岩体锚固施工技术分析

2010-04-11周志炎张汉华张凤姚

黄河水利职业技术学院学报 2010年3期

周志炎，张汉华，张凤姚

（1.中国水电建设集团四川电力开发公司，四川成都 610017；2.开封黄河河务局，河南开封 475000；3. 云南省水利水电科学研究院，云南昆明 650228）

0 引言

岩体锚固是利用锚杆或锚索稳定裂隙岩体的一项工程技术。它把锚杆或锚索埋置于岩体中，依靠与周围岩体之间的抗剪强度传递结构物的拉力，或使岩体自身得到加固，以保持结构物与岩体的稳定[1]1。由于岩体锚固技术施工简单、成本较低，能在施工后迅速提供支护力，有利于发挥岩体的固有强度，并能限制岩体的变形发展，从而进一步提高施工的安全性，提高岩体中软弱结构面、潜在滑动面的抗剪强度，改善岩体的力学参数及应力状态，使其向有利于稳定的方向转化，因此，岩体锚固技术广泛应用于矿山巷道、铁路隧洞和电站地下厂房等工程。

1 岩体锚固技术的发展情况[2～3]

1.1 岩体锚固技术在国外的发展情况

1911 年，美国首先用锚杆支护矿山岩石巷道。1934 年，在阿尔及利亚切尔伐斯坝的加高工程中，首先采用承载力为1 万kN 的预应力岩石锚杆来保持加高后坝体的稳定。之后，印度的坦沙坝、南非的斯登布拉斯坝、英国的亚格尔坝和奥地利的斯布列希坝也同样采用预应力锚杆加固。 1957 年，法国Bauer 公司采用土层锚杆。 20 世纪60 年代，捷克斯洛伐克的Lipno 电站主厂房（宽为32m）、联邦德国的WaldeckⅡ地下电站主厂房（宽33.4m）等大型地下洞室采用高预应力长锚杆和低预应力短锚杆（张拉锚杆）相结合的支护形式。 20 世纪70 年代，英国在普莱姆斯的核潜艇综合基地干船坞的改建中，广泛应用了地锚，用以抵抗地下水的上浮力。1974 年，纽约世界贸易中心深开挖工程（开挖21 m）采用锚固技术，950 m 长、0.9 m 厚的地下连续墙穿过有机质粉土、沙和硬土层直达基岩，由6 排锚杆背拉，锚杆倾角45°，工作荷载为3 000 kN。 20 世纪80 年代，英国、日本等国研究开发的一种新型锚固技术——单孔复合锚固，改善了锚杆的传力机制，能大大提高锚杆的承载力和耐久性。英国采用单孔复合锚固技术，在软土中使锚杆的承载力达到1 337 kN。1989 年，澳大利亚在Warragamba 重力坝加固工程中采用由65 根15.2 mm 的钢绞线组成的锚杆，最大承载力达16 500 kN。澳大利亚对Nepean 重力坝和Burrinjuck 重力坝分别采用承载力为16 500 kN 和16 250 kN 的锚杆加固。为了检验锚杆防腐蚀系统的完善性，瑞士开发应用了电隔离锚杆(电阻测定法)技术，该法已列入瑞士和全欧的锚杆标准。瑞典和日本开发的带膨胀端头的土中锚杆（膨胀体的直径可达0.8 m），改变了摩擦作用的传力机制，大大缩短了固定段长度，具有多方面的优点。

1.2 岩体锚固技术在我国的发展情况

20 世纪60 年代，岩体锚固技术开始在我国工程中应用。 1964 年，安徽梅山水库采用设计承载力为2 400～3 200 kN 的预应力锚杆加固坝基。20 世纪80 年代，北京的京城大厦、王府饭店、上海太平洋饭店等大型基坑工程采用预应力土层锚杆背拉桩墙结构。1993～1999 年，我国在深基坑和边坡工程中的预应力锚杆用量每年约为2 000～3 500 km。近20 年来，我国的岩体锚固工程技术获得了明显的发展和进步，在各相关行业部门发展速度较快，尤其是在矿山巷道、铁路隧洞和电站地下厂房中锚杆支护的应用技术得到迅速发展，取得了大量的成功经验和研究成果。

2 岩体锚固机理和力学效应

2.1 岩体锚固机理

岩体锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定，主要功能是：（1）提供作用于结构物上以承受外荷的抗力，其方向朝着锚杆与岩体相接触的点。（2）使被锚固岩体产生压应力，或者对被通过的地层起加筋作用。（3）加固并增加地层强度，改善岩体的相关力学性能。（4）当锚杆通过被锚固岩体时，能使这部分岩体内部产生预应力。

当然，锚杆的这些作用是相互补充的，对于某一特定的工程而言，可能是某一个或者几个方面一起联合发挥作用，从而保持岩体的稳定。

2.2 岩体锚固的加固力学效应

从加固的力学效应上看，岩体锚固技术一方面提高岩体强度、减少岩体变形的力学效应，另一方面加固变破损区的力学效应。中科院岩土所朱维申等人通过大量的实验研究表明[1]9：加锚岩体的单轴抗压峰值强度提高约17%，残余强度提高了一倍，抗变形能力显著增加，抗拉强度亦提高一倍；国内许多研究者通过数值计算，论证了锚杆支护对改善围岩应力状态和减少围岩塑性区，拉应力范围的显著效果。

3 岩体锚固施工技术要点

编制可行的锚固施工方案，是保证锚固效果的关键。锚固工程施工工序主要包括施工准备、锚孔钻造、锚筋制安、锚孔灌浆、钢筋混凝土施工、张拉锁定封锚等关键工作流程。

3.1 施工准备

（1）施工组织设计。施工组织设计要求明确施工方法、施工工艺、工序流程、劳动力组织和施工设备、材料、试验、监测安排及安全、质量管理。

（2）开工条件检查。必备的开工条件包括开工报告、锚筋材料试验、浆体材料试验、配合比试验以及相关机械设备等。

（3）按设计要求进行预应力锚索（杆）基本试验，即抗拔拉破坏试验。基本试验的目的在于研究和验证设计采用的工作锚索的性质和性能、施工工艺、设计质量、设计合理性以及所提供的安全储备，并着重研究锚索的抗拉承载能力、荷载与变形、松弛和蠕变等问题，同时考虑有关搬运、储存、安装和施工过程中抗物理破坏的能力。若发现问题，及时采取变更和完善等应对措施。

高福高速公路[4～5]路堑边坡锚固工程中所布置的预应力锚索基本试验(抗拔拉破坏试验)，受施工场地和施工进度等多种因素影响，设计基本试验锚索与工程锚索同步进行，即在基本试验锚孔施工完成后(紧接施做试验锚墩，并在锚固浆体达到28d 龄期且锚墩强度达到80%后进行基本试验工作，及时向业主、监理和设计部门提交基本试验报告)，同步开始工程锚孔施工，故也称验证性试验。

3.2 锚孔钻造

根据锚固设计，用白灰或油漆在相应位置上标出锚孔的位置，经检验无误后，方可进行钻孔工作。钻机施工在钢管脚手架作业平台上进行，脚手架应稳定、牢固，平台架板应满铺，并拉设相关护栏或护网。钻机就位时，利用地质罗盘对倾角和方位角进行校验，钻机导轨倾角误差在±1°之间，方位角误差在±2°之间，校验无误后才能开始钻孔。钻孔时，采用无水干钻法，以确保施工不恶化岩土工程地质条件和保证孔壁的黏结性能。进尺速度根据钻机性能和岩层情况严格控制，防止孔道扭曲变形。钻进达到设计要求的深度后，要稳钻1～2min，以防止孔底“灭尖”，然后利用高压空气稳压2～3min，将孔内沉渣吹出孔外。钻孔结束后，要复查锚孔孔径、深度、孔位、倾角和方位角，全部合格后方可进行下道工序。

3.3 锚筋制安

常用的锚固方法有预应力锚索、预应力锚杆和非预应力锚杆3 种。钢绞线采用砂轮切割机下料，要求每根长度误差小于5 cm，不得有机械损伤、死弯或锈坑。沿锚杆体轴线方向每隔1.0～2.0 m，应设置一个对中支架，必要时设排气管，并与锚杆体绑扎牢固。锚杆体自由段应用塑料布或塑料管裹套，与锚固段连接处应当用铅丝绑牢、封扎严实，并按设计要求进行防腐处理。

锚筋制作完成后，应按有关规范、标准对其进行检查。在水平运输时，各支点间距不小于2m，且转变半径不宜太小。垂直运输时，除主吊点外，其他吊点应使锚筋体快速安全脱钩，一切合格后即可进行安装。锚筋安装由人工进行操作。安装前，用铁丝在锚筋上固定对中器和导向帽，不能使用电焊连接。安装时，要均匀平稳地将锚筋推入孔内，尽量避免碰撞孔壁，如遇障碍，无法继续穿入，应将锚筋拔出，重新进行清孔后再安装。

3.4 锚孔灌浆

（1）注浆材料须符合设计要求和有关规划要求。在注浆作业开始和中途停止较长时间再作业时，应当用水或水泥稀浆润滑注浆泵及注浆管路。（2）注浆液应严格按照配合比搅拌均匀，随搅随用。注浆浆体强度应不低于40 MPa，并按批次备制试件。（3）锚孔钻造完成后，应及时进行锚筋体安装和锚孔注浆，原则上不得超过24 h。（4）锚孔注浆必须采用孔底返浆方法(注浆压力一般为210 MPa 左右)，直至孔口溢浆，严禁抽拔注浆管或孔口注浆。如发现孔口浆面回落，应在30min 内进行孔底压注补浆2～3 次，确保孔口浆体充满。（5）当采用二次劈裂注浆提高地层锚固力时，要求以浆体强度控制开始劈注时间(一次浆体强度为5MPa)，并在二次注浆管之锚固段内设花孔和封塞。（6）注浆作业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，且不得小于两组。浆体未达到设计强度的70%时，不得在锚筋体端头悬挂重物和拉绑碰撞。

3.5 锚具支承体混凝土施工

（1）基槽开挖。基槽的开挖由人工进行，深度按与工程线的垂直距离控制，遇局部架空时采用浆砌片石嵌补（用M10 沙浆）。基槽开挖结束后，要用2～5 cm 厚的水泥沙浆找平，防止雨水冲刷和污染钢筋，确保混凝土实体的几何尺寸。（2）钢筋安装。当基槽开挖结束后，即可进行纵横肋梁框架的钢筋安装。钢筋可在坑槽内现场拼装，当锚筋与框架钢筋相互干扰时，可适当移动钢筋的位置。（3）模板安装。框架混凝土模板可采用钢模、后背方木，以增加刚度和保持线形直顺。模板要支设稳固，防止漏浆，其顶面标高在支模时须严格控制，以满足设计要求。（4）混凝土浇筑。在钢筋、模板验收合格后宜尽快浇筑混凝土。混凝土坍落度在1～3 cm，由人工挑抬入模，用插入式振动器进行振捣施工。浇筑时，要注意锚具周围混凝土的振捣质量, 并防止碰撞锚具和锚具内漏浆, 必要时可辅以人工振捣。框架混凝土宜分片施工，浇筑梁肋时必须安装顶模，以确保振捣质量。在相邻框架的接触处，可先以2 cm 厚泡沫板相隔，最后再以沥青麻絮或沥青木板填塞。混凝土施工结束后，应及时覆盖，并与试块进行同体养生，为张拉施工提供条件。

3.6 张拉锁定封锚

预应力施工采用张拉力为150 t、最大行程为200mm 的穿心式千斤顶进行。在正式施工前，千斤顶与油泵油表要进行标定，并换算出相应拉力时的油表读数。锚杆按设计荷载的25%、50%、75%、100%、110%分级张拉，每级观察时间不少于10 min。锚索则应根据每束预应力筋长短情况的不同，采用先长束后短束、每两根为一张拉单元的顺序进行，每单元的张拉程度同锚杆相同。

锚筋在锁定后48h 内，如发现有明显的应力松弛现象，应立即进行补偿张拉。对未发现异常的锚筋，应当用砂轮切割机切除多余部分，随后使用C25混凝土进行封锚。