大型導(dǎo)流洞預(yù)應(yīng)力錨桿快速施工技術(shù)

夏志強(qiáng)，羅仲列，周紅祖

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611730)

1 工程概述

白鶴灘水電站左岸共設(shè)置了3條導(dǎo)流隧洞，圍巖穩(wěn)定性問題比較突出，主要工程地質(zhì)問題表現(xiàn)為:

(1)導(dǎo)流洞沿線斷層較發(fā)育，尤其是斷層與層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶等緩傾角結(jié)構(gòu)面結(jié)合，易形成不穩(wěn)定塊體;

(2)凝灰?guī)r和沿凝灰?guī)r分布的層間錯(cuò)動(dòng)帶及層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀平緩，在隧洞頂拱出現(xiàn)時(shí)會(huì)沿洞展布較長(zhǎng)距離，尤其是在導(dǎo)流洞中后段;

(3)導(dǎo)流洞沿線的P2β32、P2β3

3層為柱狀節(jié)理玄武巖，其開挖后易松弛，原嵌合緊密的柱體會(huì)因松弛形成局部掉塊現(xiàn)象;

(4)左岸地應(yīng)力量值中等，隨埋深的增大地應(yīng)力量值也會(huì)有一定程度的增加，易產(chǎn)生巖爆及片幫。

由于該導(dǎo)流洞開挖洞徑為特大型斷面，部分洞段巖性偏差，洞室結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。為確保左岸導(dǎo)流洞在施工期巖體穩(wěn)定及建筑物結(jié)構(gòu)安全，避免發(fā)生重大地質(zhì)災(zāi)害，設(shè)計(jì)單位在原有錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，共設(shè)計(jì)了5245根預(yù)應(yīng)力錨桿作為加強(qiáng)支護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù):預(yù)應(yīng)力為150 kN，錨桿為螺紋鋼筋，直徑為32mm，長(zhǎng)9m，外露長(zhǎng)度為30cm，錨墊板尺寸為200mm×200mm×8mm。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于白鶴灘水電站工期非常緊張，在預(yù)應(yīng)力錨桿施工中找到一種合理的、快速的施工技術(shù)對(duì)工程按時(shí)履約尤為關(guān)鍵。我們通過討論及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，針對(duì)原施工技術(shù)進(jìn)行的優(yōu)化調(diào)整為:

(1)錨固段若采用水泥漿或水泥砂漿錨固，施工難度大，不易控制，錨固段張拉前待凝時(shí)間長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)快速施工。在借鑒龍灘、溪洛渡、向家壩等工地預(yù)應(yīng)力錨桿施工成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，決定錨固段采用速凝型錨固劑，張拉段采用緩凝砂漿，在灌漿完畢5～8h后即可進(jìn)行張拉，從而實(shí)現(xiàn)了快速施工。

(2)在確定采用“速凝錨固劑+緩凝砂漿”的錨固體組合方案后，施工現(xiàn)場(chǎng)還進(jìn)行了三種不同施工工藝生產(chǎn)性試驗(yàn)對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，比選出了更優(yōu)、更快速的施工工藝:

施工工藝一:錨固段采用藥卷速凝錨固劑，采用錨固噴槍輸送藥卷，速凝錨固劑注裝完畢進(jìn)行緩凝砂漿灌注，然后進(jìn)行錨桿的安插與張拉;

施工工藝二:錨固段采用散裝速凝錨固劑，利用注漿機(jī)拌制注裝，緩凝砂漿在速凝錨固劑注裝完畢隨即灌注，然后進(jìn)行錨桿的安插與張拉;

施工工藝三:錨固段采用藥卷速凝錨固劑，采用錨固噴槍輸送藥卷，速凝錨固劑注裝完畢進(jìn)行錨桿及附件的安裝，等強(qiáng)后張拉，最后進(jìn)行自由段灌漿。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施工工藝二具有工序少、操作簡(jiǎn)便、便于過程控制和實(shí)施效果好等優(yōu)點(diǎn)。施工工藝二中的預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

(3)原設(shè)計(jì)圖紙要求錨桿鉆孔直徑為48mm，而錨桿直徑即達(dá)32mm，造孔直徑僅大于錨桿直徑16mm，進(jìn)漿管與回漿管無法埋設(shè);另外，BOOMER-XL3D多臂鑿巖臺(tái)車(多臂鉆)鉆桿的最大長(zhǎng)度為6m，造9m深孔必須進(jìn)行鉆桿套接后才能完成。鉆桿安裝連接套后，造孔直徑不能小于65mm。為了滿足施工要求，在征得監(jiān)理工程師與設(shè)計(jì)的同意后，將孔徑優(yōu)化調(diào)整為φ65。

(4)多臂鉆造孔鉆桿最大長(zhǎng)度為6m，造9m孔必須先取出6m鉆桿，套上聯(lián)接套后增加一根長(zhǎng)3m的鉆桿，若每次造孔均反復(fù)上、下連接套、鉆桿，將導(dǎo)致造孔效率偏低且鉆桿磨損較大。經(jīng)討論后決定在現(xiàn)場(chǎng)采用大規(guī)模分次成孔的方案，即以30個(gè)孔為一組，先用6m長(zhǎng)鉆桿將這組孔均造近6m深，添加連接套、3m鉆桿后，再在原已造好6m深的孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行再次加深造孔，從而避免了反復(fù)上、下聯(lián)接套、鉆桿的工序，提高了多臂鉆的有效工作時(shí)間，達(dá)到了機(jī)械化、大規(guī)模快速施工的目的。

(5)采用錨固劑噴槍進(jìn)行注裝藥卷錨固劑的施工方法，每卷錨固劑注裝前要先清水浸泡2～3 min，操作人員不能有效及時(shí)控制噴槍的關(guān)閉，從而導(dǎo)致噴出的速凝錨固劑被吹出的氣流沖出錨固段。此種方案工序繁多，耗時(shí)長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)管路易堵塞、易爆裂的情況，經(jīng)優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)采用自帶攪拌機(jī)的注漿機(jī)，整個(gè)注漿過程只需3min。注漿機(jī)注漿相對(duì)來說也更為簡(jiǎn)便、易控、安全。

(6)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)后，專門組織制漿人員、注漿人員、吊機(jī)操作手進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)，形成了預(yù)應(yīng)力錨桿施工中的定人定位施工，使注漿程序成流水線作業(yè)，工序間銜接更為緊密，單根施工也更為快速。

3 施工工藝及施工準(zhǔn)備

3．1 工藝流程

預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝流程見圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝流程圖

3．2 施工準(zhǔn)備

(1)材料準(zhǔn)備。

預(yù)應(yīng)力錨桿施工所用的材料主要有:一端車絲的鋼筋(HRB335熱軋鋼筋，長(zhǎng)9m，絲扣長(zhǎng)度為30cm)、速凝錨固劑(散裝)、緩凝錨固劑、與桿體配套的錨具附件(鋼墊板、螺帽、半球型鋼墊圈等)。

本工程選用河南省鞏義市豫源建筑工程材料有限公司生產(chǎn)的錨固劑，散裝速凝錨固劑型號(hào)為:MSK3;緩凝錨固劑型號(hào)為:MSM1。拌和用水采用附近未污染的施工用水，砂為中細(xì)砂，粒徑≤2．5 mm。

錨固藥卷應(yīng)有出廠檢驗(yàn)合格證并按照相關(guān)規(guī)范檢驗(yàn)合格。

鋼(筋)材:端頭錨墊板由鋼墊板、螺母等組成，其材料符合水工建筑物鋼(筋)材使用要求。

(2)設(shè)備準(zhǔn)備(表1)。

表1 預(yù)應(yīng)力錨桿施工主要設(shè)備表

(3)技術(shù)準(zhǔn)備。預(yù)應(yīng)力錨桿施工之前需進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作:①鋼筋力學(xué)性能檢驗(yàn)，以保證鋼筋材質(zhì)滿足質(zhì)量要求;

②現(xiàn)場(chǎng)先做生產(chǎn)性試驗(yàn)，擇優(yōu)選擇施工工藝;

③對(duì)多種材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，確定速凝錨固劑初凝時(shí)間為41min，緩凝錨固劑漿液初凝時(shí)間超過24h。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行速凝錨固劑同步試驗(yàn)，確定錨固劑在孔內(nèi)達(dá)到20MPa強(qiáng)度時(shí)約需5h，即在錨固劑注裝5h后方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿張拉;

④在云南計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院進(jìn)行了扭力扳手率定，20%設(shè)計(jì)張拉力時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩為187N·m，50%設(shè)計(jì)張拉力時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩為456N·m，105%設(shè)計(jì)張拉力對(duì)應(yīng)的扭矩為957N·m;

⑤在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了緩凝砂漿(配合比為水∶緩凝錨固劑∶砂 =0．4∶1∶0．5)同步試驗(yàn)，確定緩凝砂漿初凝時(shí)間超過16h以上。

4 施工過程

4．1 測(cè)量定位

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，對(duì)錨桿孔孔位進(jìn)行測(cè)量放樣，定出孔位并用紅油漆標(biāo)識(shí)。

4．2 機(jī)械化大規(guī)模造孔

預(yù)應(yīng)力錨桿采用導(dǎo)流洞內(nèi)負(fù)責(zé)開挖支護(hù)的多臂鉆造孔，鉆孔時(shí)要求鉆桿垂直巖面，鉆孔平直，孔軸方向偏差不大于1°～3°。以30個(gè)孔為一組，先全部用6m長(zhǎng)的鉆桿施工，一次性成孔6m，最后增加3m長(zhǎng)鉆桿后再在原已造好6m深的孔上一次性施工。造孔完成后，加大鉆臂水閥，邊沖邊退釬，沖洗鉆孔。采用這樣的施工方案，多臂鉆一個(gè)班就能造完一組孔。

4．3 鉆孔檢查

現(xiàn)場(chǎng)施工人員將注漿管逐一插入錨固孔中檢查鉆孔的深度是否合格，是否發(fā)生過塌孔。

4．4 稱量及拌和

4．4．1 稱 量

施工現(xiàn)場(chǎng)配備了1臺(tái)電子磅秤、2個(gè)塑料桶等稱量容器，可以準(zhǔn)確、方便地控制水、錨固劑、砂子的摻量。

根據(jù)試驗(yàn)室開具的配合比計(jì)算出水泥、砂、錨固劑的重量，然后進(jìn)行嚴(yán)格稱量。由于現(xiàn)場(chǎng)所用的注漿砂可能含水量大小不一樣，現(xiàn)場(chǎng)所用的砂漿以稠度控制較為合適，將垂直及傾斜孔中的砂漿稠度控制在4～6cm，水平孔砂漿稠度控制在6～8cm。

4．4．2 拌 和

速凝錨固劑用量相對(duì)較小，人工在自制拌料槽內(nèi)進(jìn)行拌制，拌和時(shí)間大約為3min，以漿液拌制均勻、無結(jié)塊為準(zhǔn)。

緩凝砂漿用注漿機(jī)自帶攪拌機(jī)拌制，提前進(jìn)行緩凝砂漿的拌制，并保證在速凝錨固劑拌制完成之前完成。緩凝砂漿拌制時(shí)，先在攪拌機(jī)內(nèi)加入緩凝錨固劑，同時(shí)準(zhǔn)備好相應(yīng)量的水及砂，然后加入適量的水并進(jìn)行攪拌，待基本拌制均勻后，再加入砂并繼續(xù)進(jìn)行攪拌至均勻，根據(jù)攪拌機(jī)內(nèi)漿液的稠度加水或緩凝錨固劑。

4．5 注 漿

錨固體注裝分兩段進(jìn)行，注完速凝錨固劑后立即注裝緩凝砂漿。注漿施工采用一臺(tái)麥斯特注漿機(jī)一次性連續(xù)注漿，先按設(shè)計(jì)用量拌制速凝錨固劑，待速凝錨固劑全部進(jìn)入注漿管后開始注緩凝砂漿。

4．5．1 注裝速凝錨固劑

預(yù)應(yīng)力錨桿內(nèi)錨固段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為3m，注漿采用1臺(tái)麥斯特注漿機(jī)，通過DN25，L=25m注漿管進(jìn)行，8t吊車平臺(tái)作為操作平臺(tái)，將速凝錨固劑從自制拌料槽轉(zhuǎn)入注漿機(jī)輸送槽后，事先將注漿管置于孔外排干管內(nèi)積水，再將注漿管插至孔底，然后回抽5cm即開始注漿。注漿操作人員隨著漿液的均勻注入緩慢拔管(基本由注漿壓力把注漿管慢慢擠出)。

4．5．2 注裝緩凝砂漿

待速凝錨固劑注裝完后，將緩凝砂漿劑放入輸送槽內(nèi)，立即進(jìn)行緩凝砂漿的注裝，緩凝砂漿注漿拔管操作控制同速凝錨固劑注裝?？卓?m段拔管速度應(yīng)適當(dāng)減緩，以防止?jié){液下掉，確保孔口段漿液飽滿。注漿管拔出后，采用膠袋對(duì)錨桿孔進(jìn)行臨時(shí)封閉，防止砂漿漏出。

4．6 插 桿

預(yù)應(yīng)力錨桿均采用“先注漿后安插錨桿”的程序施工，因此，注漿結(jié)束后應(yīng)立即安插錨桿。錨桿安裝時(shí)利用1臺(tái)吊車改裝車配合人工進(jìn)行，可在利用人工扶桿的情況下吊車液壓升降臂將錨桿緩慢頂入以減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，錨桿桿體端部加φ40鋼管輔助送桿。吊機(jī)操作手必須服從錨桿安裝人員的指揮，緩慢推進(jìn)桿體并不斷調(diào)整錨桿角度，將錨桿安裝到位。插桿過程總體按照緩慢、勻速的原則進(jìn)行，最后用棉紗臨時(shí)封好孔口。注漿和桿體安裝均在15min之內(nèi)完成(實(shí)驗(yàn)室速凝錨固劑初凝時(shí)間為40min)。

4．7 安裝托板、墊圈(球形墊)和螺帽

錨桿安插完成后，安裝錨桿體托板、墊圈和螺帽，并調(diào)整托板位置使之與錨桿軸線垂直。若巖面采用球形墊也難以調(diào)平螺母與球形墊板平行，可采用適量速凝錨固劑墊平。

4．8 張 拉

本次試驗(yàn)在錨桿安插后5～8h內(nèi)進(jìn)行了張拉。

預(yù)應(yīng)力錨桿正式張拉前，先將張拉機(jī)具按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行率定，再按照20%設(shè)計(jì)張拉荷載對(duì)錨桿進(jìn)行預(yù)張拉1～2次，使其各部位接觸緊密，最后移機(jī)就位進(jìn)行張拉。分別以設(shè)計(jì)荷載的50%、75%、105%逐級(jí)張拉，每級(jí)持荷5min，測(cè)讀相應(yīng)的桿體伸長(zhǎng)值并做好記錄。當(dāng)加荷至1．05T(T為設(shè)計(jì)荷載，T=150kN)桿體伸長(zhǎng)值無變化時(shí)，持荷鎖定，然后卸荷，撤除機(jī)具。錨桿鎖定后48h內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失大于錨桿拉力設(shè)計(jì)值的10%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償張拉。

5 施工的合理組織

在導(dǎo)流洞開挖支護(hù)期間，開挖與支護(hù)作業(yè)受到的干擾極大。為了能更合理地組織現(xiàn)場(chǎng)施工，在導(dǎo)流洞由人工配合手風(fēng)鉆在掌子面造爆破孔時(shí)，同時(shí)安排多臂鉆在后方造系統(tǒng)支護(hù)錨桿孔及預(yù)應(yīng)力錨桿孔，正常情況下，爆破孔要比錨桿孔先完成，但由于爆破后洞內(nèi)需要通風(fēng)散煙及出渣作業(yè)，會(huì)極大地影響多臂鉆造孔的施工效率。經(jīng)討論后確定將時(shí)間統(tǒng)一安排在支護(hù)高峰期時(shí)，爆破被定于6∶00、12∶00、18∶00、24∶00 四個(gè)點(diǎn)，爆破后要求馬上出渣，此舉剛好錯(cuò)開了多臂鉆操作手檢修機(jī)械、人員吃飯、交接班的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械的連續(xù)施工，極大地提高了造孔效率。

多臂臺(tái)車兼顧導(dǎo)流洞支護(hù)施工，在滿足導(dǎo)流洞支護(hù)造孔的前提下，及時(shí)協(xié)調(diào)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿造孔，每批造孔量為30～40個(gè)，造孔完成后，對(duì)已造孔部位及時(shí)開始內(nèi)錨段灌漿及錨桿安裝作業(yè)，張拉作業(yè)滯后錨桿安裝作業(yè)10～20m。同時(shí)，安排液壓鑿巖臺(tái)車開始下一施工區(qū)的造孔作業(yè)，各作業(yè)程序根據(jù)施工強(qiáng)度合理均衡安排，搭接緊密，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，工程進(jìn)展順利。

6 質(zhì)量控制措施

預(yù)應(yīng)力錨桿施工工序復(fù)雜，技術(shù)要求嚴(yán)格，為確保施工質(zhì)量，應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)質(zhì)量重點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格的控制:

(1)鋼筋、水泥、錨具等材料應(yīng)有產(chǎn)品合格證及相應(yīng)的檢驗(yàn)、試驗(yàn)報(bào)告;

(2)預(yù)應(yīng)力錨桿表面不應(yīng)有污物鐵銹或其他有害物質(zhì);

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求編制詳細(xì)的施工方案，嚴(yán)格按技術(shù)要求進(jìn)行施工，工程的每道工序均嚴(yán)格執(zhí)行施工質(zhì)量“三檢制”，經(jīng)驗(yàn)收合格，監(jiān)理人員在合格證上簽字后方可進(jìn)行下一道工序;

(4)造孔是質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，孔位必須經(jīng)測(cè)量并標(biāo)識(shí)。液壓鑿巖臺(tái)車要選用經(jīng)驗(yàn)豐富，責(zé)任心強(qiáng)的操作手，開鉆前要認(rèn)真調(diào)整好鉆臂方向，確?？紫虼怪睅r面，鉆桿勻速鉆進(jìn);

(5)灌漿作業(yè)開始前，應(yīng)清除鉆孔內(nèi)的石屑與巖粉;

(6)內(nèi)錨段灌漿是否密實(shí)，是確保張拉成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，注漿操作人員隨著漿液的均勻注入緩慢拔管(基本由注漿壓力把注漿管慢慢擠出);

(7)灌漿后，在漿體強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求前，預(yù)應(yīng)力筋不得受擾動(dòng);

(8)張拉是預(yù)應(yīng)力錨桿施工的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)按技術(shù)要求進(jìn)行分級(jí)張拉，全過程嚴(yán)格監(jiān)控并做好詳實(shí)細(xì)致的原始記錄;

(9)錨桿基本試驗(yàn)的地質(zhì)條件、錨桿材料和施工工藝等應(yīng)與工程錨桿一致，數(shù)量不得少于3根。

7 結(jié)語

白鶴灘水電站左岸導(dǎo)流洞預(yù)應(yīng)力錨桿施工，從施工手段、設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工組織等角度出發(fā)，在預(yù)應(yīng)力錨桿施工進(jìn)度緩慢的難題上有一定的突破，主要表現(xiàn)在:

(1)多臂鉆的使用及造9m深孔的大規(guī)模造孔及二次成孔法，大大縮短了造孔所需的時(shí)間;

(2)定時(shí)爆破、出渣的推行，實(shí)現(xiàn)了多臂鉆無間斷、連續(xù)施工，形成了規(guī)模效應(yīng)，大大提高了造孔效率并節(jié)約了造孔成本;

(3)采用先注漿后插桿的施工方法，施工過程簡(jiǎn)捷快速，加快了錨桿安插速度;

(4)使用帶攪拌機(jī)的注漿機(jī)完成注漿，較錨固劑噴槍施工要求更低，操作更簡(jiǎn)單、安全。預(yù)應(yīng)力錨桿快速施工的實(shí)現(xiàn)，為施工局按期履約奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。