锚杆张拉用扭矩扳手率定方法研究与应用

朱家林 李长青 侯战鹏

(中国水利水电建设工程咨询北京有限公司，北京 100024)

在水利水电工程中的高边坡支护、地下洞室边顶拱支护，以及建筑工程中深基坑支护中，经常以预应力锚杆，作为加固围岩或基础的手段，提高围岩或基础的抗剪强度、整体性、稳定性等。双江口水电站地下洞室群多部位设计应用预应力锚杆，在张拉工艺选择上，经过综合比选，采用使用频率较高的扭矩扳手张拉方式进行张拉。在使用扭矩扳手张拉时，需进行扭矩扳手率定，以实现力矩向张拉力的换算。在进行工艺试验时，借鉴类似水电工程的率定方法进行扭矩扳手率定，试验发现率定的结果偏差较大，不能指导现场施工。本文通过一系类模拟工艺试验和工程原位验证试验，研发出一套简便实用的扭矩扳手率定工具，率定工具能够快速、精准地实现扭矩扳手率定，对采用扭矩扳手张拉的预应力锚杆施工具有指导意义，对工程的质量和安全更有保障作用。

1 工程概况

双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康县、金川县境内，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库。双江口水电站为Ⅰ等大(1)型工程，枢纽主要建筑物为1级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。枢纽工程由拦河大坝、泄洪建筑物、引水发电系统等组成。水库正常蓄水位2500m，水库总库容28.97亿m3，死水位2420m，调节库容19.17亿m3，电站具有年调节能力。装机容量2000MW(500MW×4台)，多年平均年发电量77.07亿kW·h。

2 预应力锚杆张拉工艺比选

根据设计蓝图，引水发电系统地下厂房、主变室、尾水调压室及尾水洞等部位均设计有预应力锚杆，其规格有：HRB400C28、HRB400C32、HRB400C36，均为L=9.0m，T=120kN，总计预应力锚杆数量有1.67万根，其中φ36、L=9.0m、T=120kN的预应力锚杆约1.57万根。预应力锚杆的基本结构见图1。

1—孔壁；2—杆体；3—锚固段；4—张拉段；5—砂浆底座；6—钢垫板；7—螺母图1 预应力锚杆结构示意图

目前，预应力锚杆张拉工艺主要有两种，一是采用穿心式千斤顶张拉，二是采用扭矩扳手张拉[1]。根据双江口水电站预应力锚杆的结构、数量、支护强度、支护时机等因素，其张拉工艺选型如下。

2.1 穿心千斤顶张拉工艺

预应力锚杆具备张拉条件后，首先安装工作螺母，通过套筒将工具杆与预应力锚杆连接，再将穿心千斤顶安装至外露杆体上，夹片锁紧工具杆，施加应力分级进行张拉，张拉至设计应力后，扭紧工作螺母锁定，千斤顶泄压，张拉完成。千斤顶张拉工况见图2。

1—孔壁；2—砂浆底座；3—钢垫板；4—螺母；5—钢支腿；6—液压千斤顶；7—套筒；8—锚具；9—杆体图2 穿心千斤顶张拉工况

2.2 扭矩扳手张拉工艺

预应力锚杆具备张拉条件后，首先安装工作螺母，采用1500N·m级扭矩扳手分级扭紧工作螺母，直至最后一级扭紧锁定，张拉完成。扭矩扳手张拉工况见图3。

1—孔壁；2—砂浆底座；3—钢垫板；4—螺母；5—杆体；6—扭矩扳手图3 扭矩扳手张拉工况

2.3 张拉工艺综合比选结果

单根预应力锚杆采用液压穿心千斤顶张拉需要用时约4h，千斤顶本身重量约55kg，不利于现场安装，考虑到快速支护原则，需要同时多台张拉方可满足支护进度要求。采用扭矩扳手，可以直接分级张拉锁定，方便快捷，单根预应力锚杆张拉时间约30min，相比穿心千斤顶，大大缩短了张拉时间。借鉴国内多座水电站预应力锚杆张拉工艺，并结合双江口地下厂房系统支护强度的需要，最终确定采用扭矩扳手张拉工艺。

3 扭矩扳手率定工具设计

在工业设备上对螺栓特别是高强螺栓连接副都有扭紧力矩值要求。《水工混凝土钢筋施工规范》(DL/T 5169—2013)对直螺纹钢筋接头的扭紧力矩值提出了要求，如钢筋直径在28～32mm时，扭紧力矩是300N·m。而预应力锚杆张拉力是轴心拉力，单位是kN，扭矩扳手反馈的力矩是N·m，因此需要特定的工具实现力矩(N·m)向拉力(kN)的转换，这是设计扭矩扳手率定工具的初衷。

3.1 率定工具设计标准

能够实现力矩向拉力的换算；率定工具及率定张拉过程应与预应力锚杆实际张拉工艺基本匹配；率定工具简单方便，能够满足多种张拉力率定需要，便于挪动、便于长期使用。

3.2 设计思路

以率定过程和实际张拉过程基本匹配为出发点，将预应力锚杆杆体以外的山体，以钢结构替代岩体作为简化模型，钢结构即作为扭矩扳手的率定工具，其一端用于扭矩扳手张拉，另一端安装测力计用于应力监测。其采用的基本原理为牛顿第三定律(Newton’s third law)，当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反。即扭矩扳手扭紧螺母，通过螺母作用在杆体并传导到测力计上的力，等于测力计对扭矩扳手施加的力[2]。通过数据计算分析，得出扭矩与拉力的关系。

3.3 设计过程

3.3.1 初步设计及实施效果

3.3.1.1 率定工具的基本结构设计

初步设想率定工具由Q235 I20工字钢焊接而成的，基本结构由承载体和底座构成，其中承载体由工字钢横梁(长1.5m)、承载底座、钢垫板等通过焊接组成，底座由工字钢或钢板构成，组装后结构见图4。率定时，一端用于扭矩扳手扭紧，另一端安装测力计。扭矩扳手初步选定QLX1500型，最大扭紧力矩1500N·m。预应力锚杆杆体总长度取2.5m，率定时杆体和垫板保持垂直状态。

图4 第一阶段结构设计雏形及应用

3.3.1.2 结构稳定计算

根据初步设想结构，对率定工具的结构稳定进行计算，对率定工具的工字钢横梁施加的最大荷载，按《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)中设计锚杆张拉力的1.2倍取值[4]，即120kN×1.2=144kN，其他计算参数l0x=1.5m,l0y=0.75m。按《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)及《热轧型钢》(GB/T 706—2016)，相关技术参数计算如下：

a.I20热轧工字钢几何特性[5]：

查表得：A=3550mm2、ix=81.5mm、iy=21.2mm，则

λx=l0x/ix=1500/81.5=18.40

λy=l0y/iy=750/21.2=35.38

c.最大承载力计算[3]:

Nc=φAfy=0.9768×3550×215×2=1491kN>144kN。

3.3.1.3 扭矩扳手率定方法及数据整理

a.率定前，将预应力锚杆、测力计、垫板、螺母等按顺序安装到率定工具上，螺母工作长度及与垫板接触部位均涂刷黄油，以降低摩擦阻力。安装就位后，稍微扭紧螺母，调整同心度，设定扭矩扳手扭矩值在较小的刻度上。开始沿顺时针方向匀速转动扭矩扳手，待扭矩扳手发出报警响声时，停止操作，记录测力计显示的值。以后每隔一定刻分度设定扭矩扳手力矩值，重复以上操作,直至接近扭矩扳手最大扭力矩,并同时记录相对应的拉力值。

b.按照同样的操作方法重复一次，取测力计两次测值的平均值作为代表值。当每级测值超出±5%时，则重新进行率定。

c.数据整理。QLX1500型扭矩扳手大刻分度为140N·m，小刻分度为70N·m，按照140N·m刻分度递增采集的数据(见表1)。

表1 扭矩扳手与测力计率定成果

利用Excel软件进行回归方程计算(见图5)。

图5 扭矩扳手刻度(x)与测力计读数(y)关系方程

3.2.2 定型设计与复核

率定工具初步设计能够满足率定扭力扳手的需要，由于其初步设计工艺相对粗糙，不利用搬运和重复利用，基于率定工具的设计标准，对率定工具进行了优化升级，优化后工字钢横梁采用Q235 I16工字钢，并重新复核其结构稳定性。定型后的率定工具结构简单，搬运方便，多次率定数据偏差在2%以内。优化升级率定工具及张拉工况见图6。

图6 优化升级后率定工具及工况

4 实际应用效果比对

根据设计图纸和施工规范要求，预应力锚杆应先进行监测锚杆张拉，以指导后续张拉施工。为验证扭矩扳手率定效果，首先张拉主厂房中导洞顶拱预应力监测锚杆(杆体3.0m处安装有应力计)。按照规范分级张拉原则，在预应力锚杆正式张拉前，先对锚杆进行预紧张拉，使杆体完全平直，各部位紧密接触。根据扭矩扳手刻分度和率定结果，对表1数据进行进一步归纳整理，达到满足现场分级张拉控制需要，利用Excel软件进行归纳整理张拉分级(见表2)。

表2 现场张拉分级

根据归纳整理的数据进行现场张拉复核，其应力、应变及锚杆应力计结果均满足规范要求。因此，采用优化升级后的率定工具率定的扭矩扳手，其率定成果可以用于指导现场施工，实现了预期的设计目的。其现场验证成果见表3。

表3 现场张拉成果

5 经验与总结

a.在水利水电工程高边坡及地下洞室中采用预应力锚杆技术已有很多年，预应力锚杆施工工艺要求较高，目前普遍采用千斤顶张拉和扭矩扳手张拉，二者各有利弊。如果张拉工艺控制不到位，极易导致张拉力达不到设计要求或48h应力损失率超标。双江口水电站引水发电系统主要洞室在预应力锚杆上布置了锚杆应力计，这在水电站工程中很少见，一方面可以监测张拉过程，另一方面可以监测岩体应力变化。笔者认为在预应力锚杆上安装应力计有重大推广应用价值。

b.扭矩扳手率定工具研发初期，在扭紧过程中发现扭矩扳手接近最大扭力，而测力计值显示值较小，且多次率定循环的偏差值过大，工作螺母发生了滑丝破坏。通过采取在螺母工作段及与垫板接触面涂抹黄油措施，后续率定未再发生螺母滑丝破坏现象，多次率定结果偏差值极小。

c.扭矩扳手率定时采用的测力计为标定后的千斤顶，由于千斤顶搬运时需要将油管拆除，在复装时应注意将千斤顶进行多循环空载排气，否则将影响率定数据的准确性。

d.无论是率定过程还是实际张拉过程，其预应力锚杆与垫板均应保持垂直状态，偏心状态很容易导致螺母滑丝并致张拉失败。

e.笔者全程参与了扭矩扳手率定工具的设计、试验、应用以及现场大量预应力锚杆的张拉。工作过程有效解决了扭矩扳手率定不规范的问题，也解决了扭矩扳手张拉预应力不匹配的关键技术问题，形成了一系列扭矩扳手张拉预应力锚杆、预应力监测锚杆的工艺控制技术且工艺运用成熟、可靠，对预应力锚杆张拉施工具有重要的指导和借鉴参考价值。