無(wú)粘結(jié)壓力分散型錨索施工

張世琴, 張光輝, 譚虓隆

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,四川成都 610081)

1 工程概況

木里河俄公堡水電站調(diào)壓井為開(kāi)敞阻抗式調(diào)壓井,在平面上成“L”型布置,井口以上內(nèi)側(cè)開(kāi)挖邊坡設(shè)計(jì)高度為 70m,坡比為 1∶0.3,巖石為灰?guī)r。邊坡開(kāi)挖至 2400m高程揭示岀露分布 f4斷層至下而上切割邊坡巖體,斷層產(chǎn)狀為 N75°W/SW∠52°,巖層產(chǎn)狀為 N60°W/SW∠44°,斷層、巖層均傾下游,為斜向坡,表層巖體風(fēng)化,卸荷強(qiáng)烈,碎裂狀且坡頂分布有小范圍卸荷松動(dòng)層巖體,穩(wěn)定性極差。

為確保調(diào)壓井邊坡的穩(wěn)定和工程安全,增設(shè)了 47根無(wú)粘結(jié)壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡。以調(diào)壓井中心 30°線為界,上游一側(cè)錨索數(shù)量共24根,在 2390及 2395m的高程布置了兩排錨索,間距 3m,錨索設(shè)計(jì)為 100t,其中 2395m高程上錨索長(zhǎng) 35m,2390m高程上錨索長(zhǎng) 30m,所有鉆孔均為俯角與水平夾角為 5°。在下游側(cè)錨索數(shù)量共 23根,從 2390m高程開(kāi)始布置 2～4層預(yù)應(yīng)力錨索,錨索排距為 3m,相鄰排錯(cuò)位 1.5 m高程布置,底部 2000kN的錨索長(zhǎng) 25m,其余2000kN的錨索長(zhǎng) 30m,最上部 1000kN的錨索長(zhǎng)25m。

圖 1 1000kN壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)圖

2 錨索設(shè)計(jì)

(1)1000kN錨索的設(shè)計(jì)。

圖 2 2000kN壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)圖

1000kN級(jí)錨索設(shè)計(jì)要求的參數(shù):錨索由 6根鋼絞線組成,公稱直徑 15.24mm,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa。錨索孔徑為 170mm,采用 2級(jí)承載板承壓,間距 0.8～1.2m,承壓板直徑 120mm,第 1級(jí)為 3根鋼絞線(編號(hào)為 1-1、1-2、1-3),第 2級(jí)為 3根鋼絞線(編號(hào)為 2-1、2-2、2-3),第二級(jí)承載板上的鋼絞線長(zhǎng)度較第一級(jí)減少 0.8～1.2m,內(nèi)錨固段長(zhǎng)度為 9m,錨具和夾片由廠家統(tǒng)一定制,錨索結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 1。

(2)2000kN錨索的設(shè)計(jì)。

2000kN級(jí)錨索設(shè)計(jì)要求的參數(shù)為:錨索由12根鋼絞線組成,公稱直徑 15.24mm,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1860MPa,錨索結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。

錨索孔徑為 220mm,采用 3級(jí)承載板承壓,間距 0.8～1.2m,承壓板直徑為 140mm,第 1級(jí)為 4根鋼絞線 (編號(hào)為 1-1、1-2、1-3、1-4),第 2級(jí)為 3根鋼絞線 (編號(hào)為 2-1、2-2、2-3、2-4),此后每級(jí)均為 4根,承載板上的鋼絞線每一級(jí)長(zhǎng)度相應(yīng)減少 0.8～1.2m,內(nèi)錨固段長(zhǎng)度為 11m,錨具和夾片由廠家統(tǒng)一定制。

3 施工布置

(1)施工用風(fēng)。

錨索施工用風(fēng)主要采用 1臺(tái) 21m3移動(dòng)式電動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行供風(fēng)。

(2)施工用水。

在 2365m高程平臺(tái)設(shè)置 10m3鐵皮水池 1個(gè),從系統(tǒng)水管引水至鐵皮水池后,再?gòu)乃亟应?0軟管至施工作業(yè)面。

(3)施工用電。

在調(diào)壓井邊坡錨索施工中,用電量達(dá)到 248 kW(2臺(tái) YG-70A錨固鉆機(jī)、1臺(tái) 21m3移動(dòng)式電動(dòng)空壓機(jī)、1臺(tái) JW200攪拌機(jī)、1臺(tái) YZB-50/70灌漿泵),因此,從供電房架設(shè)專用動(dòng)力電線供施工用電,線路鋪設(shè)總長(zhǎng)度為 350m。

(4)施工道路。

利用調(diào)壓井邊坡外側(cè)已經(jīng)形成的施工道路運(yùn)輸材料及設(shè)備,道路長(zhǎng) 150m。在道路外側(cè)設(shè)置φ50鋼管防護(hù)欄,防護(hù)欄高 1.2m,欄桿刷紅白相間油漆,并在欄桿外側(cè)張掛密目網(wǎng)。

(5)設(shè)備場(chǎng)地。

將調(diào)壓井邊坡 2365m高程平臺(tái)作為錨索施工平臺(tái)(設(shè)備停放和材料堆放場(chǎng)地)。所有的施工設(shè)備和施工材料先用 5t自卸汽車運(yùn)輸至 2#公路隧洞出口,然后通過(guò) ZL50C裝載機(jī)運(yùn)輸至2365m高程平臺(tái)。

4 預(yù)應(yīng)力錨索施工措施

(1)施工平臺(tái)的搭設(shè)。

施工平臺(tái)計(jì)算荷載為設(shè)備重量、作業(yè)人員、鉆桿重量等,考慮安全系數(shù)后荷載為 8560N/m2。施工平臺(tái)最大高度為 10m,在 2385m高程采用φ48架管搭設(shè)雙層排架,排間距離約 1.5m,層間及鋼管立柱間距為 1.5m,采用扣件進(jìn)行連接。排架加固采用立桿和橫桿進(jìn)行加密,以達(dá)到錨固鉆機(jī)施工的要求(鉆機(jī)采用扣件與排架固定)。在錨索作業(yè)層設(shè)置操作平臺(tái),平臺(tái)上滿鋪 5cm厚木板,以滿足架設(shè)鉆機(jī)和錨索作業(yè)要求。

(2)施工機(jī)具的選擇。

①錨索施工采用 2臺(tái)YG-70A型錨固鉆機(jī)鉆孔,1臺(tái) 21m3空壓機(jī)單獨(dú)供風(fēng)。

②錨索注漿采用 YZB-50/70灌漿泵,制漿采用 JW200攪拌機(jī)。

③張拉機(jī)具。錨索張拉采用 YCW250型千斤頂,配備 ZB4-500高壓油泵進(jìn)行張拉鎖定。使用前對(duì)張拉千斤頂、高壓油泵及油表進(jìn)行配套標(biāo)定,標(biāo)定間隔不超過(guò) 6個(gè)月。

(3)錨索施工工藝流程。

預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝流程見(jiàn)圖 3。

圖 3 錨索施工工藝流程圖

(4)錨索施工方法。

①錨索鉆孔。

鉆孔是錨索施工中控制工期的關(guān)鍵工序。為確保鉆孔效率和鉆孔質(zhì)量,在錨索鉆孔前,先對(duì)錨索進(jìn)行編號(hào),再由測(cè)量人員在邊坡上放點(diǎn),同時(shí)標(biāo)明每個(gè)孔的方位角和孔深。鉆機(jī)就位依靠羅盤控制鉆桿的角度和傾角。鉆機(jī)鉆孔時(shí),按錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊,鉆桿用完,孔深也恰好達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。鉆孔深度要超深 20cm,孔斜誤差不得大于 3%,孔口坐標(biāo)誤差不得大于10cm。

鉆進(jìn)采用無(wú)水干鉆,同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度,防止鉆孔偏斜、扭曲或變徑。鉆進(jìn)過(guò)程中,要認(rèn)真作好施工記錄,如鉆壓、鉆速、地層和地下水情況等。

鉆孔結(jié)束,逐根拔出鉆桿和鉆具,將沖擊器清洗好備用。用一根聚乙烯管復(fù)核孔深,并以高壓風(fēng)吹孔,待孔內(nèi)粉塵吹干凈且孔深不少于錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度時(shí),拔出聚乙烯管,塞好孔口。

塌孔、卡鉆的處理。當(dāng)鉆孔穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層或巖體破碎帶時(shí),往往發(fā)生塌孔。塌孔的主要標(biāo)志是從孔中吹出黃色巖粉,夾雜一些原狀的(非鉆頭碎的、非新鮮的、無(wú)光澤的)石塊,這時(shí),不管鉆進(jìn)深度如何,都要立即停止鉆進(jìn),拔出鉆具,進(jìn)行固壁注漿,注漿壓力采用 0.4MPa,漿液為水泥砂漿和水玻璃的混合液,24h后重新鉆孔。雨季,常常順巖體破碎帶向孔內(nèi)滲流泥漿,因此,在固壁注漿前,必須用水和風(fēng)把泥漿洗出(塌入鉆孔的石塊不必清除),否則,不僅固壁注漿效果差,還容易造成假象。

②錨索制作。

錨索在排架操作平臺(tái)進(jìn)行編制。編制錨索前,在排架操作層上滿鋪 5cm厚木板或馬道板。編制前,人工將鋼絞線放在操作平臺(tái)上理直,采用增強(qiáng)型砂輪機(jī)切割。平均每 5人編制 1根錨索。

錨索內(nèi)錨固段采用波紋形狀,張拉段采用直線形狀。鋼紋線下料長(zhǎng)度為錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、錨頭高度、千斤頂長(zhǎng)度、工具錨和工作錨的厚度以及張拉操作余量的總和,正常情況下,鋼絞線截?cái)嘤嗔咳?50mm。將截好的鋼絞線平順地放在操作平臺(tái)上,量出內(nèi)錨固段和錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,分別作出標(biāo)記;在內(nèi)錨固段的范圍內(nèi)穿對(duì)中隔離支架,間距不大于 200cm,兩對(duì)中支架之間扎緊固環(huán)一道;張拉段每 m也扎一道緊固環(huán),并用塑料管穿套,內(nèi)涂黃油;最后,在錨索端頭套上導(dǎo)向帽。

③錨索安裝。

在安裝錨索前,要核對(duì)錨索編號(hào)是否與孔號(hào)一致,確認(rèn)無(wú)誤后,再以高壓風(fēng)清孔一次,即可著手安裝錨索。

錨索安裝采用人工下錨,錨索平均每 m配備1人進(jìn)行推送。

安裝下傾錨索比較簡(jiǎn)單,沒(méi)有多少技術(shù)問(wèn)題。安裝上傾和水平錨索時(shí)要注意以下四點(diǎn):a、檢查定位止?jié){環(huán)和限漿環(huán)的位置,對(duì)于損壞的,按技術(shù)要求更換;b、檢查排氣管的位置和暢通情況;c、錨索送入孔內(nèi),當(dāng)定位止?jié){環(huán)到達(dá)孔口時(shí),停止推送,安裝注漿管和單向閥門;d、錨索到位后,再檢查一遍排氣管是否暢通,若不暢通,拔出錨索,排除故障后重新送索。

④錨固段注漿。

錨固段注漿采用排氣注漿法施工。對(duì)于下傾的孔,注漿管應(yīng)插至孔底,砂漿由孔底注入,空氣由錨索孔排出;對(duì)于上傾和水平孔,砂漿由孔口注入,空氣壓向孔底,由孔底進(jìn)入排氣管排出孔外(水平錨索,空氣經(jīng)限漿環(huán)進(jìn)入排氣管)。

錨索孔注漿采用注漿機(jī),注漿壓力保持在0.3～0.6MPa。在最大灌漿壓力下,灌漿段的吸漿量小于 1L/min,持續(xù)灌注 30min,灌漿工作即可結(jié)束。

⑤錨墩施工。

錨墩的作用是把錨具的集中荷載傳遞到巖面和調(diào)整巖面受力方向。為了使錨墩上表面與錨索軸線垂直,預(yù)先將一根外徑與鉆頭直徑相同的薄壁鋼管和墊板正交焊牢。澆筑錨墩前,將鋼管的另一端插入鉆孔即可。

錨墩鋼筋在鋼筋廠加工成型,用 15t自卸汽車運(yùn)輸至 2#公路隧洞出口,再由人工運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。錨墩模板采用普通組合鋼模板,局部采用 3cm厚木模板和鋼模板進(jìn)行拼裝,共制作 6套組合模板。錨墩混凝土在 2365m高程平臺(tái)采用立式攪拌機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拌制,3t卷?yè)P(yáng)機(jī)運(yùn)輸混凝土至工作面,人工入倉(cāng),φ50軟軸振搗器振搗密實(shí)。

⑥錨索張拉。

錨索張拉是控制錨索施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序,決定錨索施工的成敗。

張拉設(shè)備:采用 2套便攜式千斤頂,型號(hào)為YCW-250,主要技術(shù)參數(shù)為:額定拉力 240kN,額定油壓 50MPa,自重 18.2kg,配用油泵為 ZB4-500型電動(dòng)油泵。

張拉原理:由于壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,每級(jí)承載板對(duì)應(yīng)的鋼絞線的長(zhǎng)度均不同,從第一級(jí)承載板到下一級(jí)承載板,依次每級(jí)減小 1.2 m(0.8m),從而使張拉段的長(zhǎng)度依次減小 1.2m(0.8m)。采用便攜式千斤頂(YCW-250)分級(jí)分序張拉,首先依次完成第一級(jí)鋼絞線的張拉,然后依次張拉下一級(jí)鋼絞線。為防止群錨效應(yīng)等因素造成的應(yīng)力損失,最后應(yīng)使用便攜式千斤頂進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

工藝過(guò)程:在張拉過(guò)程中,采用以張拉力控制為主、伸長(zhǎng)率校核的雙控 制 方法。以 30m長(zhǎng)的 2000kN錨索張拉為例。

調(diào)壓井邊坡 2000kN錨索錨固段長(zhǎng)度為 11 m,張拉控制力 P=2200kN,錨索分為 3個(gè)單元。各單元錨索自由段長(zhǎng)度分別為 L1=29m,L2=28 m,L3=27m(設(shè)計(jì)張拉力 P一般均需超張拉至110%;Ln為 n單元的長(zhǎng)度,每單元由四根錨索組成),鋼絞線彈性模量 E=1.95×105MPa,單根鋼絞線截面面積 A=140mm2。

△L1=(P×L1)/(E×A)=(183333.3×29000)/(195000×140)=194.7(mm)(理論伸長(zhǎng)值)。

△L2=(P×L2)/(E×A)=(183333.3×28000)/(195000×140)=188.0(mm)(理論伸長(zhǎng)值)。

△L3=(P×L3)/(E×A)=(183333.3×27000)/(195000×140)=181.3(mm)(理論伸長(zhǎng)值)。

差異伸長(zhǎng)量:

△L1-2=△L1-△L2=194.7-188.0=6.7(mm);

△L2-3=△L2-△L3=188.0-181.3=6.7(mm);

差異荷載增量:

△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。

張拉力與壓力表值的換算見(jiàn)表 1。

表 1 張拉千斤頂與油壓表檢測(cè)數(shù)據(jù)表

根據(jù)千斤頂與油壓表檢測(cè)數(shù)據(jù)一次線性關(guān)系,可得其一次線性方程(由質(zhì)檢部門對(duì)張拉千斤頂和油表進(jìn)行檢測(cè)并提供線性方程):

表 2 張拉力與壓力表值換算表

y=0.0157x+0.3

壓力分散型錨索的張拉因各單元錨索長(zhǎng)度不同,張拉時(shí)要注意嚴(yán)格按設(shè)計(jì)次序分單元采用差異分步張拉,根據(jù)設(shè)計(jì)荷載和錨筋長(zhǎng)度計(jì)算確定差異荷載,并根據(jù)計(jì)算的差異荷載進(jìn)行分單元張拉。張拉采用“雙控法”即采用設(shè)計(jì)張拉力與錨索體伸長(zhǎng)值來(lái)綜合控制錨索應(yīng)力,以控制油表讀數(shù)為準(zhǔn),用伸長(zhǎng)量校核,實(shí)際伸長(zhǎng)量與理論值的偏差應(yīng)在 ±6%范圍內(nèi),否則應(yīng)查明原因并采取措施后方可進(jìn)行張拉。

張拉設(shè)備(主要是千斤頂和油壓表)必須采用專用設(shè)備,并送具有相應(yīng)資質(zhì)的計(jì)量單位進(jìn)行標(biāo)定,且在有效期內(nèi)。

錨索在正式張拉前,取10%～20%的設(shè)計(jì)張拉荷載,對(duì)其預(yù)張拉 1～2次,使其各部位接觸緊密,鋼絞線完全平直。張拉時(shí)應(yīng)按一定的張拉速度進(jìn)行(一般為 40kN/min)。

張拉程序:安裝千斤頂→0→△P1(先張拉 L1單元,補(bǔ)足 L1單元差異荷載,量取 L1單元錨索伸長(zhǎng)值 S1)→2△P1(量取伸長(zhǎng)值 S2,計(jì)算 L1單元錨索 0-△P1的伸長(zhǎng)值)→△P2(再?gòu)埨?L1、L2單元錨索,補(bǔ)足 L1、L2單元差異荷載,量取 L1、L2單元錨索伸長(zhǎng)值 S3)→2△P2(量取伸長(zhǎng)值 S4,計(jì)算 L1、L2單元錨索△P1-△P2的伸長(zhǎng)值)→10%(預(yù)張拉,量取伸長(zhǎng)值 S5)→20%P(量取伸長(zhǎng)值 S6)→25%P→50%P→75%P→100%P→110%P(量取伸長(zhǎng)值 S7)。

實(shí)際伸長(zhǎng)值的計(jì)算。

L1單元錨索:

△L1=(S7-S5)+(S6-S5)+(S4-S3)+(S2-S1)

L2單元錨索:

△L2=(S7-S5)+(S6-S5)+(S4-S3)

L3單元錨索:

△L3=(S7-S5)+(S6-S5)

錨索的預(yù)應(yīng)力在補(bǔ)足差異荷載后分 6級(jí)按前述張拉程序施加,即設(shè)計(jì)荷載的 20%、25%、50%、75%、100%和 110%。在張拉最后一級(jí)荷載時(shí),應(yīng)持荷穩(wěn)定 10～15min后卸荷鎖定。

將理論伸長(zhǎng)值△L1、△L2、△L3與實(shí)際伸長(zhǎng)值△L1、△L2、△L3進(jìn)行比較,偏差值在 ±6%范圍內(nèi)則錨索張拉合格,否則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

⑦外部保護(hù)。

封孔注漿后,從錨具量起,留 50mm鋼絞線,將其余的部分截去,在其外部包覆厚度不小于 50 mm的水泥砂漿保護(hù)層。

5 施工質(zhì)量控制

(1)造孔前對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行編號(hào),造孔完畢應(yīng)對(duì)其孔位、孔經(jīng)、孔深、孔斜和方位角進(jìn)行檢查。

(2)錨索編制前,記錄每盤鋼絞線的彈性模量,每盤鋼絞線所編制的錨索對(duì)應(yīng)的孔號(hào)應(yīng)記錄詳細(xì),以便在進(jìn)行張拉校核計(jì)算時(shí)做為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)錨索制作過(guò)程中,應(yīng)對(duì)其下料長(zhǎng)度、隔離架位置、綁扎間距、進(jìn)出漿管的內(nèi)口位置、止?jié){環(huán)位置及索體編號(hào)、標(biāo)識(shí)牌進(jìn)行檢查。

(4)錨索安裝前,應(yīng)核對(duì)索體的編號(hào)和孔號(hào)、檢查索體的順直性、錨索 PE護(hù)套的完好性、進(jìn)出漿管的內(nèi)口位置和通暢性。

(5)孔道驗(yàn)收 24h后、錨索安裝前應(yīng)核查孔徑、孔深及通暢性。錨索安裝后應(yīng)檢查止?jié){環(huán)的有效性和索體、孔口管及孔軸的同心度。

(6)錨索張拉過(guò)程中,應(yīng)檢查錨索張拉分級(jí)、穩(wěn)壓時(shí)間、加載及卸載速率、夾片有無(wú)錯(cuò)牙、鎖定后的安裝荷載是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(7)灌漿過(guò)程中,應(yīng)檢查漿液比重及溫度、灌漿壓力、屏漿壓力及屏漿時(shí)間、孔道漿體飽滿度、漿體取樣試件制作。

(8)外錨頭防護(hù)應(yīng)檢查鋼絞線的外露長(zhǎng)度、錨板及鋼絞線除污情況、混凝土配合比、模板和鋼筋安裝情況、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)、混凝土取樣及試件制作。

6 施工安全保證措施

(1)施工前,應(yīng)對(duì)作業(yè)區(qū)圍巖的松動(dòng)塊石、邊坡孤石進(jìn)行檢查處理,根據(jù)需要設(shè)置擋石或柔性攔石網(wǎng)等安全設(shè)施。

(2)進(jìn)入作業(yè)區(qū)的人員必須戴安全帽,高空作業(yè)人員應(yīng)系安全帶、穿防滑鞋;鉆機(jī)操作人員應(yīng)戴防護(hù)口罩、風(fēng)鏡等防護(hù)用品。

(3)預(yù)應(yīng)力工程施工過(guò)程中,應(yīng)定期檢查安全生產(chǎn)制度和崗位制貫徹執(zhí)行情況。

(4)非作業(yè)人員不得進(jìn)入錨索張拉作業(yè)區(qū),張拉時(shí)千斤頂出力方向 45°內(nèi)嚴(yán)禁站人。

(5)認(rèn)真做好安全巡查,杜絕習(xí)慣性違章行為,確保安全用電和安全防護(hù)工作。

(6)認(rèn)真做好施工安全記錄。

7 結(jié) 語(yǔ)

調(diào)壓井邊坡裂隙發(fā)育,巖石破碎,采用無(wú)粘結(jié)壓力分散型錨索加固邊坡,在確保工程安全的前提下,加快了施工進(jìn)度,為類似錨索施工積累了一定的施工經(jīng)驗(yàn)。