预应力锚索公路边坡加固原理是什么?施工工艺有哪些?请看中达咨询编辑的文章。
1、概述

预应力锚索挡土墙是锚杆挡土墙技术发展的产物,它是通过钻孔将钢绞线或高强钢丝锚固于稳定的地层中,并通过张拉产生预应力,从而达到稳定挡土墙或者稳定加固体限制其变形的目的。
世界上大规模应用预应力锚索并获得成功的典型实例是20世纪30年代阿尔及利亚舍尔法大坝的加固工程,该工程在应用预应力错索技术巾获得了较大的成功。从20世纪4O年代末至70年代初,锚索技术得到了迅速发展,加固理论、设计方法逐步形成和完善。目前已广泛应用于岩土工程的各个领域,积累了丰富的工程实践经验。
锚索技术在我国的研究始于20世纪60年代,从20世纪70年代开始,该项技术在我国的水电、国防、矿山等领域内逐步开始使用。20世纪80年代以来,随着研究的渗入和成果实践的增多,人们对锚索技术有了更深入的研究和认识,也在实践中积累了一定的成功经验。随着该项技术的发展和成功的应用,锚索技术得到了越来越广泛的应用,在对锚固技术的机理研究、试验设备以及施工工艺等方面的研究都取得较大的进展。
2、预应力锚索加固原理
预应力锚索加固防护,是把破碎松散岩体锚固在地层深部稳固的岩体上,通过施加预应力,使锚固范围内的软弱岩体挤压紧密,提高岩层问的正压力和摩阻力,阻止开裂松散岩体位移,从而达到加固边坡的目的。通过对部分坡体施加预应力锚索,把坡体锚固于潜在滑移面下稳定的中微风化变质岩中,保持坡面状态深入坡体内部进行大范围加固。
预先主动对边坡松散岩层施加正压力,增大坡体对滑移面的正压力,增大了抗滑力,使坡体趋于稳定。通过锚索孔的高压注浆,浆液能充填坡体内裂隙和空隙,提高了坡体内破碎岩体的强度,由于水泥浆的凝固作用使破碎的岩体连成整体,增强了坡体的整体稳定性。
3、预应力锚索施工工艺
预应力锚索工程具有鲜明的施工特点,是一项全新的施工工艺,其施工工艺流程见图2。
3.1钻孔
首先选择合适的钻孔设备。钻孔是锚固工程费用最高和影响工期的关键工序,同时也是影响锚固工程经济效果的主要因素。因此应根据锚固地层情况、锚孔深度、锚孔孔径以及施工场地条件等来选择钻孔设备。
按设计孑L口位置在脚手架上安装专用机座,将钻机与机座及脚手架固定好,复核孔口位置、方位和倾角,确认无误后,安上冲击器和钻头,接上风管,即可开钻。钻孔结束后,复核孔深,并以高压风将孔内粉尘吹净,以织物或水泥袋纸塞好孔口备用。
3.2锚索制作、安装
锚索的设计长度是从钻孔的孔口算起的,钢铰线的总长应为锚索的设计长度(钻孔的实际长度)、框架梁厚度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作预留量的总长。压力分散型锚索钢绞线采用厂家生产的无粘结型的钢铰线,钢绞线截取以前,首先进行调直,要确保每一根钢绞线始终顺直,不扭不叉。量出锚索的设计长度和锚固段三个单元的长度,分别做出标记,在每单元的起点位置安装钢质承载体及挤压套,且锚索的端部安放导向帽,下锚时能够顺利人孔。
锚索制作应满足下述要求:
(1)制作锚索的材料应满足有关钢绞线和高强钢丝的要求;
(2)钢续线宜使用机械切割;
(3)锚索制作宜在加工车间或有覆盖的工地内进行;
(4)锚索制作完成后,应对其进行详细检查,对于检查不合格的产品不得投入储存或使用。
3.3注浆
为保证注浆质量,注浆材料要求严格按照经试验合格的配比备料,注浆浆液应严格按照配合比搅拌均匀,随拌随用,浆体强度不低于40MPa,锚孔注浆必须采用孔底返浆方法(注浆压力一般为2.0MPa左右),直至孔口溢新鲜浆液,严禁抽拔注浆管或孔口注浆,如发现孔口浆面回落,应在30分钟内进行孔底压注补浆2次~3次,确保孔口浆体充满。
在注浆作业开始和中途停止较长时间再作业时,应用水或水泥稀浆润滑注浆泵及注浆管路。注浆过程应认真做好现场施工注浆记录,每批次注浆都应进行浆体强度试验,试件不得小于两组。浆体未达至0设计强度的70%时,不得在锚索端头悬挂重物和拉绑碰撞。
3.4锚索张拉
待锚固段的浆体强度、锚墩和垫墩的混凝土强度达到设计强度后,进行预应力张拉。张拉采用“双控法”,即采用设计张拉力和伸长值来控制张拉应力,当实际伸长值与理论伸长值差别大于±6%时,应暂停张拉,待查明原因和采取措施后方可继续进行。
张拉与锁定应注意以下几个方面:
(1)锚索在张拉前必须把承压支撑构件的面整平,将台座、锚具安装好,并和锚索轴线方向垂直。安装千斤顶时注意千斤顶轴线应与锚杆轴线尽量在一条直线上,而且不可压弯锚头部分。
(2)安装前应对千斤顶和电动油泵进行标定,拉标定的数据进行张拉。张拉时,事前检查油泵各阀门的工作情况和油管的畅通情况,以免在张拉时油泵工作不正常而造成张拉失败。
(3)锚索张拉应按一定程序进行,锚索张拉顺序,应考虑邻近锚索的相互影响。
(4)正式张拉前必须对锚索进行预张拉二次,张拉力为0.1~0.2Nt,使锚索各部位接触紧密、拉体完全平直,以消除杆体的隐蔽变形量。拉直后再进行张拉时,其变形量起点以此状态为零记起。
(5)锚索张拉荷载要分级逐步施加,不能一次加至锁定荷载。
3.5封锚
锚索锁定后,做好记号,观察三天,没有异常情况即留10cm后用手提砂轮机切割多余钢绞线(严禁电弧烧割)。最后用水泥浆注满垫板及锚头各部分空隙,并按设计支模,用C30砼封锚处理。
3.6锚索预应力损失的处理
锚索的预应力损失是预应力锚索工程中常常遇到的问题,其来源主要有三个方面:张拉过程中的损失、锚索锁定过程中的损失和由于时间的推移而引起的预应力损失。
减小或避免预应力损失的方法主要有:
(1)锚索材料的选择:为减小锚索的预应力损失,应选用高强度低松弛性的钢绞线以及与之配套的锚固体系。
(2)岩土体的选择:锚固段应置于坚硬完整的岩土体中,使锚索有稳定的根基,外锚段如桩后的岩土体必须坚实,以避免应力集中区岩土体徐变过大,增加预应力值的损失。
(3)优化张拉力的设计:由于施加的预应力与张拉力成正比,因此设计时应考虑避免大吨位的出现,即以多孔位、小吨位为宜。另外,在结构强度许可的情况下,采用超张拉可以将桩后土层处于超压密、超固结状态,从而减小后期预应力损失。
3.7施工注意问题
为保证锚索施工质量,锚索施工过程中应注意以下问题:
(1)各关键施工工序必须设立专职负责人,并认真做好质量的自检与互检。
(2)各工序的施工人员必须严格按照施工操作规程或规定进行施工。
(3)所有施工用机械、材料、配件必须进行详细检查或检验。
(4)水平流水作业施工中,上一道工序不合格或未经验收的施工阶段成品,不得进入下一道施工工序。
(5)在施工的安全过程中,必须认真做好施工记录和施工日记,将各参数认真填入记录表中,并作为竣工验收资料必备内容的一部分。
4、结语
预应力锚索作为高危边坡加固的一种有效措施,在各种边坡工程建设中得到了广泛的应用。由于锚素工程具有隐蔽性和专业性强的特点,所以,在施工中应严格按照有关规程进行操作,以保证锚索的施工质量。
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1.2.2.1 井工开采主要特点分析
我国近90%的煤炭是通过井工开采生产的。井工煤矿开采必须从地面向地下开掘一系列井巷(图1-2),其生产过程是地下作业,自然条件复杂。开采的主要特点是需要进行矿井通风,存在瓦斯、煤尘、顶板、火、水五大灾害。[1,2]
图1-2 煤炭井工开采
(1)矿井通风。因为井工煤矿生产是地下作业,地面空气在进入井下并流经各作业场所的过程中,将掺入有害气体和矿尘,成分逐渐发生变化。同时,由于地热作用,人体和机械散热,水分的蒸发等,井下空气的温度和湿度都会显著增高,造成不良的气候条件,因此,要对矿井进行通风。
(2)瓦斯、矿尘灾害。在开采煤炭的过程中,要产生瓦斯和矿尘。瓦斯和矿尘在一定条件下会发生爆炸,造成人员伤亡和财产损失;矿尘还能使矿工患煤、矽肺病,给矿工带来痛苦。
(3)顶板灾害。在地下采掘过程中,由于矿山压力的作用,顶板会垮落。如果顶板管理工作出现漏洞,则会发生顶板事故。
(4)矿井火灾。矿井火灾也是煤矿生产中的主要灾害之一,一旦发生矿井火灾,不但会造成煤炭资源的损失,打乱各项工作的布置,还往往会造成瓦斯、煤尘爆炸,使灾害程度和范围扩大。
(5)矿井水灾。矿井在建设和生产过程中,地面水和地下水会通过各种通道涌入矿井。为保证矿井正常建设与生产,必须采取各种措施防止水进入矿井,或者将进入矿井的水排至地面,但当矿井涌水超过正常排水能力,或在采掘工作时挖透老塘积水或岩溶水等地下水体时,就会造成水害。
1.2.2.2 井工开采主要作业内容
(1)井工开采方法与工艺

采煤方法与工艺的不断完善是采矿发展的主题,采煤工艺的发展带动了煤炭开采各环节的变革。由于长壁开采是一种最经济的井工采煤方法,目前壁式采煤法在全球井工开采中普遍应用,占据着核心地位。
长壁采煤工艺中,针对缓倾斜、倾斜煤层,目前采用的采煤方法与工艺有缓倾斜薄、中厚煤层单一长壁综采,缓倾斜厚煤层倾斜分层长壁综采,缓倾斜厚煤层一次采全高长壁综采,缓倾斜厚煤层放顶煤长壁综采等。
目前长壁工作面向集中、高效方向发展,工作面长度不断增大。世界上第二条采高达7m的综采工作面已经于2010年12月在上湾煤矿建成。7m大采高重型综采工作面长319m,比神华神东煤炭集团公司补连塔煤矿第一个7m大采高工作面长18m,走向长度4231m,是目前世界上最长的大采高工作面。正常情况上每刀可割煤2700t,较6.3m采高综采工作面单刀多产300t,资源回收率提高14%,较6.3m采高工作面多采出煤炭100万t,资源回收率提高8%以上;2011年创造了126.5万t世界综采月单产纪录,综采年单产达到1400万t水平。
神华集团神东公司大柳塔矿,工作面走向长度2000~6200m,平均4100m,工作面长度240m,2002年综采工作面年产量达到874万t,超过了美国20英里矿保持的综采工作面年产649.43万t的世界先进水平;兖矿集团兴隆庄矿,综放一队产量达639.92万t,刷新综放工作面年产新纪录,薄煤层刨煤工作面单产已突破百万t大关。
针对厚及中厚急倾斜煤层,目前普遍采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法;针对急倾斜特厚煤层,采用水平分段放顶煤采煤法。倒台阶采煤法、巷道短壁小阶段采煤法在急倾斜煤层开采中也较多采用。新疆乌鲁木齐矿业集团碱沟矿开采84°急倾斜煤层,使用水平分层放顶煤工艺,工作面年产达45.9万t,刷新我国急倾斜工作面生产纪录。
我国是世界上应用水力采煤最早的国家之一,产量据世界前列,在倾角10°以上、煤层中厚以上、顶底板稳定的低瓦斯矿井有较好的应用前景,特别是在煤层厚度、倾角变化较大的不规则煤层中应用更能发挥其能力。
(2)技术装备
井工开采技术装备总体趋势是根据煤炭开采条件,以高产高效、减人增效、安全可靠为目的,向大型化、集约化、自动控制、无人工作面发展。
综采工作面:主要设备均实现机电一体化,具有自诊断功能和通讯功能,为工作面生产自动化,提高系统的开机率,保障系统的安全可靠运行及全矿井的自动控制及信息化管理奠定了基础。应用辅巷多通道快速搬家技术,从旧工作面采通,挂网,重型综采设备的回撤、搬迁,到新工作面的设备安装调试并达到试生产条件最快仅需7d时间,真正实现了快速、安全、优质、高效。许多工作面使用高电压(3300V或4160V)。
无人工作面:我国引进德国采矿技术公司(DBT)全自动化刨煤机综采系统(刨煤机、输送机及计算机远程控制技术),其余配套设备均由国内各生产厂家协助制造。可适应35°以下薄及中厚煤层,工作面经济长度210m以上,生产能力900t/h,电机功率630kW,目前正在国内铁法煤业(集团)公司等矿山应用。
采煤机械:我国大柳塔矿引进的6LS 5型采煤机,装机总功率为1500kW,生产能力达2800t/h,电牵引调速;微机控制,采用先进的信息处理和传感技术,对采煤机的运行工况及各种技术参数进行采集、处理、显示、存储和传输,并通过编程对采煤机进行全面控制、监控和保护,以及实现采煤机电气系统的自动调节,截割电机功率自动平衡和机械故障自动查寻诊断等功能。螺旋钻机无人采煤技术在我国也较为成熟,在薄煤层开采中的发展前景十分广阔。日前,一种新型三钻螺旋钻式采煤机已在我国研制成功。该采煤机应用于薄煤层中,对提高煤层资源回收率效果明显。该机的一次采宽为1.9m,采深可达85m,适用于煤层厚度为0.5~0.9m,煤层倾角-15°~+15°,煤层走向倾角小于8°的各种硬度的薄煤层,其日产量可达250~350t。
液压支架:多采用大采高强力两柱掩护式支架,工作阻力达6000kN以上,最高达9800kN。
刮板输送机:要求大运量、长运距、大功率、长寿命、高可靠性,几乎所有的刮板机都使用双中链,刮板机功率达1790kW,小时输送能力可达2500t以上。
胶带输送机:要求长距离、大运量、大功率,以保证大煤流的运输畅通,有的工作面可以伸缩带式输送机的铺设长度已达5000m,运输能力为2000~3000t/h,带速达5m/s,装机总功率1125kW。桥式转载机输送能力达2500t/h,长度27m,电机功率315kW。
(3)采场围岩控制技术
国内大型煤矿采场多采用重型液压支架支护,巷道支护则以锚杆支护为主。中、小型煤矿回采面多采用单体液压支柱、金属支柱支护,巷道支护多以锚杆为主,砌碹、金属支架为辅。
针对坚硬顶板、破碎顶板、急倾斜、大采高、大采深采场等不同条件的支护技术和材料不断推出。耐炮崩、轻型化单体液压支柱和厚煤层巷道锚索、可伸缩锚杆陆续生产。
监测仪表趋于直观、轻便、小型化。
1.2.2.3 井工开采存在问题剖析
(1)采煤技术水平较低,技术装备较差,煤机制造技术落后[3]
与国外同行业相比,在机电一体化、智能化、自动化的控制技术,产品可靠性技术,数字集成技术与计算机辅助设计技术方面,仍然存在较大差距。
中、小型矿井落煤方式还以炮采为主,工作面走向长度偏短;采煤方法多为长壁工作面开采,全部陷落法管理顶板,因而对上覆岩层和地表的破坏较为严重。
在采煤机械化系统中,运输系统、采场围岩控制系统、巷道准备系统和辅助运输系统技术装备较差,功率及生产能力较小,机械化程度和工效普遍不高。
引进消化国外先进设备方面不够。在井下自救系统中,避灾系统、个人防护装备水平仍然很低,对瓦斯等重大灾害预测预报的仪器、仪表还不能完全达到要求,对安全事故的防治技术及装备不能充分有效防治灾害或最大限度减轻灾害。
(2)重大科技攻关课题难以实现,重大安全技术问题难以解决
目前,我国煤矿在“一通三防”(矿井通风,防治瓦斯、防治煤尘、防灭火)及防治水、矿井深部地压、冲击地压、高温害和支护等方面存在许多技术难题,严重威胁着煤矿安全生产,这些涉及行业技术发展共性的基础性和前瞻性重大科技工作课题,国家支持范围和力度与过去相比大大减少。重点煤炭企业下放后,受单个企业和科研院所经济实力限制,难以开展技术攻关。
煤炭地下气化技术和煤炭地下浆化(液化)技术,受经济成本等因素影响未能有效推广应用。
(3)专业技术人才面临青黄不接的状况
国有煤矿中,大专以上程度的技术人员仅占职工总数的3%,而个体煤矿相应技术人员的比例更低,该比例在发达国家则占60%以上。在近40个年产500万t以上的大中型煤炭企业中,工程技术人员不足2000人。由于煤炭行业安全的特殊性,地矿类专业学生比例逐年减少,据9所原煤炭高校的不完全统计,毕业生到煤炭行业就业的不到10%。某矿业集团近10年流失人才900多人,其中技术人才270人,10年内未进1名大学生。技术人员匮乏和层次低,使技术措施不到位,制约煤矿生产安全技术和管理水平的提高。
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