羅都顥， 蔣 思， 劉建友

(1. 中鐵五局集團第四工程有限責任公司， 廣東 韶關 512031；2. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京 100055)

0 引言

預應力錨索作為工程巖體主動加固的重要技術手段，可以改善工程巖體的應力狀態(tài)，提高圍巖強度和自穩(wěn)能力，在邊坡防護工程中得到了廣泛應用[1-4]。近些年，隨著我國地下空間大規(guī)模的開發(fā)利用，大跨度隧道工程不斷涌現(xiàn)。預應力錨索具有懸吊、減跨等作用，但受限于隧道斷面形狀，傳統(tǒng)預應力錨索方向由傾斜向下變?yōu)樨Q直向上或傾斜向上，錨索壓漿必須向上施作，錨固段漿液收縮后不飽滿，極易導致錨索的抗拔力降低[5]。另外，由于錨索的錨固段鋼絞線是通過無黏結鋼絞線去皮、除油、打磨后形成的，但鋼絞線芯部油漬無法通過這些工藝去掉，芯部的油漬會向外滲，一段時間后造成錨固段注漿體與筋體間黏結力減弱，隧道預應力錨索的張拉力達不到設計要求，或張拉時出現(xiàn)錨索脫落，給工程質量帶來極大影響。因此，針對大跨度隧道預應力錨索抗拔力提升進行研究極為必要。

國內外研究者采用理論分析、模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等手段對錨索的加固機制開展了大量的研究工作。趙偉等[6]研究了讓壓預應力錨索在隧道大變形控制中的力學特性及作用機制。李劍等[7]研究了預應力錨索內力變化規(guī)律及加固巖體的應力分布規(guī)律。張思峰等[8]研究了預應力錨索腐蝕損傷演化規(guī)律。張治國等[9]通過地質力學模型試驗研究了不同數(shù)量錨索加固后滑坡體與隧道結構的相互作用規(guī)律。李濤等[10]建立了基于應變相等的膨脹土-錨索耦合效應計算模型，通過試驗研究了4種不同含水率的膨脹土地層錨索預應力的損失規(guī)律。曹瑞瑯等[11]首次開展了預應力環(huán)錨襯砌大型原位加載試驗，明確了內水壓加載過程中襯砌預應力重分布特征，揭示了圍巖和環(huán)錨襯砌聯(lián)合承載作用。劉泉聲等[12]對錨索錨固力分布進行監(jiān)測，結果發(fā)現(xiàn)受大斷層水平剪切和擠壓作用，錨索的錨固作用得不到有效發(fā)揮，需加強錨索和注漿的支護強度。余瑜等[13]通過現(xiàn)場試驗研究了基坑錨索預應力的損失規(guī)律。呂剛等[14]提出了圍巖支護結構體系構件化設計方法，設計了錨桿、錨索、噴射混凝土和襯砌等支護結構。陳彬[15]提出了加快預應力錨索施工進度、保證質量的施工措施。凌云鵬等[16]提出了上中隔壁下雙側壁預錨錠工法，發(fā)現(xiàn)在側導洞擴大基礎內增加預應力錨索可以有效控制隧道管片上浮。

雖然目前對錨索的研究取得了豐碩的成果，但在實際施工過程中，仍然存在一些關鍵技術問題制約錨索的有效應用，例如： 軟弱圍巖中黏聚力不足導致錨索拉脫、錨索注漿體固結時間較大導致施工工效低下等。

本文通過理論分析和現(xiàn)場試驗，分析了影響預應力錨索承載力的因素，提出了增加錨索錨固節(jié)、采用分段高壓注漿和硫鋁酸鹽水泥等提升預應力錨索抗拔承載力的方法和施工工藝，并對該工藝的實施效果進行了驗證。

1 預應力錨索的結構

預應力錨索(拉力型)由錨具、臺座、無黏結鋼絞線、對中與隔離支架、波紋套管和過渡管組成。在設計預應力錨索時，根據隧道的特點，將臺座設計成鋼墊墩，拔除錨固段套管。預應力錨索的結構設計如圖1所示。

(a) 結構設計整體圖

(b)A-A剖面圖

(c) 隔離架布置圖

(d)B-B剖面圖

(e)C-C剖面圖

圖1預應力錨索結構設計圖(單位： mm)

Fig. 1 Design details of prestressed anchor cable structure (unit: mm)

2 影響預應力錨索承載力的因素

預應力錨索拉力的大小取決于錨索自身筋體的抗拉承載力、錨索錨固段注漿體與筋體抗拔承載力以及注漿體與地層間的抗拔承載力。錨索拉力為上述3者的最小值，即

Fc=min(F1,F2,F3)。

(1)

式中：F1為錨索筋體抗拉承載力，kN；F2為錨索錨固段注漿體與筋體抗拔承載力，kN；F3為注漿體與地層間的抗拔承載力，kN。

一般情況下，上述3種承載力中，注漿體與地層間的抗拔承載力F3最小，是制約錨索承載力Fc的主要因素，其可按式(2)計算。

(2)

式中：la為錨固段長度，m;fmg為錨固段注漿體與地層間極限黏結強度標準值，MPa或kPa，可通過試驗確定，當無試驗資料時，可查規(guī)范進行取值；D為錨桿錨固段鉆孔直徑，mm；k為錨桿段注漿體與地層間的黏結抗拔安全系數(shù)；φ為錨固段長度對極限黏結強度的影響系數(shù)。

由式(2)可知，當注漿體與地層間的抗拔承載力計算值較小時，要提高抗拔承載力，一方面要增加錨固段長度la，另一方面需要提高錨固段注漿體與地層間的極限黏結強度fmg。因此，錨固段長度、注漿體與地層間的黏結力是影響錨索自身承載力的主要因素。

在實際工程中，一旦設計單位確定預應力錨索承載力，錨索的長度和根數(shù)就會確定。根據新八達嶺隧道大跨度段預應力錨索承載力，錨固段長6 m，鉆孔直徑130 mm，一束錨索有5根或7根鋼絞線，安全系數(shù)為2.0，設計計算結果如表1所示。

表1八達嶺隧道大跨度段錨索承載力

Table 1 Bearing capacity of anchor cable used in large-span section of Badaling Tunnel

kN

由計算結果可以看出，錨索筋體抗拉承載力最大，影響錨索承載力的主要因素是錨索錨固段注漿體與筋體的抗拔承載力和注漿體與地層間的抗拔承載力。這兩者都與錨索的施工工藝有關，可見錨索施作工藝最后決定了錨索抗拔力能否滿足要求。

3 預應力錨索常規(guī)施工工藝及張拉試驗

3.1 常規(guī)的錨索施工工藝

一般情況下，拉力型錨索的施工流程為： 施工準備—測量布孔—鉆孔、清孔—錨索安裝—錨索注漿—錨索補注漿、等待強度—錨索張拉—封錨鎖定。

預應力錨索注漿工藝如圖2所示。壓漿時方向是漿液從孔底靠重力填滿整個孔道，先注自由段①，再注錨固段②，最后補注孔底③。

圖2 預應力錨索注漿工藝

Fig. 2 Conventional grouting technology of prestressed anchor cable

由于漿液在重力的作用下向周邊圍巖不斷擴散，會造成錨索錨固段漿液收縮后不飽滿，從而導致錨索的抗拔力減小。

對于錨索錨固段制作是指首先將鋼絞線按設計長度進行截取，截斷時使用砂輪機切割，然后對錨固段進行除油； 最后把鋼絞線理順放齊，準備好聚乙烯注漿管、排氣管、鍍鋅鋼管，在錨固段每隔1.0 m放置1個鋼隔離架(采用防銹鋼絲繩綁扎)，2個隔離架之間扎緊箍環(huán)1道，使整個錨固段呈棗核狀，自由端每隔2.0 m放置1個隔離架。

錨固段除油的施工步驟為： 錨固段去皮—鋸粉末、木屑、鋼刷打磨除油—高壓水槍除油—錨索分散—破棉布除油—檢查除油效果。錨索鋼紋線除油如圖3所示。

圖3 錨索鋼絞線除油

3.2 錨索現(xiàn)場試驗

在前期工藝性試驗階段，采用常規(guī)的注漿工藝施工了3根錨索，并進行了單循環(huán)驗收試驗，結果如表2所示。驗收試驗表明，3根錨索中有2根不合格。

表2八達嶺隧道大跨過段預應力錨索拉拔試驗

Table 2 Tension test of prestressed anchor cable in large-span section of Badaling Tunnel

錨索編號設計抗拔力/kN極限荷載/kN檢測結果備注2-32-1700840合格2-35-1700840不合格 施加最大荷載840 kN時伸長量大于103 mm,位移不收斂,錨索破壞2-37-1700840不合格 施加最大荷載840 kN時伸長量大于76 mm,位移不收斂,錨索破壞

3.3 原因分析

錨索不合格主要存在以下2個方面的原因：

1)注漿體與筋體抗拔承載力不足。錨固段鋼絞線去皮除油后，鋼絞線芯部油漬無法通過這些工藝除掉，芯部的油漬會向外滲，一段時間后造成錨固段注漿體與筋體間黏結力減弱；也不排除人為油漬沒有清除干凈的因素。

2)注漿體與圍巖抗拔承載力不足。由于采用常規(guī)的壓漿工藝，漿液在重力的作用下會向周邊圍巖擴散，造成錨索錨固段漿液收縮后不飽滿，從而導致錨索的抗拔力減小。

4 錨索施工工藝的改進

4.1 增加錨固節(jié)

為了提高錨索錨固段注漿體與筋體抗拔承載力，提出了一種錨固節(jié)新產品，如圖4所示。在錨索鋼絞線上每隔1 m增加1處錨固節(jié)，通過加大斷面面積提高錨索與注漿體之間的握裹力。錨固節(jié)安裝示意圖如圖5所示。新八達嶺大跨隧道Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖設置7-φj15.2 mm和5-φj15.2 mm的預應力錨索； Ⅴ、Ⅳ級圍巖在拱墻位置設置預應力錨索，間距(環(huán)×縱)分別為2.4 m×2.4 m和3.6 m×2.4 m； Ⅲ級圍巖在局部設置預應力錨索。

圖4 錨固節(jié)

圖5 預應力錨索錨固節(jié)安裝示意圖

錨固段除油后，進行鋼絞線編束及錨固節(jié)的安裝，施工工藝如下。

1)在錨固段每隔1.0 m放置1個鋼隔離架(采用防銹鋼絲繩綁扎)，2個隔離架之間扎緊1道箍環(huán)，使整個錨固段呈棗核狀。自由端每隔2.0 m放置1個隔離架。

2)錨固段每隔1.0 m在每根鋼絞線上安裝錨固節(jié)，增加錨索與混凝土漿液的握裹力。

3)錨索制作時，需安裝1根穿插的鋼絲繩，用于錨索的安裝。

4)組裝好的錨索應大體上成1條直線，為此要求在固定隔離架和緊箍環(huán)時，應扭直鋼絞線，所有鋼絞線不得互相交叉。

4.2 預應力錨索壓注速凝高強漿液施工工藝

為了提高注漿體與圍巖之間的抗拔承載力，通過分段高壓注漿工藝，使錨索鉆孔周邊圍巖得到一定的改善，同時，提升了錨索注漿體的質量。

硫鋁酸鹽水泥具有早期強度高、長期強度穩(wěn)定、低溫硬化性能好等特點，加入外加劑等使水泥凝結速度減慢，預留出漿液攪拌和壓漿的時間，然后改進注漿工藝進行注漿。注漿時先對孔口段封孔注漿，1.5～2.0 h后漿液凝固； 再利用其作為止?jié){體，由下向上進行錨索高壓注漿； 最后進行孔底補注漿。采用硫鋁酸鹽水泥注漿可以在注漿完成后1 d達到設計的張拉強度，實現(xiàn)快速張拉的目的。

預應力錨索注漿作業(yè)時采用雙注漿口、雙排氣口的結構完成注漿。雙注漿口、雙排氣口的錨索注漿工藝如圖6所示。首先，進行孔口端的封孔注漿，利用注漿口1注漿，其余3口作為排氣口，當排氣口1有濃漿排出時結束注漿； 等到漿液終凝，孔口端作為錨索孔內的止?jié){段，充分利用注漿口1再繼續(xù)高壓注漿，當注漿壓力上升到注不進去漿液時，停止高壓注漿，這樣就可以保證注漿過程無空氣，確保充填質量； 最后，進行孔底段的補注漿，利用注漿口2注漿，排氣口2進行排氣，注漿到排氣口2出現(xiàn)濃漿1～2 min時，結束注漿，最終使得錨索孔內注漿飽滿，緊緊地將圍巖與錨索連接在一起。

4.2.1 孔口段封孔注漿

預應力錨索注漿采用4根直徑為20 mm的PVC管(孔口段接頭連接鋼管)完成孔口段的封孔注漿?？卓诙畏饪资疽鈭D如圖6(a)所示。注漿管1作為注漿口，排氣管1、注漿管2、排氣管2作為排氣口，迅速排出孔口段孔內的空氣，減小孔內壓力，加速注漿，并使得漿液在孔口段填充飽滿、無氣泡。另外，排氣管1還作為判定孔口段封孔注漿結束時的觀察口。孔口段封孔注漿長度為5 m，注漿壓力為1.0～2.0 MPa，注漿時間為0.3～0.5 h，當排氣管1有濃漿排出時，孔口段封孔注漿完成。

4.2.2 錨索高壓注漿及孔底補充注漿

錨索高壓注漿及孔底補充注漿示意圖分別如圖6(b)和6(c)所示。待孔口段封孔注漿終凝后開始錨索高壓注漿，需1.5～2.0 h。高壓注漿利用注漿管1作為注漿口，注漿管2和排氣管2作為排氣口，注漿高度不斷上升，注漿壓力不斷增大，當增大到4.0 MPa時，注漿壓力達不到注漿能力，停止注漿； 最后進行孔底段的補充注漿，注漿管2作為注漿口，排氣管2作為排氣口和觀察口，補充注漿時，注漿壓力最大達到8.0 MPa，當排氣管2排出濃漿1～2 min時，停止注漿，表明整個注漿過程結束，錨索孔內的漿液飽滿。

4.2.3 高壓注漿施工工藝流程

預應力錨索安裝—硫鋁酸鹽水泥試驗—孔口段封孔注漿—錨索高壓注漿—孔底補充注漿—注漿結束。

5 錨索承載力評定

八達嶺長城站大跨度隧道設計共采用了695根錨索，選擇5%的錨索開展了單循環(huán)驗收試驗，并選擇了2束錨索開展了單循環(huán)破壞性試驗，試驗結果如表3所示。

表3 工藝改進后錨索拉力試驗結果

通過測試，工藝改進后錨索拉力均達到了設計和驗收要求。同時，為了測試錨索拉力極限值，現(xiàn)場對2號和4號2束錨索進行了單循環(huán)破壞性試驗，2束錨索均出現(xiàn)了錨索鋼絲斷裂后才停止加載。將工藝改進后的4號錨索試驗測試值與表2中常規(guī)錨索試驗測試值(840 kN)對比發(fā)現(xiàn)，采用先自由段封孔注漿、后錨固段高壓注漿的施工工藝可以使錨索極限荷載提高77%。

預應力錨索采用硫鋁酸鹽水泥進行注漿，張拉可以在注漿完成后2～3 d進行，較傳統(tǒng)的普通硅酸鹽水泥注漿工期節(jié)省約25 d，預應力錨索張拉效率提高了13倍，縮減了63%的工期。

為了驗證錨索錨固的耐久性，對錨索預應力進行監(jiān)測。圖7示出大跨段DK68+315斷面拱頂和右拱腰處錨索軸力監(jiān)測曲線。DK68+315斷面處圍巖等級為Ⅳ級，拱頂處錨索在安裝完成后150 d內表現(xiàn)出持續(xù)性的預應力損失，錨索張拉150 d后穩(wěn)定于720 kN，且波動幅度較小，錨索預應力損失率約為1.2%。右拱腰處錨索安裝后預應力損失較小，穩(wěn)定于711 kN，預應力損失率約為0.4%。

圖7大跨段DK68+315斷面拱頂和右拱腰處錨索軸力監(jiān)測曲線

Fig. 7 Axial force monitoring curves of anchor cables in crown and right arch at large-span section DK68+315

6 結論與體會

1)本文研究了影響預應力錨索承載力的因素，發(fā)現(xiàn)主要因素為錨固段注漿體與筋體間的抗拔承載力以及注漿體與地層間的抗拔承載力。這兩者均與錨索施工工藝有關，由此可見最終決定錨索抗拔力是否滿足要求的是錨索施作工藝。

2)依托京張高鐵新八達嶺大跨隧道，開展了預應力錨索現(xiàn)場拉拔試驗，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的預應力錨索施工工藝不能滿足規(guī)范的驗收要求，因此提出了增加錨固節(jié)和高壓注漿2種提升預應力錨索抗拔承載力的方法和配套施工工藝。

3)對比了施工工藝改進前后預應力錨索的極限承載力，發(fā)現(xiàn)工藝改進后預應力錨索極限承載力得到了顯著提升，預應力錨索張拉效率提高了13倍，縮減了63%的工期，具有較高的技術經濟效益。

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