位角与倾角。
2、锚索张拉采取张拉力与张拉伸长量双控制的方法进行检测
（三）质量控制措施
1、完成锚索造孔后及时入锚或作好孔口保护，防止污水、异物进入孔内。
2、编索时做到细心操作，防止对无粘结钢绞线塑裹层的破坏，避免发生注浆胶结而造成张拉断丝。
3、锚索的搬运过程中严格注意转弯半径，避免出现<5M的情况，防止锚索出现交叉缠绕。
4、垫墩混凝土施工时确保孔口岩面的平整，防止跑墩现象发生。
另外，锚垫板与混凝土间做到接触严密，确保锚固传力准确均匀。
5、严格控制注浆压力，尤其是跟管钻进成孔，套管难以取出的部分孔位必须采用二次高压劈裂注浆，以尽可能地保证注浆的扩散范围和锚固体的可靠性。
6、张拉时必须检查无粘结钢绞线夹持部位去皮是否彻底，是否进行清洗，将问题在张拉前处妥。
张拉后及时对外锚头进行保护。
十、安全保证措施
1、施工前认真检查和处理作业区的危石，将施工机具布置在安全地带。
2、钻机安装必须达到“正、平、稳、固”，确保钻机安装后不摇摆，不移位。
3、各钻机钻孔作业的空间在锚固工作面平行方向不少于4米，垂直方向不低于6米，净高不低于4米。
作业脚手架每平方米承载力至少达5KN，并尽量选用轻型钻机施工。
4、锚索钻孔作业尽量避开上下重叠作业，对于实在难以避开要求的安全距离时，必须对作业平台的支架进行加强处理，同时平台四周设置防护围拦，防止落石伤人。
5、施工过程中加强边坡位移观测，在边坡位移超限的情况下及时上报有关负责人，并分析出原因，制定出处理的方案措施，防止发生安全质量事故。
6、施工过程中应经常检查水箱、风机、注浆设备的密封性能和耐压试验，定期检查电源线路和设备的电器部件，确保用电安全。
送电、送风前必须通知到相关设备的操作人员。
7、锚索的搬运严格控制好行走线路及速度，严格做到不在下雨天搬运锚索。
特别是往上山运送锚索，应派专人指挥，确保全过程安全无误。
8、锚索的制作、安装、张拉、注浆、封锚等全过程严格按照设计与规范要求进行操作。
9、锚索张拉严格按照伸长量与张拉力双控制的方法进行，严禁张拉施工人员正对锚索施工。
张拉前对张拉设备进行严格检查，并核对注浆的固结时间以及浆体强度报告，确保锚索工程结构最终安全。
十一、效益分析
1、采用压力分散型锚索不仅避免了高陡边坡的放坡开挖工序，而且在同样的地质条件下较集中锚大大缩短了锚索的长度，获得了较大的经济效益，有效地保证了环境的水土治理。
2、在破碎岩体中采用二次注浆固结成孔、潜孔锤跟管钻进成孔，有效地解决了成孔的质量问题，并提高了施工速度与钻机的利用率。
3、采用分阶段张拉工艺，确保了锚索受力的均匀一致性，对于加固体的质量有显著的提高。
4、采用无粘结钢绞线可以通过二次张拉来保证锚固的效果及加固的永久性。
十二、工程实例
金丽温高速公路十七合同段K81+635-K82+000段边坡加固处理
（一）工程概况
该边坡原设计分为五级边坡，一级边坡为片石混凝土挡墙，第二～五级边坡采用中空注浆锚杆＋钢筋网喷混凝土（锚杆间距1.6～2.0米，长度3～4米）。
2000年10月份施工期间，地表及边坡分级平台上发现多处开裂，并伴有局部崩坍现象。
至2001年4月份，坍方量已达3000余方。
经先后两次补充地质勘探，最终确认该段边坡岩体破碎的主要原因是由古滑坡变形破坏造成。
在此地质补充报告的基础上最终确定了该边坡加固采用压力分散型复合单元锚为主，锚喷挡墙为辅的加固方案。
具体加固方案为：
治坡方面对于深层滑塌面采用密布型预应力锚索进行加固；对于浅型滑塌或碎落采用浅层锚杆和挂网喷混凝土防治；治水方面主要采用坡顶截水、坡面排水和坡脚深导水三种措施。
该边坡最终共设有22m锚索53根、23m36根、25m77根、26m5根、28m26根、30m5根、32m7根、34m7根、36m8根、38m8根、40m280根，共计512根锚索对边坡进行了加固处理。
（二）施工情况
该边坡治理工程于2001年10月20号开工，2002年1月30完成1号山头（K81＋635-＋760）、3号山头（K81＋860-K82＋000）的锚索施工。
转入2号山头施工后，在1、2号山头连接处及2、3号山头连接处发现锚索钻孔时有突然进尺现象，而2号山头其它地段锚索施工在钻孔过程中卡钻、掉钻、注浆串孔、漏风、坍孔等现象也非常普遍，为此钻孔采用潜孔锤跟套管钻进施工技术。
与普通钻进比较，钻进工耗平均每小时提高0.1～0.15m左右，同时钻孔质量有了很大改善，大大方便了入锚、注浆施工。
而采用二次注浆固结成孔又大量缩短了锚索注浆数量及工序时间，并且对锚索孔的渗水治理起到了很好的效果。
从最终的张拉及观测情况来看，施工质量得到了充分的保证。
通过后期的边坡位移观测，山体没发生任何位移，施工中未发生任何安全事故，在业主、浙江省交通厅、国家八部委组织的检查中获得了一致好评。
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