大型地下洞室锚索施工成套装备与技术

齐界夷 ，江谊园

(1.中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中国能建工程研究院水电施工设计研究所，湖北 宜昌 443002)

0 引言

预应力锚索是大型地下洞室工程普遍采用的一种深层支护型式。对于大型地下洞室工程，尤其是地质条件较差的地下洞室工程，为保证结构稳定及工程后期运行安全，通常采取在边墙和顶拱布置系统预应力锚索实施深层加固。乌东德电站左岸地下厂房、主变洞和尾调室边墙及顶拱布置1 500/2 000 kN级、深度为20～36 m的锚索总计超过1 500束。白鹤滩水电站右岸地下厂房及主变洞边墙及顶拱布置500～3 000 kN级、深度为15～40 m的锚索约4 000束。

预应力锚索施工工序较复杂，一般需与开挖分层对应跟进施工，因此，直接制约开挖进程，对工程总体进度影响较大。传统的施工技术机械化程度较低，无法满足当前大型地下洞室工程锚索施工对工效、安全及质量的要求，因此，有必要通过研发新装备、新技术，满足大型地下洞室工程锚索施工的实际需要，提升我国水电工程锚索施工技术水平。

1 施工难点

传统锚索施工技术机械化、自动化程度都较低，设备性能较差，无法适应大型地下洞室工程大梯段开挖支护、安全、高效和优质等施工要求，主要体现在以下3个方面：

1)施工干扰大、工效低。传统锚索施工方法采用钢管搭设脚手架作为操作平台进行锚索钻孔、安装及注浆等工序作业，主要存在3个方面的不足，从而导致施工干扰大、工效低，具体包括：① 搭设脚手架需占用锚索施工直线工期，影响总体进度；② 脚手架搭设工作量较大，且为人工操作；③ 脚手架需占用工作面，影响所占压工作面的其他施工安排及道路通行。

2)费时费工、安全风险大。传统锚索安装方法主要采用人工或手动葫芦配合进行送索工序，费时费工，尤其对于顶拱大仰角及竖向锚索施工，受锚索自重影响，安装操作难度极大，且索体脱落风险较大，安全隐患突出[1]。

3)质量控制难度大。锚索孔口段设计为气囊式橡胶止浆塞，需配备专用充气设备，注浆前需提前充气、预注浆检查，注浆过程中需及时补气以防漏浆，止浆效果难以保证；且操作过程中因止浆塞容易破损而经常出现漏浆，导致锚索注浆无法正常进行[2]。此外，受边墙密布的系统锚杆、锁口锚杆及不良地质条件等影响，对穿锚索钻孔精度要求高，偏斜控制难度较大[2]。

2 成套装备与技术

大型地下洞室锚索施工具有工期紧、施工难度大、安全风险高、施工质量要求严等特点，根据不同部位锚索的布置型式及施工条件，研发了多功能锚索钻机、锚索液压自动送索装置、锚索钻机精确导向限位装置、锚索下索保护装置、可移动式钢锚墩防护装置等专用装备和技术，形成一整套锚索施工新型装备与技术，实现锚索安全高效施工。

2.1 多功能锚索钻机

大型地下电站主厂房顶拱层开挖高度超过10 m，以下开挖各层高度约8 m[2]。每层开挖后开挖面距该层上部锚索孔位高度将近8 m，常规履带式锚索钻机只可实施距开挖面高度3 m左右的锚索钻孔，故需搭设脚手架作为钻孔平台。但如前所述，脚手架施工方式存在占用直线工期、施工干扰大、工效低等问题，且影响交通，安全隐患较大。

为解决上述难题，以传统履带式锚索钻机为基础，首次研制出多功能锚索钻机[3]，如图1所示。该钻机安装两个机械臂，主臂安装钻孔设备，水平钻孔作业高度可达8.5 m，兼具顶拱大仰角锚索钻孔能力，避免了搭设钢管脚手架及其一系列问题；辅臂安装辅助作业平台，作为锚索注浆、锚墩施工及张拉等工序的操作平台。同时，钻机滑架上装有导向装置，对开孔和钻孔精度进行有效控制。

多功能锚索钻机采用电动全液压动力系统、履带式行走机构，具体由电动机带动液压油泵，驱动液压马达及液压油缸工作，实现行走、回转、推进及钻架变换角度等动作，采用齿轮减速机构传动，大油缸倍速给进，增加提拔力，油箱散热效果好，性能可靠；采用风动冲击型钻机进行钻孔，适应能力强，钻孔深度大；钻机滑架底部通过液压马达驱动的回转支撑台与主臂连接，能够使钻机360°旋转，以满足不同角度钻孔需要，钻机的灵活性和适应性显著提高[2]，从而实现高精度、快速钻孔。根据钻机实际应用情况可知，该钻机具有结构紧凑、拆装性好、钻进能力强、可远距离操作、对施工工作面要求低、移动灵活、可快速就位和效率高等优点。

多功能锚索在乌东德水电站左岸地下厂房、主变室开挖支护施工中获得首次应用，取得良好效果，在每层爆破出渣完成后即可就位实施钻孔作业，避免了搭设施工脚手架，并且占用空间小，行走灵活，对其他作业干扰小，施工效率高，能够有效缩短开挖支护总体工期。多功能锚索钻机性能参数详见表1所列。

表1 多功能锚索钻机主要性能参数表[2]

2.2 锚索液压自动送索技术

锚索安装常规方法采用手动提升葫芦配合人工在钢管脚手架上进行操作，长度30 m的锚索需配置10～15名人员方可顺利实施安装，且工效较低，此外搭设脚手架无法规避施工干扰大、工效低、安全风险高等问题。对于洞室顶拱大仰角和竖向锚索，因自重较大且具有柔性，安装难度更大，一旦出现滑脱，人员伤亡概率较大。为此，研制出一种锚索液压自动送索装置[4]。该装置由机架、固定导向管、活动导向管、液压泵站、液压伸缩缸、固定液压卡箱和移动液压卡箱等组成，如图2所示。将该装置安装在吊车大臂顶端或多功能锚索钻机辅助臂顶端，吊车就位后，只需人工在地面将锚索一端穿入该装置的导向管内，再操作吊车大臂使该装置导向管与钻孔对准并固定，然后在地面操作液压系统，使液压伸缩缸和液压卡箱配合做往复运动即可将锚索体送入钻孔内，如图3所示。该施工技术解决了因锚索自重大而安装困难、提升葫芦配合人工速度慢、安全风险高等问题，首次实现了锚索机械化安装，大幅提高了施工效率。

图2 锚索液压自动送索装置结构图

图3 液压自动送索装置工作方式示意图

2.3 锚索施工成套质量控制技术

作为大型洞室深层支护措施，锚索的施工质量直接影响洞室工程进度、施工安全和长期安全运行。通过改进施工工艺、研发应用专利技术，实现对锚索施工关键工序质量的可靠控制。

2.3.1 锚索精准钻孔技术

对穿锚索一般设置在两个相邻洞室间的岩体内，多为水平孔。为使高边墙浅层变形快速得到抑制，避免向深部扩展，通常边墙系统锚杆需优先快速实施，然后跟进实施深层支护。因此，受边墙已实施密集系统锚杆影响，锚索钻孔精度要求需更高，否则很容易与锚杆发生交叉，导致废孔。确保精确的开孔定位及钻进过程偏斜控制，能够提高锚索施工成孔率，具体控制技术包括5个方面：①利用实际开挖成型面测量数据，采取三维空间复核确定锚索实际开孔位置及角度，避免实际开挖面凹凸不平导致终孔空间偏差；②利用多功能锚索钻机车架液压支腿、钻机固定支杆，或设置固定桩和压条锁定对钻机进行有效加固，确保钻进稳固，避免因钻机晃动导致钻孔偏斜；③采用后视点监控装置控制开孔倾角及方位角；④研制孔口导向精确定位装置，配合钻杆扶正器[2]控制钻孔偏斜；⑤根据地质条件和钻孔深度调整开钻及钻进参数，通常将开钻时钻杆适当上倾一定角度，钻进速度亦不同。地质条件较差，则上倾角度略大，钻进速度略慢；否则，上倾角度可略小，钻进速度可略快。根据实际情况通过试验总结具体确定。

2.3.2 注浆式止浆包技术

洞室内锚索注浆一般采用气囊式橡胶止浆塞止浆，这种止浆塞在市场上无专门厂家生产供应，通常现场由摩托车内胎改制而成，因此，其加工难度较大，尺寸及耐压等质量难以保证，导致施工中易发生移动、损坏，注浆质量难以控制，返工率较高，且需配备专用充气设备，需提前充气、预注浆检查；为防止注浆过程中漏浆，还需及时补充充气以保证有足够压力[2]。为此，研制出一种注浆式止浆包装置，如图4～图5所示，采用帆布制作的圆筒套在锚索体止浆环位置，两端采用铅丝绑扎牢固，绑扎处与钢绞线间的空隙采用帆布或海绵填充紧密，帆布圆筒直径大于钻孔直径5～10 cm；帆布圆筒包裹的进浆管上预留约5 cm长开口，在注浆初期压力浆液首先充填帆布圆筒使其胀大，因帆布圆筒直径大于钻孔直径，便于实现紧密填充索体与孔壁之间空隙的效果，达到止浆功能，同时利用进、回浆管浆液流动阻力形成的压力差提高止浆效果[2]，进一步保证注浆质量，并可简化工序、缩短注浆时间。

图4 注浆式止浆包装置结构示意图

图5 注浆式止浆包装置

2.3.3 顶拱锚索止浆柱高压止浆技术

顶拱锚索的特点是钻孔轴线大角度上倾，甚至为竖向，这一特点带来的问题除了锚索安装困难外，还有注浆困难。注浆一般采用水泥浓浆，设计要求注浆压力为0.3～0.5 MPa[2]。对于顶拱锚索注浆，随着孔内浆液逐渐上升，注浆泵的输出压力也需相应升高，以克服孔内浆液自身产生的压力，当孔内注满浆液时，注浆泵输出的压力为设计压力与浆液自身压力之和，还需考虑一定的压力损失。以深度40 m竖向孔为例，实际输出压力达到约1 MPa[2]，为设计压力的2倍以上，而承载这一压力的关键是孔口的止浆装置。而气囊式止浆塞无法直接承载这一压力，施工过程中普遍存在无法止浆，甚至出现气囊破裂导致无法继续注浆，对施工进度和质量影响较大。

为解决这一问题，经过理论研究和现场实践，形成了顶拱锚索止浆柱施工工艺，即先利用气囊式止浆塞阻塞孔口，进行浓浆限量注浆，使止浆塞以上2～3 m[2]充填浆液，待凝约24 h后即形成止浆柱，该止浆柱与孔壁紧密结合，不仅不会漏浆，且可承载很大的注浆压力，单独利用该止浆柱便可满足二次注浆需要。采用止浆柱工艺后，彻底解决了顶拱锚索高压止浆的技术难题，止浆效果可靠，保证了施工质量，有利于提高工效。

2.3.4 锚索下索和锚墩保护技术

研制了锚索下索保护装置。该装置首先将护壁套筒放入锚索孔进口段，然后通过护壁套筒向锚索孔内部插入编制完成的锚索体，锚索钢绞线在弧形开口段的引导作用下逐渐进入到直壁段，最终通过直壁段进入到锚索孔内部，避免了钢绞线被孔口基岩损坏。研制了可移动式钢锚墩防护装置，该装置在进行爆破之前，通过人工借助吊车将防护罩上的挂钩固定在锚墩上方的钢筋网或锚杆上，可以保护锚墩在爆破瞬间免遭飞石直接撞击，降低锚墩损坏和废索概率。

3 应用效果

该施工技术首次在乌东德水电站左岸地下厂房及主变洞锚索施工中得到成功应用，并在白鹤滩水电站地下工程中得到推广应用，均取得良好效果。两个工程的施工工效提高明显，单元工程验收合格率达100%[2]。

采用多功能锚索钻机实施锚索钻孔施工，首次实现了大型洞室开挖支护免脚手架施工。采用锚索液压送索装置，将顶拱锚索安装时间由8 h左右缩短至2～3 h，工效提升显著。应用锚索施工成套质量控制技术，使锚索钻孔成孔率由71.6%提高至95.0%以上，注浆质量经物探和超声波等检查，密实度均满足设计及规范要求。

4 结语

通过研发新装备、新装置和改进施工工艺等措施，成功克服了传统锚索施工技术存在的不足，形成大型地下洞室锚索施工成套装备与技术。应用效果表明，该成套装备与技术能够显著提高大型地下洞室锚索施工工效，降低施工安全风险，保证施工质量和进度，对实现电站首台机组发电控制性目标起到重要作用。该成套装备与技术实现了大型地下洞室锚索施工机械化、自动化作业，提升了我国水利水电工程地下洞室施工技术水平。