大型导流洞预应力锚杆快速施工技术

2014-12-02夏志强罗仲列周红祖

四川水力发电 2014年2期

关键词：造孔导流洞钻杆

夏志强，罗仲列，周红祖

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 611730)

1 工程概述

白鹤滩水电站左岸共设置了3条导流隧洞，围岩稳定性问题比较突出，主要工程地质问题表现为:

(1)导流洞沿线断层较发育，尤其是断层与层间层内错动带等缓倾角结构面结合，易形成不稳定块体;

(2)凝灰岩和沿凝灰岩分布的层间错动带及层内错动带产状平缓，在隧洞顶拱出现时会沿洞展布较长距离，尤其是在导流洞中后段;

(3)导流洞沿线的P2β32、P2β3

3层为柱状节理玄武岩，其开挖后易松弛，原嵌合紧密的柱体会因松弛形成局部掉块现象;

(4)左岸地应力量值中等，随埋深的增大地应力量值也会有一定程度的增加，易产生岩爆及片帮。

由于该导流洞开挖洞径为特大型断面，部分洞段岩性偏差，洞室结构的安全至关重要。为确保左岸导流洞在施工期岩体稳定及建筑物结构安全，避免发生重大地质灾害，设计单位在原有锚喷支护的基础上，共设计了5245根预应力锚杆作为加强支护。预应力锚杆参数:预应力为150 kN，锚杆为螺纹钢筋，直径为32mm，长9m，外露长度为30cm，锚垫板尺寸为200mm×200mm×8mm。

2 设计优化

由于白鹤滩水电站工期非常紧张，在预应力锚杆施工中找到一种合理的、快速的施工技术对工程按时履约尤为关键。我们通过讨论及现场生产性试验，针对原施工技术进行的优化调整为:

(1)锚固段若采用水泥浆或水泥砂浆锚固，施工难度大，不易控制，锚固段张拉前待凝时间长，无法实现快速施工。在借鉴龙滩、溪洛渡、向家坝等工地预应力锚杆施工成熟经验的基础上，决定锚固段采用速凝型锚固剂，张拉段采用缓凝砂浆，在灌浆完毕5～8h后即可进行张拉，从而实现了快速施工。

(2)在确定采用“速凝锚固剂+缓凝砂浆”的锚固体组合方案后，施工现场还进行了三种不同施工工艺生产性试验对比，根据试验结果，比选出了更优、更快速的施工工艺:

施工工艺一:锚固段采用药卷速凝锚固剂，采用锚固喷枪输送药卷，速凝锚固剂注装完毕进行缓凝砂浆灌注，然后进行锚杆的安插与张拉;

施工工艺二:锚固段采用散装速凝锚固剂，利用注浆机拌制注装，缓凝砂浆在速凝锚固剂注装完毕随即灌注，然后进行锚杆的安插与张拉;

施工工艺三:锚固段采用药卷速凝锚固剂，采用锚固喷枪输送药卷，速凝锚固剂注装完毕进行锚杆及附件的安装，等强后张拉，最后进行自由段灌浆。

经现场试验发现施工工艺二具有工序少、操作简便、便于过程控制和实施效果好等优点。施工工艺二中的预应力锚杆结构见图1。

图1 预应力锚杆结构示意图

(3)原设计图纸要求锚杆钻孔直径为48mm，而锚杆直径即达32mm，造孔直径仅大于锚杆直径16mm，进浆管与回浆管无法埋设;另外，BOOMER-XL3D多臂凿岩台车(多臂钻)钻杆的最大长度为6m，造9m深孔必须进行钻杆套接后才能完成。钻杆安装连接套后，造孔直径不能小于65mm。为了满足施工要求，在征得监理工程师与设计的同意后，将孔径优化调整为φ65。

(4)多臂钻造孔钻杆最大长度为6m，造9m孔必须先取出6m钻杆，套上联接套后增加一根长3m的钻杆，若每次造孔均反复上、下连接套、钻杆，将导致造孔效率偏低且钻杆磨损较大。经讨论后决定在现场采用大规模分次成孔的方案，即以30个孔为一组，先用6m长钻杆将这组孔均造近6m深，添加连接套、3m钻杆后，再在原已造好6m深的孔的基础上进行再次加深造孔，从而避免了反复上、下联接套、钻杆的工序，提高了多臂钻的有效工作时间，达到了机械化、大规模快速施工的目的。

(5)采用锚固剂喷枪进行注装药卷锚固剂的施工方法，每卷锚固剂注装前要先清水浸泡2～3 min，操作人员不能有效及时控制喷枪的关闭，从而导致喷出的速凝锚固剂被吹出的气流冲出锚固段。此种方案工序繁多，耗时长，甚至出现管路易堵塞、易爆裂的情况，经优化，现场采用自带搅拌机的注浆机，整个注浆过程只需3min。注浆机注浆相对来说也更为简便、易控、安全。

(6)在现场进行生产性试验后，专门组织制浆人员、注浆人员、吊机操作手进行严格的培训，形成了预应力锚杆施工中的定人定位施工，使注浆程序成流水线作业，工序间衔接更为紧密，单根施工也更为快速。

3 施工工艺及施工准备

3．1 工艺流程

预应力锚杆施工工艺流程见图2。

图2 预应力锚杆施工工艺流程图

3．2 施工准备

(1)材料准备。

预应力锚杆施工所用的材料主要有:一端车丝的钢筋(HRB335热轧钢筋，长9m，丝扣长度为30cm)、速凝锚固剂(散装)、缓凝锚固剂、与杆体配套的锚具附件(钢垫板、螺帽、半球型钢垫圈等)。

本工程选用河南省巩义市豫源建筑工程材料有限公司生产的锚固剂，散装速凝锚固剂型号为:MSK3;缓凝锚固剂型号为:MSM1。拌和用水采用附近未污染的施工用水，砂为中细砂，粒径≤2．5 mm。

锚固药卷应有出厂检验合格证并按照相关规范检验合格。

钢(筋)材:端头锚垫板由钢垫板、螺母等组成，其材料符合水工建筑物钢(筋)材使用要求。

(2)设备准备(表1)。

表1 预应力锚杆施工主要设备表

(3)技术准备。预应力锚杆施工之前需进行以下准备工作:①钢筋力学性能检验，以保证钢筋材质满足质量要求;

②现场先做生产性试验，择优选择施工工艺;

③对多种材料进行室内试验，确定速凝锚固剂初凝时间为41min，缓凝锚固剂浆液初凝时间超过24h。在现场进行速凝锚固剂同步试验，确定锚固剂在孔内达到20MPa强度时约需5h，即在锚固剂注装5h后方可进行预应力锚杆张拉;

④在云南计量测试技术研究院进行了扭力扳手率定，20%设计张拉力时对应的扭矩为187N·m，50%设计张拉力时对应的扭矩为456N·m，105%设计张拉力对应的扭矩为957N·m;

⑤在现场进行了缓凝砂浆(配合比为水∶缓凝锚固剂∶砂 =0．4∶1∶0．5)同步试验，确定缓凝砂浆初凝时间超过16h以上。

4 施工过程

4．1 测量定位

根据设计图纸要求，对锚杆孔孔位进行测量放样，定出孔位并用红油漆标识。

4．2 机械化大规模造孔

预应力锚杆采用导流洞内负责开挖支护的多臂钻造孔，钻孔时要求钻杆垂直岩面，钻孔平直，孔轴方向偏差不大于1°～3°。以30个孔为一组，先全部用6m长的钻杆施工，一次性成孔6m，最后增加3m长钻杆后再在原已造好6m深的孔上一次性施工。造孔完成后，加大钻臂水阀，边冲边退钎，冲洗钻孔。采用这样的施工方案，多臂钻一个班就能造完一组孔。

4．3 钻孔检查

现场施工人员将注浆管逐一插入锚固孔中检查钻孔的深度是否合格，是否发生过塌孔。

4．4 称量及拌和

4．4．1 称量

施工现场配备了1台电子磅秤、2个塑料桶等称量容器，可以准确、方便地控制水、锚固剂、砂子的掺量。

根据试验室开具的配合比计算出水泥、砂、锚固剂的重量，然后进行严格称量。由于现场所用的注浆砂可能含水量大小不一样，现场所用的砂浆以稠度控制较为合适，将垂直及倾斜孔中的砂浆稠度控制在4～6cm，水平孔砂浆稠度控制在6～8cm。

4．4．2 拌和

速凝锚固剂用量相对较小，人工在自制拌料槽内进行拌制，拌和时间大约为3min，以浆液拌制均匀、无结块为准。

缓凝砂浆用注浆机自带搅拌机拌制，提前进行缓凝砂浆的拌制，并保证在速凝锚固剂拌制完成之前完成。缓凝砂浆拌制时，先在搅拌机内加入缓凝锚固剂，同时准备好相应量的水及砂，然后加入适量的水并进行搅拌，待基本拌制均匀后，再加入砂并继续进行搅拌至均匀，根据搅拌机内浆液的稠度加水或缓凝锚固剂。

4．5 注浆

锚固体注装分两段进行，注完速凝锚固剂后立即注装缓凝砂浆。注浆施工采用一台麦斯特注浆机一次性连续注浆，先按设计用量拌制速凝锚固剂，待速凝锚固剂全部进入注浆管后开始注缓凝砂浆。

4．5．1 注装速凝锚固剂

预应力锚杆内锚固段设计长度为3m，注浆采用1台麦斯特注浆机，通过DN25，L=25m注浆管进行，8t吊车平台作为操作平台，将速凝锚固剂从自制拌料槽转入注浆机输送槽后，事先将注浆管置于孔外排干管内积水，再将注浆管插至孔底，然后回抽5cm即开始注浆。注浆操作人员随着浆液的均匀注入缓慢拔管(基本由注浆压力把注浆管慢慢挤出)。

4．5．2 注装缓凝砂浆

待速凝锚固剂注装完后，将缓凝砂浆剂放入输送槽内，立即进行缓凝砂浆的注装，缓凝砂浆注浆拔管操作控制同速凝锚固剂注装。孔口1m段拔管速度应适当减缓，以防止浆液下掉，确保孔口段浆液饱满。注浆管拔出后，采用胶袋对锚杆孔进行临时封闭，防止砂浆漏出。

4．6 插杆

预应力锚杆均采用“先注浆后安插锚杆”的程序施工，因此，注浆结束后应立即安插锚杆。锚杆安装时利用1台吊车改装车配合人工进行，可在利用人工扶杆的情况下吊车液压升降臂将锚杆缓慢顶入以减轻作业人员的劳动强度，锚杆杆体端部加φ40钢管辅助送杆。吊机操作手必须服从锚杆安装人员的指挥，缓慢推进杆体并不断调整锚杆角度，将锚杆安装到位。插杆过程总体按照缓慢、匀速的原则进行，最后用棉纱临时封好孔口。注浆和杆体安装均在15min之内完成(实验室速凝锚固剂初凝时间为40min)。

4．7 安装托板、垫圈(球形垫)和螺帽

锚杆安插完成后，安装锚杆体托板、垫圈和螺帽，并调整托板位置使之与锚杆轴线垂直。若岩面采用球形垫也难以调平螺母与球形垫板平行，可采用适量速凝锚固剂垫平。

4．8 张拉

本次试验在锚杆安插后5～8h内进行了张拉。

预应力锚杆正式张拉前，先将张拉机具按设计要求进行率定，再按照20%设计张拉荷载对锚杆进行预张拉1～2次，使其各部位接触紧密，最后移机就位进行张拉。分别以设计荷载的50%、75%、105%逐级张拉，每级持荷5min，测读相应的杆体伸长值并做好记录。当加荷至1．05T(T为设计荷载，T=150kN)杆体伸长值无变化时，持荷锁定，然后卸荷，撤除机具。锚杆锁定后48h内，若发现预应力损失大于锚杆拉力设计值的10%时，应进行补偿张拉。

5 施工的合理组织

在导流洞开挖支护期间，开挖与支护作业受到的干扰极大。为了能更合理地组织现场施工，在导流洞由人工配合手风钻在掌子面造爆破孔时，同时安排多臂钻在后方造系统支护锚杆孔及预应力锚杆孔，正常情况下，爆破孔要比锚杆孔先完成，但由于爆破后洞内需要通风散烟及出渣作业，会极大地影响多臂钻造孔的施工效率。经讨论后确定将时间统一安排在支护高峰期时，爆破被定于6∶00、12∶00、18∶00、24∶00 四个点，爆破后要求马上出渣，此举刚好错开了多臂钻操作手检修机械、人员吃饭、交接班的时间，从而实现了机械的连续施工，极大地提高了造孔效率。

多臂台车兼顾导流洞支护施工，在满足导流洞支护造孔的前提下，及时协调进行预应力锚杆造孔，每批造孔量为30～40个，造孔完成后，对已造孔部位及时开始内锚段灌浆及锚杆安装作业，张拉作业滞后锚杆安装作业10～20m。同时，安排液压凿岩台车开始下一施工区的造孔作业，各作业程序根据施工强度合理均衡安排，搭接紧密，实现流水作业，工程进展顺利。