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摘要:结合湖南省溆浦至怀化高速公路九合同段YK124+910～YK125+080段路基路堑高边坡防护施工，通过对路基高边坡工程地质、工程特点、工期进度、施工安全等方面进行分析，采用预应力锚索进行路基高边坡防护加固，有效地解决了高速公路路基路堑高边坡防护施工中诸多技术难题，达到了安全、快速、优质施工的目的，对预应力锚索在高速公路路基路堑高边坡防护中的应用有着较为实际的指导意义。
关键词:预应力锚索高边坡防护应用
1 前言
随着省内高速公路的快速建设，高速公路路基较高较陡边坡层出不穷，同时高边坡在高速公路中具有造价高、支挡难等特点，传统的支护方法无非是护面墙、护坡、挡土墙、框架锚杆等硬性结构物，本身自重大，受力性能差，易失稳，路基路堑高边坡防护施工如何科学、安全、快速施工成为目前亟待解决的问题，而施工方法的选择成为安全快速施工的关键。经过长期研究、实践和总结，结合溆怀高速公路九合同段YK124+910～YK125+080段路基路堑高边坡防护施工经验，就预应力锚索在高速公路路基路堑高边坡如何做到安全、快速、优质施工做一探讨。
2 工程概况
湖南省溆浦至怀化高速公路九合同段YK124+910-YK125+080路基段右侧路堑高边坡，原设计边坡长度为170m，高度约为90m，设九级边坡，第一至九级边坡设计坡比均为1：0.5。经开挖，该段挖方边坡的表层0～3米范围内覆盖粉质黏土，黄褐色，硬塑，含炭质板岩等碎石，下伏硅炭质板岩夹泥质灰岩。原设计防护方案为普通锚杆框架梁植草防护，锚杆采用直径为φ32、长度为12m粘结型锚杆，第一至七级边坡框架格梁规格采用3m×4m，第八、九级边坡框架格梁规格采用3m×3m。2011年2月，完成第四至九级防护施工，开挖第三级边坡揭露岩层松散破碎，地质及稳定性较差，首次发生小范围自然坍塌，此后边坡裂缝不断发展。为对该边坡进行综合治理，将原设计方案修改为：第一至三级边坡采用地梁预应力锚索防护，预应力锚索采用6束φ15.24mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线组成，每束锚索设计张拉力600KN，锚索孔深20m，孔径φ130mm，下料长度为21.5，纵横向间距为5m，地梁采用条形立柱，间距为5m一道，立柱断面尺寸为400mm×300mm，设泄水孔，泄水孔间距采用5m×5m，排水孔径为φ52，采用孔径为10cm的软式透水管，长度为6m，纵横向间距为5m，立柱与立柱之间采用厚层基材喷射植被护坡。
3 预应力锚索的作用机理
预应力锚索的作用机理是将岩土层对锚索锚固段的摩阻力，通过自由段传递到边坡结构物（立柱），以维持其受力平衡；其组成分为三部分：内锚段、自由段和外锚头。内锚段及自由段由钢绞线组成，置于稳定岩体中，受力后通过水泥浆与岩体联接而提供锚固力，而外锚头主要由锚具与夹具组成，通过外锚头以实现对岩体施加预应力。一方面，由于预应力的作用，使岩体结构面呈压紧状态，从而提高岩体本身的整体性；另一方面，锚索的加固预应力直接改变了滑动面的抗滑力，使边坡得以加固、稳定。
4 预应力锚索施工
4.1施工准备及边坡开挖
施工前应充分理解设计的边坡防护方案，并编制详细的施工方案。路基防护工程宜与路基开挖工程紧密、合理衔接，开挖一级防护一级，不得一次开挖到底。根据工点工程立面图，按设计要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位误差不得超过±100mm。
4.2钻孔设备
钻孔施工是锚索施工中控制工期的关键工序。为提高钻孔效率和保证钻孔质量，钻孔机具的选择，根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择钻孔设备，岩层中采用YQ100型潜孔钻机，潜孔冲击成孔。在岩层破碎或松软饱水等易于塌缩孔和卡钻埋钻的地层中，采用跟管钻进技术，确保成孔质量和施工进度。
4.3钻机就位
锚孔钻进施工，搭设满足钻孔、下锚和注浆施工所需承载力和稳固的脚手架，根据坡面准确测放锚索孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±100mm，钻孔倾角和水平方向角符合设计要求，与设计锚固轴线的倾角、水平方向角偏差为±1.0°。
4.4钻进方式
锚孔钻进采用干钻，以确保锚固工程施工不至于恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其它意外事故。
4.5钻进过程
锚索钻孔施工要加强钻机的导向作用，及时检测孔斜误差，合理采用纠偏措施，确保锚索钻孔满足设计及规范要求。钻进过程中对每个孔的地层变化，钻进状态(钻压、钻速)、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行孔道固壁灌浆处理(灌浆压力0.1～0.2MPa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
4.6孔径孔深
钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值（设计孔径130mm，孔深20m）。为确保锚孔直径，要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度大于设计深度0.2m以上，但不宜超出0.3m，当遇特殊地质情况时，可适当增加超钻深度，但不可超过0.5m。
4.7锚孔清理
钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2分钟，防止孔底尖灭、达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压风(风压0.2～0.4MPa)将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥浆与孔壁岩土体的粘结强度。除相对坚硬完整的岩体锚固外，余均不得采用高压水冲洗锚孔。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可安装锚索与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。如果要求处理锚孔内部积聚水体，一般采用灌浆封堵二次钻进等方法处理。
4.8锚孔检验
锚孔钻孔结束后，须经监理工程师检验合格后，方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在监理工程师旁站下进行，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压风吹验不存明显飞溅尘碴及水体现象。然后用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹干净，且孔深不少于锚索设计长度时，拔出聚乙烯管，以织物或水泥袋塞好保护锚孔口待用。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔鉆造检验合格。
4.9锚索体制作及安装
预应力锚索体由地梁、外锚头、自由段、内锚段四部分组成。钢绞线采用φ15.24mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。钢绞线沿锚索体轴线方向自由段每1.5m设置一道隔离架，内锚段每0.5m设置一道支架，端头设置钢环及导向帽，保证锚索体保护层厚度不小于2cm。锚索体采用人工安装，安装前，认真核对锚孔编号，确认无误后再用高压风吹孔，缓缓将锚索体放入孔内，用钢尺量出孔外露出的钢绞线长度，计算孔内锚索长度，确保内锚段长度。
4.10地梁制作
地梁及锚墩均采用C30混凝土现场整体浇注，OVM15-6锚具与其同时安装浇筑固定。地梁浇筑前，首先完成平台部位纵梁基础处理，地梁基础从下挖不小于50cm，置于完整的岩石基础上；当下挖50cm，基岩仍不满足要求时，继续下挖50cm，基坑底面呈0.2：1的反向坡度，回填C15混凝土形成良好基础。完成坡面修整和地梁基槽开挖处理后，在基础贴坡面先铺垫2cm砂浆调平层，再进行钢筋制作安装，钢筋接头需错开，同一截面钢筋接头数不得超过钢筋总根数的50%，且接头错开间距不小于1m。如锚索与竖梁箍筋相干扰，可局部调整箍筋的间距。砼浇注，尤其在锚孔周围，钢筋较密集，必须仔细振捣，保证质量。
4.11锚索张拉及锁定、封锚
当浆体及地梁达到设计强度的80%后进行张拉。通过现场张拉试验，确定张拉及锁定工艺。锚索张拉及锁定分级进行，严格按设计要求和操作规程执行。在设计张拉完成后，适时进行一次补偿张拉，然后加以锁定。补偿张拉后，从锚具量起，留出长5～10cm钢绞线，其余部分截去，须用机械切割，严禁电弧烧割。然后用水泥净浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，最后对锚头采用C30的混凝土进行封锚，防止锈蚀和兼顾美观。
3） 深挖路堑地形复杂，高差大，边坡高，工程量大，施工放样和过程测量直接关系到施工质量，故除确保路基的中桩和边桩等标志桩准确无误外，为便于施工过程中进行测量控制，还应加密中桩、边桩和增设临时水准点，同时可根据地形特征设置边坡控制点，边坡开挖每挖深5m进行一次控制复测。
4） 开挖过程中如遇到地下水应采取排导措施，将水引入路基排水系统，不得随意堵塞泉眼。
5） 石方开挖应根据岩石的类别、风化程度、岩层产状、岩体断裂构造、施工环境等因素确定开挖方案，爆破施工组织设计应按相关规定报批。
6） 坡面防护施工前，应对边坡进行修整，清除边坡上的危石及不密实的松土。坡面防护层应与坡面密贴结合，不得留有空隙。
7） 防护工程施工中，就采取有效措施截排地下水和导排地下水。
8） 边坡锚索工程施工须开挖一级、加固一级，自上而下逐级进行，不得乱挖超挖，严禁掏底开挖，避免边坡长时间裸露，使边坡在施工过程中保持稳定，在降雨前后和下一级坡面开挖中，应对已建好锚索进行位移监测，以判别锚索工作及后续施工提供依据。
9） 钻孔过程中，若发生卡钻、堵孔或塌孔现象，应立即停止检查，在孔中局部注浆后在同一位置二次造孔。
10） 地梁施工必须平顺，且与坡面保持一致。对于局部出现坍塌地段，地梁的设置不得随坡面起伏，地梁正常位置与坍空部位必须以片石混凝土或地梁的同级混凝土回填，不得用片石回填。
11） 为保证锚索张拉时锚具与钢铰线正交，每一地梁必须按设计要求设置调坡楔块。
12） 锚具下设的锚垫板，施工时必须固定、以确保混凝土浇注时移位，同时为防止钢铰线张拉时扭曲，钢铰线束必须在锚垫板的中央。
13） 施工记录必须详细、真实反映施工现场情况，及时总结、积累经验。
14） 锚索锁定48h后，若发现有明显的预应力损失时，应进行补偿张拉。
15） 由于该高边坡下即为关虎冲隧道进口施工场地，在高边坡施工时应注意落石对隧道施工安全影响。
6边坡监测
1） 深挖路堑边坡应进行施工监测、信息化动态完善设计。
2） 施工过程中应根据现场开挖地质情况、施工情况和变形监测的反馈信息，及时对原设计进行校核、修改和补充。
3） 监测的内容包括：边坡的不稳定范围、移动方向、移动速度以及地下水、爆破振动等。
4）监测周期为边坡开挖至公路建成营动。
7結语
通过本项目高边坡预应力锚索防护施工经验总结，预应力锚索加固技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料，同时预应力锚索通过特殊手段将钢绞线变成长期处于高温状态下的受拉结构体，从而增强被土体锚固强度，改善岩体应力状态，提高岩体稳定性。因该技术具有先进性、经济性、可靠性等优点，达到了安全、快速、优质施工的目的，具有显著的经济效益和社会效益，近年来随着高速公路的迅猛发展，预应力锚索加固技术在高速公路路基路堑高边坡防护中具有推广价值。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
关键词:预应力锚索高边坡防护应用
1 前言
随着省内高速公路的快速建设，高速公路路基较高较陡边坡层出不穷，同时高边坡在高速公路中具有造价高、支挡难等特点，传统的支护方法无非是护面墙、护坡、挡土墙、框架锚杆等硬性结构物，本身自重大，受力性能差，易失稳，路基路堑高边坡防护施工如何科学、安全、快速施工成为目前亟待解决的问题，而施工方法的选择成为安全快速施工的关键。经过长期研究、实践和总结，结合溆怀高速公路九合同段YK124+910～YK125+080段路基路堑高边坡防护施工经验，就预应力锚索在高速公路路基路堑高边坡如何做到安全、快速、优质施工做一探讨。
2 工程概况
湖南省溆浦至怀化高速公路九合同段YK124+910-YK125+080路基段右侧路堑高边坡，原设计边坡长度为170m，高度约为90m，设九级边坡，第一至九级边坡设计坡比均为1：0.5。经开挖，该段挖方边坡的表层0～3米范围内覆盖粉质黏土，黄褐色，硬塑，含炭质板岩等碎石，下伏硅炭质板岩夹泥质灰岩。原设计防护方案为普通锚杆框架梁植草防护，锚杆采用直径为φ32、长度为12m粘结型锚杆，第一至七级边坡框架格梁规格采用3m×4m，第八、九级边坡框架格梁规格采用3m×3m。2011年2月，完成第四至九级防护施工，开挖第三级边坡揭露岩层松散破碎，地质及稳定性较差，首次发生小范围自然坍塌，此后边坡裂缝不断发展。为对该边坡进行综合治理，将原设计方案修改为：第一至三级边坡采用地梁预应力锚索防护，预应力锚索采用6束φ15.24mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线组成，每束锚索设计张拉力600KN，锚索孔深20m，孔径φ130mm，下料长度为21.5，纵横向间距为5m，地梁采用条形立柱，间距为5m一道，立柱断面尺寸为400mm×300mm，设泄水孔，泄水孔间距采用5m×5m，排水孔径为φ52，采用孔径为10cm的软式透水管，长度为6m，纵横向间距为5m，立柱与立柱之间采用厚层基材喷射植被护坡。
3 预应力锚索的作用机理
预应力锚索的作用机理是将岩土层对锚索锚固段的摩阻力，通过自由段传递到边坡结构物（立柱），以维持其受力平衡；其组成分为三部分：内锚段、自由段和外锚头。内锚段及自由段由钢绞线组成，置于稳定岩体中，受力后通过水泥浆与岩体联接而提供锚固力，而外锚头主要由锚具与夹具组成，通过外锚头以实现对岩体施加预应力。一方面，由于预应力的作用，使岩体结构面呈压紧状态，从而提高岩体本身的整体性；另一方面，锚索的加固预应力直接改变了滑动面的抗滑力，使边坡得以加固、稳定。
4 预应力锚索施工
4.1施工准备及边坡开挖
施工前应充分理解设计的边坡防护方案，并编制详细的施工方案。路基防护工程宜与路基开挖工程紧密、合理衔接，开挖一级防护一级，不得一次开挖到底。根据工点工程立面图，按设计要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位误差不得超过±100mm。
4.2钻孔设备
钻孔施工是锚索施工中控制工期的关键工序。为提高钻孔效率和保证钻孔质量，钻孔机具的选择，根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择钻孔设备，岩层中采用YQ100型潜孔钻机，潜孔冲击成孔。在岩层破碎或松软饱水等易于塌缩孔和卡钻埋钻的地层中，采用跟管钻进技术，确保成孔质量和施工进度。
4.3钻机就位
锚孔钻进施工，搭设满足钻孔、下锚和注浆施工所需承载力和稳固的脚手架，根据坡面准确测放锚索孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±100mm，钻孔倾角和水平方向角符合设计要求，与设计锚固轴线的倾角、水平方向角偏差为±1.0°。
4.4钻进方式
锚孔钻进采用干钻，以确保锚固工程施工不至于恶化边坡岩土工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其它意外事故。
4.5钻进过程
锚索钻孔施工要加强钻机的导向作用，及时检测孔斜误差，合理采用纠偏措施，确保锚索钻孔满足设计及规范要求。钻进过程中对每个孔的地层变化，钻进状态(钻压、钻速)、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行孔道固壁灌浆处理(灌浆压力0.1～0.2MPa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
4.6孔径孔深
钻孔孔径、孔深要求不得小于设计值（设计孔径130mm，孔深20m）。为确保锚孔直径，要求实际使用钻头直径不得小于设计孔径。为确保锚孔深度，要求实际钻孔深度大于设计深度0.2m以上，但不宜超出0.3m，当遇特殊地质情况时，可适当增加超钻深度，但不可超过0.5m。
4.7锚孔清理
钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2分钟，防止孔底尖灭、达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压风(风压0.2～0.4MPa)将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥浆与孔壁岩土体的粘结强度。除相对坚硬完整的岩体锚固外，余均不得采用高压水冲洗锚孔。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可安装锚索与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。如果要求处理锚孔内部积聚水体，一般采用灌浆封堵二次钻进等方法处理。
4.8锚孔检验
锚孔钻孔结束后，须经监理工程师检验合格后，方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在监理工程师旁站下进行，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压风吹验不存明显飞溅尘碴及水体现象。然后用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹干净，且孔深不少于锚索设计长度时，拔出聚乙烯管，以织物或水泥袋塞好保护锚孔口待用。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔鉆造检验合格。
4.9锚索体制作及安装
预应力锚索体由地梁、外锚头、自由段、内锚段四部分组成。钢绞线采用φ15.24mm高强度低松弛无粘结预应力钢绞线。钢绞线沿锚索体轴线方向自由段每1.5m设置一道隔离架，内锚段每0.5m设置一道支架，端头设置钢环及导向帽，保证锚索体保护层厚度不小于2cm。锚索体采用人工安装，安装前，认真核对锚孔编号，确认无误后再用高压风吹孔，缓缓将锚索体放入孔内，用钢尺量出孔外露出的钢绞线长度，计算孔内锚索长度，确保内锚段长度。
4.10地梁制作
地梁及锚墩均采用C30混凝土现场整体浇注，OVM15-6锚具与其同时安装浇筑固定。地梁浇筑前，首先完成平台部位纵梁基础处理，地梁基础从下挖不小于50cm，置于完整的岩石基础上；当下挖50cm，基岩仍不满足要求时，继续下挖50cm，基坑底面呈0.2：1的反向坡度，回填C15混凝土形成良好基础。完成坡面修整和地梁基槽开挖处理后，在基础贴坡面先铺垫2cm砂浆调平层，再进行钢筋制作安装，钢筋接头需错开，同一截面钢筋接头数不得超过钢筋总根数的50%，且接头错开间距不小于1m。如锚索与竖梁箍筋相干扰，可局部调整箍筋的间距。砼浇注，尤其在锚孔周围，钢筋较密集，必须仔细振捣，保证质量。
4.11锚索张拉及锁定、封锚
当浆体及地梁达到设计强度的80%后进行张拉。通过现场张拉试验，确定张拉及锁定工艺。锚索张拉及锁定分级进行，严格按设计要求和操作规程执行。在设计张拉完成后，适时进行一次补偿张拉，然后加以锁定。补偿张拉后，从锚具量起，留出长5～10cm钢绞线，其余部分截去，须用机械切割，严禁电弧烧割。然后用水泥净浆注满锚垫板及锚头各部分空隙，最后对锚头采用C30的混凝土进行封锚，防止锈蚀和兼顾美观。
3） 深挖路堑地形复杂，高差大，边坡高，工程量大，施工放样和过程测量直接关系到施工质量，故除确保路基的中桩和边桩等标志桩准确无误外，为便于施工过程中进行测量控制，还应加密中桩、边桩和增设临时水准点，同时可根据地形特征设置边坡控制点，边坡开挖每挖深5m进行一次控制复测。
4） 开挖过程中如遇到地下水应采取排导措施，将水引入路基排水系统，不得随意堵塞泉眼。
5） 石方开挖应根据岩石的类别、风化程度、岩层产状、岩体断裂构造、施工环境等因素确定开挖方案，爆破施工组织设计应按相关规定报批。
6） 坡面防护施工前，应对边坡进行修整，清除边坡上的危石及不密实的松土。坡面防护层应与坡面密贴结合，不得留有空隙。
7） 防护工程施工中，就采取有效措施截排地下水和导排地下水。
8） 边坡锚索工程施工须开挖一级、加固一级，自上而下逐级进行，不得乱挖超挖，严禁掏底开挖，避免边坡长时间裸露，使边坡在施工过程中保持稳定，在降雨前后和下一级坡面开挖中，应对已建好锚索进行位移监测，以判别锚索工作及后续施工提供依据。
9） 钻孔过程中，若发生卡钻、堵孔或塌孔现象，应立即停止检查，在孔中局部注浆后在同一位置二次造孔。
10） 地梁施工必须平顺，且与坡面保持一致。对于局部出现坍塌地段，地梁的设置不得随坡面起伏，地梁正常位置与坍空部位必须以片石混凝土或地梁的同级混凝土回填，不得用片石回填。
11） 为保证锚索张拉时锚具与钢铰线正交，每一地梁必须按设计要求设置调坡楔块。
12） 锚具下设的锚垫板，施工时必须固定、以确保混凝土浇注时移位，同时为防止钢铰线张拉时扭曲，钢铰线束必须在锚垫板的中央。
13） 施工记录必须详细、真实反映施工现场情况，及时总结、积累经验。
14） 锚索锁定48h后，若发现有明显的预应力损失时，应进行补偿张拉。
15） 由于该高边坡下即为关虎冲隧道进口施工场地，在高边坡施工时应注意落石对隧道施工安全影响。
6边坡监测
1） 深挖路堑边坡应进行施工监测、信息化动态完善设计。
2） 施工过程中应根据现场开挖地质情况、施工情况和变形监测的反馈信息，及时对原设计进行校核、修改和补充。
3） 监测的内容包括：边坡的不稳定范围、移动方向、移动速度以及地下水、爆破振动等。
4）监测周期为边坡开挖至公路建成营动。
7結语
通过本项目高边坡预应力锚索防护施工经验总结，预应力锚索加固技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料，同时预应力锚索通过特殊手段将钢绞线变成长期处于高温状态下的受拉结构体，从而增强被土体锚固强度，改善岩体应力状态，提高岩体稳定性。因该技术具有先进性、经济性、可靠性等优点，达到了安全、快速、优质施工的目的，具有显著的经济效益和社会效益，近年来随着高速公路的迅猛发展，预应力锚索加固技术在高速公路路基路堑高边坡防护中具有推广价值。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看