无粘结压力分散型锚索施工

2010-11-12张世琴张光辉谭虓隆

四川水力发电 2010年6期

张世琴, 张光辉, 谭虓隆

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 工程概况

木里河俄公堡水电站调压井为开敞阻抗式调压井,在平面上成“L”型布置,井口以上内侧开挖边坡设计高度为 70m,坡比为 1∶0.3,岩石为灰岩。边坡开挖至 2400m高程揭示岀露分布 f4断层至下而上切割边坡岩体,断层产状为 N75°W/SW∠52°,岩层产状为 N60°W/SW∠44°,断层、岩层均倾下游,为斜向坡,表层岩体风化,卸荷强烈,碎裂状且坡顶分布有小范围卸荷松动层岩体,稳定性极差。

为确保调压井边坡的稳定和工程安全,增设了 47根无粘结压力分散型预应力锚索加固边坡。以调压井中心 30°线为界,上游一侧锚索数量共24根,在 2390及 2395m的高程布置了两排锚索,间距 3m,锚索设计为 100t,其中 2395m高程上锚索长 35m,2390m高程上锚索长 30m,所有钻孔均为俯角与水平夹角为 5°。在下游侧锚索数量共 23根,从 2390m高程开始布置 2～4层预应力锚索,锚索排距为 3m,相邻排错位 1.5 m高程布置,底部 2000kN的锚索长 25m,其余2000kN的锚索长 30m,最上部 1000kN的锚索长25m。

图 1 1000kN压力分散型锚索结构图

2 锚索设计

(1)1000kN锚索的设计。

图 2 2000kN压力分散型锚索结构图

1000kN级锚索设计要求的参数:锚索由 6根钢绞线组成,公称直径 15.24mm,标准强度1860MPa。锚索孔径为 170mm,采用 2级承载板承压,间距 0.8～1.2m,承压板直径 120mm,第 1级为 3根钢绞线(编号为 1-1、1-2、1-3),第 2级为 3根钢绞线(编号为 2-1、2-2、2-3),第二级承载板上的钢绞线长度较第一级减少 0.8～1.2m,内锚固段长度为 9m,锚具和夹片由厂家统一定制,锚索结构见图 1。

(2)2000kN锚索的设计。

2000kN级锚索设计要求的参数为:锚索由12根钢绞线组成,公称直径 15.24mm,标准强度1860MPa,锚索结构见图 2。

锚索孔径为 220mm,采用 3级承载板承压,间距 0.8～1.2m,承压板直径为 140mm,第 1级为 4根钢绞线 (编号为 1-1、1-2、1-3、1-4),第 2级为 3根钢绞线 (编号为 2-1、2-2、2-3、2-4),此后每级均为 4根,承载板上的钢绞线每一级长度相应减少 0.8～1.2m,内锚固段长度为 11m,锚具和夹片由厂家统一定制。

3 施工布置

(1)施工用风。

锚索施工用风主要采用 1台 21m3移动式电动空压机进行供风。

(2)施工用水。

在 2365m高程平台设置 10m3铁皮水池 1个,从系统水管引水至铁皮水池后,再从水池接φ50软管至施工作业面。

(3)施工用电。

在调压井边坡锚索施工中,用电量达到 248 kW(2台 YG-70A锚固钻机、1台 21m3移动式电动空压机、1台 JW200搅拌机、1台 YZB-50/70灌浆泵),因此,从供电房架设专用动力电线供施工用电,线路铺设总长度为 350m。

(4)施工道路。

利用调压井边坡外侧已经形成的施工道路运输材料及设备,道路长 150m。在道路外侧设置φ50钢管防护栏,防护栏高 1.2m,栏杆刷红白相间油漆,并在栏杆外侧张挂密目网。

(5)设备场地。

将调压井边坡 2365m高程平台作为锚索施工平台(设备停放和材料堆放场地)。所有的施工设备和施工材料先用 5t自卸汽车运输至 2#公路隧洞出口,然后通过 ZL50C装载机运输至2365m高程平台。

4 预应力锚索施工措施

(1)施工平台的搭设。

施工平台计算荷载为设备重量、作业人员、钻杆重量等,考虑安全系数后荷载为 8560N/m2。施工平台最大高度为 10m,在 2385m高程采用φ48架管搭设双层排架,排间距离约 1.5m,层间及钢管立柱间距为 1.5m,采用扣件进行连接。排架加固采用立杆和横杆进行加密,以达到锚固钻机施工的要求(钻机采用扣件与排架固定)。在锚索作业层设置操作平台,平台上满铺 5cm厚木板,以满足架设钻机和锚索作业要求。

(2)施工机具的选择。

①锚索施工采用 2台YG-70A型锚固钻机钻孔,1台 21m3空压机单独供风。

②锚索注浆采用 YZB-50/70灌浆泵,制浆采用 JW200搅拌机。

③张拉机具。锚索张拉采用 YCW250型千斤顶,配备 ZB4-500高压油泵进行张拉锁定。使用前对张拉千斤顶、高压油泵及油表进行配套标定,标定间隔不超过 6个月。

(3)锚索施工工艺流程。

预应力锚索施工工艺流程见图 3。

图 3 锚索施工工艺流程图

(4)锚索施工方法。

①锚索钻孔。

钻孔是锚索施工中控制工期的关键工序。为确保钻孔效率和钻孔质量,在锚索钻孔前,先对锚索进行编号,再由测量人员在边坡上放点,同时标明每个孔的方位角和孔深。钻机就位依靠罗盘控制钻杆的角度和倾角。钻机钻孔时,按锚索设计长度将钻孔所需钻杆摆放整齐,钻杆用完,孔深也恰好达到设计孔深。钻孔深度要超深 20cm,孔斜误差不得大于 3%,孔口坐标误差不得大于10cm。

钻进采用无水干钻,同时应严格控制钻进速度,防止钻孔偏斜、扭曲或变径。钻进过程中,要认真作好施工记录,如钻压、钻速、地层和地下水情况等。

钻孔结束,逐根拔出钻杆和钻具,将冲击器清洗好备用。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,塞好孔口。

塌孔、卡钻的处理。当钻孔穿越强风化岩层或岩体破碎带时,往往发生塌孔。塌孔的主要标志是从孔中吹出黄色岩粉,夹杂一些原状的(非钻头碎的、非新鲜的、无光泽的)石块,这时,不管钻进深度如何,都要立即停止钻进,拔出钻具,进行固壁注浆,注浆压力采用 0.4MPa,浆液为水泥砂浆和水玻璃的混合液,24h后重新钻孔。雨季,常常顺岩体破碎带向孔内渗流泥浆,因此,在固壁注浆前,必须用水和风把泥浆洗出(塌入钻孔的石块不必清除),否则,不仅固壁注浆效果差,还容易造成假象。

②锚索制作。

锚索在排架操作平台进行编制。编制锚索前,在排架操作层上满铺 5cm厚木板或马道板。编制前,人工将钢绞线放在操作平台上理直,采用增强型砂轮机切割。平均每 5人编制 1根锚索。

锚索内锚固段采用波纹形状,张拉段采用直线形状。钢纹线下料长度为锚索设计长度、锚头高度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作余量的总和,正常情况下,钢绞线截断余量取 50mm。将截好的钢绞线平顺地放在操作平台上,量出内锚固段和锚索设计长度,分别作出标记;在内锚固段的范围内穿对中隔离支架,间距不大于 200cm,两对中支架之间扎紧固环一道;张拉段每 m也扎一道紧固环,并用塑料管穿套,内涂黄油;最后,在锚索端头套上导向帽。

③锚索安装。

在安装锚索前,要核对锚索编号是否与孔号一致,确认无误后,再以高压风清孔一次,即可着手安装锚索。

锚索安装采用人工下锚,锚索平均每 m配备1人进行推送。

安装下倾锚索比较简单,没有多少技术问题。安装上倾和水平锚索时要注意以下四点:a、检查定位止浆环和限浆环的位置,对于损坏的,按技术要求更换;b、检查排气管的位置和畅通情况;c、锚索送入孔内,当定位止浆环到达孔口时,停止推送,安装注浆管和单向阀门;d、锚索到位后,再检查一遍排气管是否畅通,若不畅通,拔出锚索,排除故障后重新送索。

④锚固段注浆。

锚固段注浆采用排气注浆法施工。对于下倾的孔,注浆管应插至孔底,砂浆由孔底注入,空气由锚索孔排出;对于上倾和水平孔,砂浆由孔口注入,空气压向孔底,由孔底进入排气管排出孔外(水平锚索,空气经限浆环进入排气管)。

锚索孔注浆采用注浆机,注浆压力保持在0.3～0.6MPa。在最大灌浆压力下,灌浆段的吸浆量小于 1L/min,持续灌注 30min,灌浆工作即可结束。

⑤锚墩施工。

锚墩的作用是把锚具的集中荷载传递到岩面和调整岩面受力方向。为了使锚墩上表面与锚索轴线垂直,预先将一根外径与钻头直径相同的薄壁钢管和垫板正交焊牢。浇筑锚墩前,将钢管的另一端插入钻孔即可。

锚墩钢筋在钢筋厂加工成型,用 15t自卸汽车运输至 2#公路隧洞出口,再由人工运输至现场进行安装。锚墩模板采用普通组合钢模板,局部采用 3cm厚木模板和钢模板进行拼装,共制作 6套组合模板。锚墩混凝土在 2365m高程平台采用立式搅拌机进行现场拌制,3t卷扬机运输混凝土至工作面,人工入仓,φ50软轴振捣器振捣密实。

⑥锚索张拉。

锚索张拉是控制锚索施工质量的关键工序,决定锚索施工的成败。

张拉设备:采用 2套便携式千斤顶,型号为YCW-250,主要技术参数为:额定拉力 240kN,额定油压 50MPa,自重 18.2kg,配用油泵为 ZB4-500型电动油泵。

张拉原理:由于压力分散型锚索结构较为复杂,每级承载板对应的钢绞线的长度均不同,从第一级承载板到下一级承载板,依次每级减小 1.2 m(0.8m),从而使张拉段的长度依次减小 1.2m(0.8m)。采用便携式千斤顶(YCW-250)分级分序张拉,首先依次完成第一级钢绞线的张拉,然后依次张拉下一级钢绞线。为防止群锚效应等因素造成的应力损失,最后应使用便携式千斤顶进行补偿张拉。

工艺过程:在张拉过程中,采用以张拉力控制为主、伸长率校核的双控制方法。以 30m长的 2000kN锚索张拉为例。

调压井边坡 2000kN锚索锚固段长度为 11 m,张拉控制力 P=2200kN,锚索分为 3个单元。各单元锚索自由段长度分别为 L1=29m,L2=28 m,L3=27m(设计张拉力 P一般均需超张拉至110%;Ln为 n单元的长度,每单元由四根锚索组成),钢绞线弹性模量 E=1.95×105MPa,单根钢绞线截面面积 A=140mm2。

△L1=(P×L1)/(E×A)=(183333.3×29000)/(195000×140)=194.7(mm)(理论伸长值)。

△L2=(P×L2)/(E×A)=(183333.3×28000)/(195000×140)=188.0(mm)(理论伸长值)。

△L3=(P×L3)/(E×A)=(183333.3×27000)/(195000×140)=181.3(mm)(理论伸长值)。

差异伸长量:

△L1-2=△L1-△L2=194.7-188.0=6.7(mm);

△L2-3=△L2-△L3=188.0-181.3=6.7(mm);

差异荷载增量:

△P1=[(EA△L1-2)/L1] ×4

=[(195000×140×6.7)/29000] ×4=25229(N)=25.2kN;△P2=[(EA△L2-3)/L2+(EA△L2-3)/L1] ×4=[(195000×140×6.7)/28000+(195000

×140×6.7)/29000]×4=51359(N)=51.4kN。

张拉力与压力表值的换算见表 1。

表 1 张拉千斤顶与油压表检测数据表

根据千斤顶与油压表检测数据一次线性关系,可得其一次线性方程(由质检部门对张拉千斤顶和油表进行检测并提供线性方程):

表 2 张拉力与压力表值换算表

y=0.0157x+0.3

压力分散型锚索的张拉因各单元锚索长度不同,张拉时要注意严格按设计次序分单元采用差异分步张拉,根据设计荷载和锚筋长度计算确定差异荷载,并根据计算的差异荷载进行分单元张拉。张拉采用“双控法”即采用设计张拉力与锚索体伸长值来综合控制锚索应力,以控制油表读数为准,用伸长量校核,实际伸长量与理论值的偏差应在 ±6%范围内,否则应查明原因并采取措施后方可进行张拉。

张拉设备(主要是千斤顶和油压表)必须采用专用设备,并送具有相应资质的计量单位进行标定,且在有效期内。

锚索在正式张拉前,取10%～20%的设计张拉荷载,对其预张拉 1～2次,使其各部位接触紧密,钢绞线完全平直。张拉时应按一定的张拉速度进行(一般为 40kN/min)。

张拉程序:安装千斤顶→0→△P1(先张拉 L1单元,补足 L1单元差异荷载,量取 L1单元锚索伸长值 S1)→2△P1(量取伸长值 S2,计算 L1单元锚索 0-△P1的伸长值)→△P2(再张拉 L1、L2单元锚索,补足 L1、L2单元差异荷载,量取 L1、L2单元锚索伸长值 S3)→2△P2(量取伸长值 S4,计算 L1、L2单元锚索△P1-△P2的伸长值)→10%(预张拉,量取伸长值 S5)→20%P(量取伸长值 S6)→25%P→50%P→75%P→100%P→110%P(量取伸长值 S7)。

实际伸长值的计算。

L1单元锚索:

△L1=(S7-S5)+(S6-S5)+(S4-S3)+(S2-S1)

L2单元锚索:

△L2=(S7-S5)+(S6-S5)+(S4-S3)

L3单元锚索:

△L3=(S7-S5)+(S6-S5)

锚索的预应力在补足差异荷载后分 6级按前述张拉程序施加,即设计荷载的 20%、25%、50%、75%、100%和 110%。在张拉最后一级荷载时,应持荷稳定 10～15min后卸荷锁定。

将理论伸长值△L1、△L2、△L3与实际伸长值△L1、△L2、△L3进行比较,偏差值在 ±6%范围内则锚索张拉合格,否则应进行补偿张拉。

⑦外部保护。

封孔注浆后,从锚具量起,留 50mm钢绞线,将其余的部分截去,在其外部包覆厚度不小于 50 mm的水泥砂浆保护层。