预应力锚索施工方法

预应力锚索施工方法
一、前言
随着铁路、公路以及水利工程多年的建设，科学技术的不断发展，设计手段的完善，坡面防护形式多种多样。

陡崖坡面加固，预应力锚索发挥着重要的角色，采用预应力锚索防护不仅很好地加固了边坡，确保稳定，而且施工便捷、经济环保。

宜万铁路为山区铁路，其技术标准在山区铁路中是最高的。

我单位施工的W12标DK192+660~+986低山陡坡,自然坡度为35~45度,线路右侧部分地段为陡崖,崖高11~28米,山坡上有溶沟溶槽,植被较发育，右侧陡崖设计采用预应力锚索进行坡面加固措施。

二、工法特点
1、施工快捷灵活，预应力锚索施工工艺灵巧、施工进度快、工期短、施工安全等特点，用于应急抢险更具有独特优势。

2、经济性好，预应力锚索既可单独使用，充分利用岩土体自身强度，从而节省大量工程材料，同时可与其他结构物组合使用，改善其受力状态，节省大量的圬工，具有显著经济效益。

3、预应力锚索具有一定的柔性，可以深层加固，同时能够主动控制岩土体变形，调整岩土体应力状态，有利于岩土体的稳定性。

三、适用范围
预应力锚索工程应用概括如下：
滑坡整治、边坡加固、深基础工程、结构抗倾覆、地下工程、桥基加固
四、施工工艺及施工要点
（一）、工作原理
预应力锚索是通过对锚索施加张拉力以加固岩土体使其达到稳定状态或改善内部应力状况的支挡结构，锚索是一种主要承受拉力的杆状构件，它是通过钻孔及注浆体将钢绞线固定于深部稳定地层中，在被加固体表面对钢绞线张拉力产生预应力，从而达到施加固体稳定或限制其变形的目的。

（二）工艺流程
预应力锚索施工工艺流程图
见图1
图1 工艺流程图1、锚索造孔
锚索孔定位采用全站仪或经纬仪测量，在岩面上标出孔位，在排架平台上标出后视点确定造孔方位。

孔位误差控制在10 cm以内，因地质缺陷、废孔重造等原因调整孔位，在0．5 m内需经监理工程师同意，超过0.5 m需经设计认可。

在钻孔过程中采用分段测孔斜，进行及时纠偏的措施。

验孔采用全站仪或经纬仪测量，将引导光源置于孔内，经纬仪架设于孔口，照准测定孔底位置的方向角、竖角，同时记录孔深；对穿锚索采用全站仪测量开孔点、终孔点坐标，计算孔位偏差、孔深及孔斜，锚索设计孔斜误差要求不大于2％。

2、编索和穿索
编索关键环节是止浆环安装、灌浆管路铺设、钢绞线绑扎及无粘结钢绞线的去油清洗。

无粘结钢绞线去皮范围的误差为：锚固段不得大于10 cm，张拉段不得大于1 cm，洗油时将钢绞线松开，用汽油逐根清洗钢丝，干净棉纱擦净，保证钢丝洁净无油膜。

穿束采用人工辅以机械方式进行，该工序主要检查束体入孔长度，控制锚索运输过程中平面转弯半径不小于2．5 m及穿束过程中束体平顺不扭转。

穿索后对止浆环进行充气检查，确认止浆环完好和进、回浆管畅通，否则需拔出进行修复。

3、锚索锚固段灌浆
在锚索注浆前做好锚索的防绣、防腐蚀处理，处理应该满足设计规范提出的各项技术要求。

（1）、锚索锚固段注浆材料系现场配制，C v值在0．11～0．235之间，强度保证率在95％以上，在7 d龄期的标号中，若有少数强度略低于设计值，但平均强度均应大于设计强度，对于个别7 d龄期强度偏低的锚索，采取延期进行张拉的措施。

（2）、灌浆过程控制：
a、锚固段灌浆，保证注浆压力
b、灌浆结束标准，主要以灌浆量大于理论耗浆量，回浆比重不小于进浆比重，且孔内不再耗浆为控制依据；
c、灌浆过程中对耗浆量、止浆环气囊压力及回浆压力等诸项数据进行仔细的检查，若耗浆量过大、气压或回浆压力偏小，判断可能存在止浆环失效、地质缺陷、裂隙漏浆等异常情况，则必须作进一步的分析检查。

止浆环失效则将索体拔出修复、裂隙窜浆及地质缺陷处理方法包括：固灌扫孔、孔道加深等。

4、锚索锚墩制作
锚墩按其顶面大小分为0.3和0.4m边长的锚头，按有无承压板分为：有承压板和无承压板两种锚墩。

承压板按边长不同分为1.0m、1.2m、1.5m三种。

在具体的施工中应该根据地层承载力、锚索吨位选用不同的锚墩。

在锚索张拉时会造成锚下混凝土应力集中，锚墩制作时应该满足混凝土抗压强度>30MPa。

浇筑混凝土时振捣密实，草袋覆盖洒水养护至张拉龄期。

5、预应力锚索张拉
（1）张拉工序包括：锚具安装→一次张拉→二次张拉→锁定。

（2）稳压持荷时间：分级稳压5 min，最后一级稳压不少于10 min 锁定。

张拉是预应力锚索施工的关键工序，张拉吨位以张拉力控制为主，采用张拉力与伸长值同时控制的双控标准，若张拉伸长量的实测值未超出计算值（－5％，＋10％）允许偏差范围，则符合规范要求。

通过伸长值的校核，可以综合反映张拉力是否足够，孔道摩阻损失是否偏大，以及预应力筋是否有异常现象等。

6、锚索张拉段灌浆
锚索在张拉锁定后即进行张拉段灌浆。

灌浆压力不宜于小于0．6～0．8MPa；结束标准，实际耗浆量大于理论耗浆量，回浆比重不小于进浆比重，且孔内不再耗浆。

对比进、回浆比重，回浆比重达到进浆比重开始计算并浆时间，检查核实耗浆量，确认灌浆结束前孔内不再耗浆。

对于灌浆过程中出现的裂隙漏浆、持续耗浆等异常情况，采取封堵裂隙、延长并浆时间进行处理，直至符合要求。

7、锚头封堵混凝土浇筑
外锚头保护是锚索施工最后一道工序。

锚索在张拉锁定，并完成封孔灌浆后，将锚索外露钢绞线预留50 mm长度，其余采用手持砂轮切割机切去。

钢绞线和工作锚进行清洗，垫座混凝土凿毛处理后，用R28250细骨料混凝土封闭保护锚头。

（三）、预应力锚索计算分析
1、锚固体承载力的确定
锚固体的承载能力由三部分强度控制，即锚固体与孔壁的抗剪强度、钢绞线束与水泥的黏结强度以及钢绞线强度，取其小值。

（1）、安全系数
在进行锚固时，由于存在许多不确定的因素，因此设计时考虑一定的安全储备。

表（一）列出了不同情况下的安全系数：
锚固设计安全系数表一：
当锚索孔为仰孔时，因注浆难度较大不易灌注饱满密实，安全系数Fs2应该适当提高。

（2）、钢绞线束与水泥砂浆的黏结强度
钢绞线束与水泥砂浆的黏结应力τμ，一般按照注浆沙浆标准抗压强度f ck的10％取值。

（3）、锚固体与孔壁的抗剪强度
锚固体与孔壁的极限剪应力见下表（二）所示：
锚固体与孔壁的极限剪应力表二：
2、锚固力的确定
针对不同的外锚结构型式，锚固力的计算采用不同的计算方法，比如：连续梁法、简支梁法、弹性地基梁法等。

计算公式如下：
Pt=F/[ sin(α＋β)tanφ＋cos(α＋β)] (1)
式中：
F――滑坡下滑力（KN）。

可以采用极限平衡法或传递系数法计算，安全系数采用1.05～1.25
Pt――设计锚固力（KN）
φ――滑动面内摩擦角（°）
α――锚索与滑动面相交处滑动面倾角（°）
β――锚索与水平面的夹角（锚固角），以下倾为宜，不宜大于45°，一般为15°～30°
β可以参照下式计算：
β＝45°/(A+1)+(2A+1)φ/2(A+1)- α (2)
A――锚索的锚固段长度与自由段长度之比；
φ、α――锚固段滑动面的内摩擦角和滑动面倾角；
（锚索下倾时取“＋”，上仰时取“－”）
对于土质边坡及加固厚度较大的岩质边坡，锚索在滑动面产生的法向阻力应进行折减，公式修正如下：
Pt=F/λsin(α＋β)tanφ＋cos(α＋β) (3)
λ――折减系数，与边坡岩性及加固厚度有关，在0～1之间选取。

设计锚固力Pt应小于容许锚固力Pa，即Pt≤Pa，对于锚固钢材
容许荷载应满足下表要求：
注：Pu为极限张拉荷载（KN），Py为屈服荷载（KN）；
3、每孔钢绞线根数
依据每孔锚索设计锚固力Pt和所选用的钢绞线强度，计算每孔钢绞线的根数n.即有：
N＝ Fs1×Pt/Pu (4)
式中：Fs1――安全系数，取1.7～2.0,高腐蚀地层中永久性工程取大值；
Pu――锚固钢材极限张拉荷载；
对于永久性锚固结构，设计中应该考虑预应力钢材的松弛损失及被锚固岩（土）体蠕变的影响，决定锚索的补充张拉力。

4、锚索间距、锚固角及长度的确定
（1）、锚索间距的确定
预应力锚索是群锚机制，锚索的间距不宜过大，但太小时，受群锚效应得到影响，单根锚索承载力降级，也就是说，锚索间距不能够太小。

依据通常的设计和张拉试验观察，间距小于1.2m时，应该考虑锚孔孔周岩土松弛区的影响，因此锚索间距宜大于1.5m或大于5倍孔径。

设计时还应该考虑施工偏差而造成锚索的相互影响，因此规定锚索间距宜采用3～6m,最小不应该小于1.5m。

（2）、锚固角
设计锚固角应该避开－10°～+10°，由于近水平方向布置的毛所，注浆后注浆体的沉淀等现象,会影响锚索的承载能力.最优锚固角β：β＝α＋（45°＋φ／2） (5)
（3）、锚索长度确定
锚索总长度由锚固段长度、自由段长度及张拉段长度组成，一般自
由段长度不小于3～5m,张拉段长度应根据张拉机具决定，锚索外露部分长度一般为1.5m。

锚索锚固段长度计算：
a、拉力型锚索的锚固段长度计算
①、水泥砂浆与锚索张拉钢材粘结强度确定锚固段长度Lsa
Lsa＝Fs2*Pt/Π*ds*τ (6)
当锚索锚固段为枣核状时，
Lsa＝Fs2*Pt/ n*Π*ds*τ (7)
②、锚固体与孔壁的抗剪强度确定锚固段长度La
La=Fs2*Pt/∏*dh*τ (8)
式中：
Ds――张拉钢材外表直径（束筋外表直径）(m)
d――单根张拉钢材直径（m）
dh――锚固体（即钻孔）直径(m)
τu――锚索张拉钢材与水泥砂浆的极限粘结应力，按砂浆标准抗压强度fck 的10%取值（KPa）
τ――锚孔壁对砂浆的极限剪应力（KPa）
b、压力分散型锚索的锚固段长度计算
压力分散型锚索的锚固段长度计算公式同于拉力型锚索的锚固段长度计算。

5、张拉力与油表读数线性方程的确定
通过进行张拉，可以得出一系列油压表读书及张拉力值，通过这些数据我们可以确定张拉力与油压表读书之间的线性方程。

假定线性方程为：Y＝kx+b，要具体的求出线性方程，确定K，b 成为关键。

确定线性方程的步骤如下：
1．计算X平、Y平、∑(X-X平) (Y-Y平)、∑(X-X平)2
2.计算回归系数K和截距b。

K、b两值计算公式均是根据最小二乘法的原理推算出来的，其公式如下：
K＝∑(X-X平) (Y-Y平)/ ∑(X-X平)2 (9)
b＝Y平-K平X (10)
3.列出回归方程，绘制回归直线，将求得的K和b的值代入Y＝kx+b，即得所求的回归方程。

(四)、施工要点
1、注浆
锚孔围岩灌浆实质上就是利用锚孔进行深孔固结灌浆，当锚孔为竖孔时，为了简化施工工艺，可采取自下而上分段灌浆。

当锚孔为水平孔或仰孔时，可在孔口安设灌浆塞，进行灌浆。

锚索的注浆分为一次注浆和两次注浆，两类注浆方式。

大量实践证明，认真进行孔内施灌一次砂浆效果已很显著，多次简单地重复施灌，往往延误工期，造成浪费，效益也提高不多，如遇一次施灌效果不能满足设计要求时，可采用下列补救措施：
(1)、提高水泥细度，改善浆液可灌性；
(2)、改用化学灌浆。

采用两次注浆注浆量的控制：
(1)、初次注浆量估算
Q1＝πR k 2.H.η.β (11)
式中: R k—浆液扩散半径（m）
H—压浆孔深度（m）
η—岩体孔隙率（Ⅱ：3％～5％、Ⅲ－1：2％～3％、Ⅲ：3％～5％、
Ⅳ－1：1％～2％、Ⅳ：2％～3％、Ⅴ：1％～2％）
β—注浆在裂隙内的有效填充系数，视沿层性质而定，约为0.3～0.9。

初次注浆时间：t＝Q1/q (12)
Q1----初次注浆量(L)；
q----注浆泵理论排量（L）；
2、张拉
在具体张拉中，做好原始数据的测量，校核张拉实测伸长值与计算伸长值，若实测值超出允许偏差范围，则暂停张拉，分析原因，采取措施予以调整后，方可继续张拉。

此外，在锚固锁定时检查预应力筋的回缩值，以免由于锚固锁定引起的预应力损失超过规范要求。

张拉工程出现的夹片滑丝、实测伸长值超标等异常情况均及时向设计单位通报，明确处理措施。

处理方法包括：更换夹片重新张拉、整束锚索返工等。

在锚索张拉符合要求或出现异常情况但经处理符合要求之后方准许进入下道工序。

锚索预应力损失主要由钢绞线松弛、地层压缩蠕变及锚具的锲滑三部分组成。

预应力损失主要发生在张拉至锁定的瞬间，锁定后预应力损失为所施加的10%～20%，其中钢绞线松弛约占4.5%，锚具的锲滑约占1%，地层压缩蠕变约占4%～10%。

为减少预应力损失，设计中应该选用高强度低松弛的钢绞线和高质量的锚具，另外还应该对锚索进行补偿张拉或超张拉。

一般情况下，锚索自由段为土层时超张拉值宜为15%～25%，为岩层时宜为10%～15%。

3、生产性试验及实验
（1）、生产性试验
a、预应力锚索生产性试验目的
预应力锚索生产性试验就是按预应力锚索的施工生产过程对试件锚索进行受力检验、验证，通过各生产过程的试验，熟悉与优化施工工艺，验证设计参数，检验锚索锚固力是否达到设计要求，是保证预应力锚索施工质量不可缺少的重要环节。

b、预应力锚索生产性试验内容
①、验证锚墩尺寸
锚墩尺寸是通过对锚索循环逐级加荷时的锚墩位移变形来验证的。

通常情况在循环逐级加荷至设计锚固力时，锚墩位移不超过20 mm，持荷时间达到10min，不破坏，认为锚墩尺寸能满足要求，否则需加大尺寸。

②、锚索极限锚固力试验
极限锚固力指加荷至锚索的锚固段出现破坏时的荷载，锚索的破坏标准为：
Ⅰ、后一级荷载作用下的锚头位移增量达到或超过前一级荷载作用下锚头位移增量的2倍；
Ⅱ、锚头位移不收敛；
Ⅲ、锚头总位移超过设计允许值。

（2）、生产性实验
进行生产性实验主要针对压水性实验。

为了保证在锚索注浆时注浆不从孔内的的裂缝中流失，就要对钻孔的渗漏情况进行确定，为此，在第一次成孔后和锚索推送前，应对钻孔进行压水实验。

压水实验的水压力一般不大于0.3Mpa。

在具体的实验中应该按照以下的要求进行操作：
a、进行压水实验时应按岩层的不同特性划分实验段，实验段长度宜5～10m;
b、实验的起始压力、最大压力和压力级数按需要和现场情况确定；
c、应在每10分钟的间隔记录一次压入水量，当连续四次读数的最大值或最小值与最终值之差小于最终值的5%时，该值即为该压力下的最终压入水量；
d、压力应由小到大逐级进行，达到最大压力后再由大到小逐级减少到起始压力，并及时绘制压力与压入水量的相关图；
e、当测得钻孔在0.1Mpa的压力下10min内平均漏水量超过5L/m in时，应对钻孔进行预注浆；待注浆体固化后再进行钻孔并重复压水实验，直到漏水量满足要求为止；
f、当有水从钻孔渗出，且在邻近岩体区域内的节理裂隙中可看到渗水时，可不做压水实验而直接进行预注浆。

4、遇到地质缺陷问题的处理
（1）、钻孔过程中遇到塌孔、严重失水、漏风等现象，造成钻孔困难时，应认真分析原因，当确定为地质缺陷时，应先进行围岩钻孔固结灌浆处理，以及加深钻孔，直至内锚段全部到完整岩体为止，同时锚索长度作相应调整。

（2）、锚孔围岩灌浆时，如遇地质条件差，发生严重串孔时，将形成大面积承受灌浆压力的危险局面，对抗滑、抗倾覆稳定极其不利，优先采用单孔单灌，即灌一孔再钻相邻孔。

若效果仍未达到设计要求，则可采用：
a、充水平压，将串通的孔逐孔充水，也可阻塞孔口将孔内积水低压循环，既可减少串浆可能，又可将小量串浆立即冲出去，避免在孔内沉淀；
b、先临时封堵邻孔，待灌浆结束后，再对邻孔进行扫孔，严重串孔时，应会同监理、设计人员研究，并采取有效的补救措施。

（3）、当岩面高低不平，以及破碎极为严重，尤其是各种裂隙交错发育，使边坡岩体的稳定性大为降低，更为严重的是孔口有大量风化岩体的存在，这就需要:
a、撬除孔口危岩，
b、将锚墩体积增大一倍，再是张拉吨位适当降低。

5、几个异常情况的处理
(1)、端头锚索二次进浆管堵塞。

对二次进浆管已堵塞的锚索采取补设回浆管、利用原回浆管灌浆，提高压力灌浆等方式处理，对于其中的重要部位，设计采取了增补锚索、锚杆等措施。

补打锚索的施工，在张拉段灌浆前先检查二次进浆管，若不能保证通畅，则将锚索卸荷，另穿入15 mm钢管至孔底替代灌浆管，再重新张拉，从而保证了因处理二次进浆管堵塞而补打的锚索灌浆通畅。

（2）、锚索张拉伸长值超标。

出现伸长值异常的原因包括：锚固段裂隙窜浆使张拉段缩短、地质裂隙受压闭合等。

处理方法包括：确认为地质原因造成伸长值异常而保留使用、整束锚索返工等。

(3)、锚索夹片滑动或锁定回缩量超标。

出现异常的原因包括：个别批次的锚具夹片加工缺陷、钢绞线被尘粉粘染等，处理方法包括：卸荷后更换夹片重新张拉、单根钢绞线补偿张拉等
(4)、锚索张拉段灌浆异常情况。

在灌浆过程经常遇到裂隙漏浆、堵管等异常情况，分别进行了封堵裂隙、延长并浆时间等处理。

五、主要材料及机具设备
1、主要材料
（1）、钢绞线及锚具
a、钢绞线规格:
根据边坡体的高度和土压力分布情况，采用Ф15.24mm高强度底松弛预应力钢绞线，锚索分为5层设置，锚索排间距设置为3m。

钢绞线规格如下：
(2)、注浆材料
注浆材料主要分为：纯水泥浆和水泥砂浆，水灰比宜为0.4～0.45,根据需要掺入部分外加剂，灰砂比为1.0，一般注浆体抗压强度不小于30MPa。

水泥应该根据具体情况和设计要求选用，常采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

对永久性锚索，外加剂中不得含有有害性腐蚀性元素。

下表为常用的外加剂类型及掺入量：
2、机具设备
（1）、钻机
采用100D型钻机。

（2）、注浆泵
采用TTB50/3注浆泵，该泵适用于含颗粒≤2mm的浆液输送。

其主要技术参数如下：
（3）、搅拌机
（4）、千斤顶
采用ESYDC1500-200型。

六、劳动组织
主要人员祥见下表：
七、质量控制
1、材料和设备要求
锚索施工所需的水泥、钢材、预应力钢铰线及锚具等各类材料必须具有出厂检验合格证，并符合国家标准。

使用前需对各种材料做必要的物理力学试验，提供材料检验合格证书等资料。

预应力锚索试验使用的千斤顶、压力表等使用前必须进行标定或检验。

2、钻孔
锚索钻孔必须采用空气无水钻进工艺进行成孔，造孔精度符合如下要求：
a、孔位误差：水平偏差不超过±5cm，垂直偏差不超过±10cm。

b、孔径误差：不小于φ130mm。

c、孔斜误差：成孔后，用测斜仪量测，孔斜不超过3%。

d、钻孔倾角水平误差：与设计锚固轴线的倾角、水平角误差在±
1°内。

e、孔深：必须保证索孔嵌岩深不小于设计嵌岩深（以嵌岩深度控
制）。

3、下锚、制锚
锚索长度必须符合设计要求，在防护管与内锚固段钢绞线的交界处必须用胶布将端口密封牢固，防止水泥浆渗入管内。

下锚索过程应防止锚索扭曲。

4、注浆
砂浆配合比强度，注浆管的插入深度，注浆压力的控制等等必须符合相关规范要求。

在砂浆未完全固化前，不得拉拨和移动锚索。

5、张拉
浆体和外锚砼强度达到设计强度后，才能进行张拉。

张拉前要计算锚索钢绞线的理论伸长值，张拉需分级循环张拉。

锚索张拉分级如下：预张拉→ 0.25倍设计值→ 0.5倍设计值→0.75倍设计值→ 1.0倍设计值→1.2倍设计值。

每级稳压时间为
5min，到达超张拉值稳压15 min。

加载需平稳，速率控制在0.1倍设计值/ min，卸载速率不超过0.2倍设计值/ min。

张拉时应记录每一级荷载钢绞线的伸长值和稳定过程的伸长值，且与理论伸长值进行比较。

实测伸长值不得大于理论伸长值10%，也不得小于理论伸长值的5%，否则应查明原因并作相应处理。

八、安全措施
1、施工过程严格遵守高空作业等安全规定。

2、架设防护网。

3、钢绞线截取时，先把钢绞线整件固定，然后截取。

4、张拉时禁止施工人员站立千斤顶前方。

九、效益分析
采用预应力锚索，施工方便、快捷，对边坡稳定性可以起到一个快速的加固作用。

采用预应力锚索，可以避免常规的路基支挡方式所需要的庞大材料及人力，可以大大的缩减施工时间，通过力学检算及工程实践发现优于常规的支挡方式。

采用预应力锚索，在施工中，对周边的环境影响要小的多，符合目前环保要求。

预应力锚索进行边坡支挡所体现出的经济效益和社会效益是显而以见的，值得推广。

十、工程实例
1、宜昌至万州铁路工程是国家建设的重点工程。

该条线路属于山区铁路，路堑颇多，该地区属于岩溶地形，坡体风化严重，且植被覆盖率高，要满足安全以及环保要求，采用本工法后，经检测，完全满足设计要求，且施工快捷，社会效益和经济效益显著。

2、重庆轻轨线路，也多处采用预应力锚索，经检验也达到了设计要求。