锚杆锚固质量检测分析及应用

杨 帆，宋伟健，郭 奇，郭智阳

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130062）

近年来，随着国家大力提倡新能源建设，水利水电行业得到了飞速发展，大量水电站已进入工程建设期，由于各工程建设地点的地质条件各不相同，且围岩等级分类差异较大，会给施工造成了一定的影响，锚杆锚固施工质量的好坏直接影响着基础岩体的整体性和坚固性，因此在保护围岩稳定性的施工过程中，利用锚杆支护是近些年水电施工中必不可少的一部分，锚杆不但支护效果好，且用料省、施工简单。对锚杆锚固质量进行检测既能保证施工有序进行，又能保证水工建筑物的安全，避免造成不必要的损失。

1 方法工作原理

锚杆锚固质量在传统弹性波反射法基础上衍生出来的一种可以对砂浆饱和度进行有效检测的方法，在长度测定合格时，从锚杆顶部发射的应力波经杆体向四周传播，在锚杆与砂浆、砂浆与围岩界面发生反射和投射。在锚固体系中，注浆均匀、密实时，由于波阻抗差异不大，大部分能量直接投射到围岩体中，当注浆不均匀、不密实时，砂浆中存在空隙，在空隙处将存在不同程度的波阻抗界面，叠加已有的反射信号，根据突变点位置和反射信号的强弱，可以确定锚杆锚固质量，并进行注浆饱满度估算和分级。

2 检测数据分析

锚杆检测资料分析以时域分析为主，辅以频域分析，并结合波形特征等因素进行综合分析判定。在砂浆锚杆中，锚杆速度是钢筋与砂浆组合体的速度，不同规格的锚杆，由于钢筋与砂浆所占的权重各不相同，其波速也不尽相同，在实际检测过程中，应首先选取不少于3根注浆饱满度大于90%的相同材质和规格同类型的锚杆计算平均值，用以计算检测锚杆的长度。

计算长度时杆底反射谐振信号的识别,是以杆底谐振峰排列基本等间距，其相邻频差的相对误差不大于5%为依据，杆底反射时间差采用多个杆底谐振峰的平均值计算。

计算缺陷时，时域缺陷反射信号到达时间应小于杆底反射时间，幅频域缺陷频差值大于杆底频差值，若缺陷界面的波阻抗差值为正，则缺陷反射波信号的相位与入射波信号反相，二次反射信号的相位与入射波同相，依次交替出现；若缺陷界面的波阻抗差值为负，则各次缺陷反射波信号均与杆端入射波同相。

3 工程概况

山东沂蒙抽水蓄能电站位于山东省临沂市费县县城东北方向约24 km处，距临沂市公路里程69 km，距济南市公路里程264 km，交通便利。

该工程属一等大（1）型工程，规划装机容量1200 MW，装机4台，单级混流可逆式水泵水轮机，单机容量300 MW。电站建成后，在山东电网系统中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用及黑启动。

枢纽工程建筑物主要由上水库、水道系统、地下厂房系统、下水库、地面开关站及中控楼、补水系统等建筑物组成。

该工程涉及的锚杆均选用II级或III级高强度的螺纹钢筋或精扎高强钢筋，注浆锚杆的水泥砂浆中的水泥应采用水泥强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥，砂采用最大粒径小于2.5 mm的中细砂。

施工过程中对于上倾角大于45°且长度不小于7m的砂浆锚杆采用先插锚杆、后注浆的方式施工，其余砂浆锚杆则先注浆后插锚杆。灌浆压力以回浆管口压力为准。压力暂定为0.2～0.3 MPa，以现场试验为准。当回浆管出浆连续，且比重大于或等于进浆比重时，并浆至压力下降不大于25%时结束。锚杆注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔锚杆。

4 成果分析

这次针对性对常见的黏结型砂浆锚杆注浆饱满度进行检测，砂浆锚杆采用先注浆后插入锚杆的原则，待砂浆凝固7天后检测，检测时用角磨机打磨锚杆头，除去砂浆、铁锈等，保证杆头平整光滑。采集的反射波波列图横向显示为反射波在锚固界面运行的时间，利用其走时与界面传播速度的乘积计算锚杆的长度，纵向为反射波形振幅及相位图，注浆饱满的锚杆振幅会均匀衰减，且相位一致，当出现空洞时，缺陷位置会出现强反射波，振幅增强，相位不一致。

首先对已知工艺性试验的砂浆锚杆进行检测，工艺性试验采用的砂浆锚杆为直径为28 mm，长度5.0 m，入岩4.85 m。然后对现场泄洪洞实际施工的砂浆锚杆进行随机检测。

工艺性试验锚杆：

通过图1波形可知锚杆反射波型连续、能量逐渐降低，无异常反射波出现，且相位基本一致，锚杆锚固质量较好。经实际计算该全长砂浆锚杆，实测长度5.0 m，外漏0.16 m，锚固长度4.85 m，注浆饱满度93.0%，锚固质量Ⅰ级，经现场剖开处理，检测结果与实际情况相吻合。

图1 工艺性锚杆砂浆检验波形

已施工锚杆：该锚杆为泄洪洞内随机抽选设计长为3.0 m全长砂浆锚杆。

由图2可知，实际检测的反射波有明显的叠加，呈强反射形态，且波形不均匀，相位不一致，均为注浆效果不好产生的空洞所致。经实际处理得知锚杆长度为3.0 m，外漏0.1 m，锚固长度2.9 m注浆饱满度为77.0%，锚固质量为Ⅲ级，为不合格锚杆。

图2 泄洪洞随机锚杆砂浆检测波形

5 结语

1）经过实际工程验证，锚杆的无损检测是较好的一种以不破坏原有的应力体系的检测方法，工作中可以通过大量的对比试验及计算过程，对锚杆的长度及注浆饱满度进行准确的检测。

2）在进行锚杆注浆检测时，对同一根锚杆需多次采集，在波形一致时方可进行评判，对于波形不一致或现场干扰大等因素造成的可能影响判别时，需用拉拔试验等其他方法加以辅助。

3）锚杆无损检测是一种检测注浆饱满度的方法，对于实际材料的使用、锚固力能否满足设计要求无法判断，因此在检测过程中需时刻对钢筋的型号、砂浆的配比及施工工艺进行详细的了解与跟踪。