無粘結壓力分散型錨索施工

張世琴, 張光輝, 譚虓隆

(中國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壓井為開敞阻抗式調壓井,在平面上成“L”型布置,井口以上內側開挖邊坡設計高度為 70m,坡比為 1∶0.3,巖石為灰巖。邊坡開挖至 2400m高程揭示岀露分布 f4斷層至下而上切割邊坡巖體,斷層產狀為 N75°W/SW∠52°,巖層產狀為 N60°W/SW∠44°,斷層、巖層均傾下游,為斜向坡,表層巖體風化,卸荷強烈,碎裂狀且坡頂分布有小范圍卸荷松動層巖體,穩定性極差。

為確保調壓井邊坡的穩定和工程安全,增設了 47根無粘結壓力分散型預應力錨索加固邊坡。以調壓井中心 30°線為界,上游一側錨索數量共24根,在 2390及 2395m的高程布置了兩排錨索,間距 3m,錨索設計為 100t,其中 2395m高程上錨索長 35m,2390m高程上錨索長 30m,所有鉆孔均為俯角與水平夾角為 5°。在下游側錨索數量共 23根,從 2390m高程開始布置 2～4層預應力錨索,錨索排距為 3m,相鄰排錯位 1.5 m高程布置,底部 2000kN的錨索長 25m,其余2000kN的錨索長 30m,最上部 1000kN的錨索長25m。

圖 1 1000kN壓力分散型錨索結構圖

2 錨索設計

(1)1000kN錨索的設計。

圖 2 2000kN壓力分散型錨索結構圖

1000kN級錨索設計要求的參數:錨索由 6根鋼絞線組成,公稱直徑 15.24mm,標準強度1860MPa。錨索孔徑為 170mm,采用 2級承載板承壓,間距 0.8～1.2m,承壓板直徑 120mm,第 1級為 3根鋼絞線(編號為 1-1、1-2、1-3),第 2級為 3根鋼絞線(編號為 2-1、2-2、2-3),第二級承載板上的鋼絞線長度較第一級減少 0.8～1.2m,內錨固段長度為 9m,錨具和夾片由廠家統一定制,錨索結構見圖 1。

(2)2000kN錨索的設計。

2000kN級錨索設計要求的參數為:錨索由12根鋼絞線組成,公稱直徑 15.24mm,標準強度1860MPa,錨索結構見圖 2。

錨索孔徑為 220mm,采用 3級承載板承壓,間距 0.8～1.2m,承壓板直徑為 140mm,第 1級為 4根鋼絞線 (編號為 1-1、1-2、1-3、1-4),第 2級為 3根鋼絞線 (編號為 2-1、2-2、2-3、2-4),此后每級均為 4根,承載板上的鋼絞線每一級長度相應減少 0.8～1.2m,內錨固段長度為 11m,錨具和夾片由廠家統一定制。

3 施工布置

(1)施工用風。

錨索施工用風主要采用 1臺 21m3移動式電動空壓機進行供風。

(2)施工用水。

在 2365m高程平臺設置 10m3鐵皮水池 1個,從系統水管引水至鐵皮水池后,再從水池接φ50軟管至施工作業面。

(3)施工用電。

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

(4)施工道路。

利用調壓井邊坡外側已經形成的施工道路運輸材料及設備,道路長 150m。在道路外側設置φ50鋼管防護欄,防護欄高 1.2m,欄桿刷紅白相間油漆,并在欄桿外側張掛密目網。

(5)設備場地。

將調壓井邊坡 2365m高程平臺作為錨索施工平臺(設備停放和材料堆放場地)。所有的施工設備和施工材料先用 5t自卸汽車運輸至 2#公路隧洞出口,然后通過 ZL50C裝載機運輸至2365m高程平臺。

4 預應力錨索施工措施

(1)施工平臺的搭設。

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

(2)施工機具的選擇。

①錨索施工采用 2臺YG-70A型錨固鉆機鉆孔,1臺 21m3空壓機單獨供風。

②錨索注漿采用 YZB-50/70灌漿泵,制漿采用 JW200攪拌機。

③張拉機具。錨索張拉采用 YCW250型千斤頂,配備 ZB4-500高壓油泵進行張拉鎖定。使用前對張拉千斤頂、高壓油泵及油表進行配套標定,標定間隔不超過 6個月。

(3)錨索施工工藝流程。

預應力錨索施工工藝流程見圖 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鍵工序。為確保鉆孔效率和鉆孔質量,在錨索鉆孔前,先對錨索進行編號,再由測量人員在邊坡上放點,同時標明每個孔的方位角和孔深。鉆機就位依靠羅盤控制鉆桿的角度和傾角。鉆機鉆孔時,按錨索設計長度將鉆孔所需鉆桿擺放整齊,鉆桿用完,孔深也恰好達到設計孔深。鉆孔深度要超深 20cm,孔斜誤差不得大于 3%,孔口坐標誤差不得大于10cm。

鉆進采用無水干鉆,同時應嚴格控制鉆進速度,防止鉆孔偏斜、扭曲或變徑。鉆進過程中,要認真作好施工記錄,如鉆壓、鉆速、地層和地下水情況等。

鉆孔結束,逐根拔出鉆桿和鉆具,將沖擊器清洗好備用。用一根聚乙烯管復核孔深,并以高壓風吹孔,待孔內粉塵吹干凈且孔深不少于錨索設計長度時,拔出聚乙烯管,塞好孔口。

塌孔、卡鉆的處理。當鉆孔穿越強風化巖層或巖體破碎帶時,往往發生塌孔。塌孔的主要標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、無光澤的)石塊,這時,不管鉆進深度如何,都要立即停止鉆進,拔出鉆具,進行固壁注漿,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滲流泥漿,因此,在固壁注漿前,必須用水和風把泥漿洗出(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進行編制。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上理直,采用增強型砂輪機切割。平均每 5人編制 1根錨索。

錨索內錨固段采用波紋形狀,張拉段采用直線形狀。鋼紋線下料長度為錨索設計長度、錨頭高度、千斤頂長度、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,鋼絞線截斷余量取 50mm。將截好的鋼絞線平順地放在操作平臺上,量出內錨固段和錨索設計長度,分別作出標記;在內錨固段的范圍內穿對中隔離支架,間距不大于 200cm,兩對中支架之間扎緊固環一道;張拉段每 m也扎一道緊固環,并用塑料管穿套,內涂黃油;最后,在錨索端頭套上導向帽。

③錨索安裝。

在安裝錨索前,要核對錨索編號是否與孔號一致,確認無誤后,再以高壓風清孔一次,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人進行推送。

安裝下傾錨索比較簡單,沒有多少技術問題。安裝上傾和水平錨索時要注意以下四點:a、檢查定位止漿環和限漿環的位置,對于損壞的,按技術要求更換;b、檢查排氣管的位置和暢通情況;c、錨索送入孔內,當定位止漿環到達孔口時,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。對于下傾的孔,注漿管應插至孔底,砂漿由孔底注入,空氣由錨索孔排出;對于上傾和水平孔,砂漿由孔口注入,空氣壓向孔底,由孔底進入排氣管排出孔外(水平錨索,空氣經限漿環進入排氣管)。

錨索孔注漿采用注漿機,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,持續灌注 30min,灌漿工作即可結束。

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整巖面受力方向。為了使錨墩上表面與錨索軸線垂直,預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自卸汽車運輸至 2#公路隧洞出口,再由人工運輸至現場進行安裝。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行拼裝,共制作 6套組合模板。錨墩混凝土在 2365m高程平臺采用立式攪拌機進行現場拌制,3t卷揚機運輸混凝土至工作面,人工入倉,φ50軟軸振搗器振搗密實。

⑥錨索張拉。

錨索張拉是控制錨索施工質量的關鍵工序,決定錨索施工的成敗。

張拉設備:采用 2套便攜式千斤頂,型號為YCW-250,主要技術參數為:額定拉力 240kN,額定油壓 50MPa,自重 18.2kg,配用油泵為 ZB4-500型電動油泵。

張拉原理:由于壓力分散型錨索結構較為復雜,每級承載板對應的鋼絞線的長度均不同,從第一級承載板到下一級承載板,依次每級減小 1.2 m(0.8m),從而使張拉段的長度依次減小 1.2m(0.8m)。采用便攜式千斤頂(YCW-250)分級分序張拉,首先依次完成第一級鋼絞線的張拉,然后依次張拉下一級鋼絞線。為防止群錨效應等因素造成的應力損失,最后應使用便攜式千斤頂進行補償張拉。

工藝過程:在張拉過程中,采用以張拉力控制為主、伸長率校核的雙控 制 方法。以 30m長的 2000kN錨索張拉為例。

調壓井邊坡 2000kN錨索錨固段長度為 11 m,張拉控制力 P=2200kN,錨索分為 3個單元。各單元錨索自由段長度分別為 L1=29m,L2=28 m,L3=27m(設計張拉力 P一般均需超張拉至110%;Ln為 n單元的長度,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)(理論伸長值)。

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

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

差異伸長量:

△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表 1。

表 1 張拉千斤頂與油壓表檢測數據表

根據千斤頂與油壓表檢測數據一次線性關系,可得其一次線性方程(由質檢部門對張拉千斤頂和油表進行檢測并提供線性方程):

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度不同,張拉時要注意嚴格按設計次序分單元采用差異分步張拉,根據設計荷載和錨筋長度計算確定差異荷載,并根據計算的差異荷載進行分單元張拉。張拉采用“雙控法”即采用設計張拉力與錨索體伸長值來綜合控制錨索應力,以控制油表讀數為準,用伸長量校核,實際伸長量與理論值的偏差應在 ±6%范圍內,否則應查明原因并采取措施后方可進行張拉。

張拉設備(主要是千斤頂和油壓表)必須采用專用設備,并送具有相應資質的計量單位進行標定,且在有效期內。

錨索在正式張拉前,取10%～20%的設計張拉荷載,對其預張拉 1～2次,使其各部位接觸緊密,鋼絞線完全平直。張拉時應按一定的張拉速度進行(一般為 40kN/min)。

張拉程序:安裝千斤頂→0→△P1(先張拉 L1單元,補足 L1單元差異荷載,量取 L1單元錨索伸長值 S1)→2△P1(量取伸長值 S2,計算 L1單元錨索 0-△P1的伸長值)→△P2(再張拉 L1、L2單元錨索,補足 L1、L2單元差異荷載,量取 L1、L2單元錨索伸長值 S3)→2△P2(量取伸長值 S4,計算 L1、L2單元錨索△P1-△P2的伸長值)→10%(預張拉,量取伸長值 S5)→20%P(量取伸長值 S6)→25%P→50%P→75%P→100%P→110%P(量取伸長值 S7)。

實際伸長值的計算。

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)

錨索的預應力在補足差異荷載后分 6級按前述張拉程序施加,即設計荷載的 20%、25%、50%、75%、100%和 110%。在張拉最后一級荷載時,應持荷穩定 10～15min后卸荷鎖定。

將理論伸長值△L1、△L2、△L3與實際伸長值△L1、△L2、△L3進行比較,偏差值在 ±6%范圍內則錨索張拉合格,否則應進行補償張拉。

⑦外部保護。

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的水泥砂漿保護層。

5 施工質量控制

(1)造孔前對每個孔進行編號,造孔完畢應對其孔位、孔經、孔深、孔斜和方位角進行檢查。

(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應的孔號應記錄詳細,以便在進行張拉校核計算時做為基礎數據。

(3)錨索制作過程中,應對其下料長度、隔離架位置、綁扎間距、進出漿管的內口位置、止漿環位置及索體編號、標識牌進行檢查。

(4)錨索安裝前,應核對索體的編號和孔號、檢查索體的順直性、錨索 PE護套的完好性、進出漿管的內口位置和通暢性。

(5)孔道驗收 24h后、錨索安裝前應核查孔徑、孔深及通暢性。錨索安裝后應檢查止漿環的有效性和索體、孔口管及孔軸的同心度。

(6)錨索張拉過程中,應檢查錨索張拉分級、穩壓時間、加載及卸載速率、夾片有無錯牙、鎖定后的安裝荷載是否滿足設計要求。

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

(8)外錨頭防護應檢查鋼絞線的外露長度、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、混凝土澆筑及養護、混凝土取樣及試件制作。

6 施工安全保證措施

(1)施工前,應對作業區圍巖的松動塊石、邊坡孤石進行檢查處理,根據需要設置擋石或柔性攔石網等安全設施。

(2)進入作業區的人員必須戴安全帽,高空作業人員應系安全帶、穿防滑鞋;鉆機操作人員應戴防護口罩、風鏡等防護用品。

(3)預應力工程施工過程中,應定期檢查安全生產制度和崗位制貫徹執行情況。

(4)非作業人員不得進入錨索張拉作業區,張拉時千斤頂出力方向 45°內嚴禁站人。

(5)認真做好安全巡查,杜絕習慣性違章行為,確保安全用電和安全防護工作。

(6)認真做好施工安全記錄。

7 結 語

調壓井邊坡裂隙發育,巖石破碎,采用無粘結壓力分散型錨索加固邊坡,在確保工程安全的前提下,加快了施工進度,為類似錨索施工積累了一定的施工經驗。