止漿器預應力錨桿新工藝在錦屏一級地下電站工程中的應用

夏 風，羅小斌，王興平

(中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041)

0 引言

隨著國家西部大開發、西電東送戰略目標的實施，我國的水電建設進入重要的歷史時刻，水電資源的開發與利用迅猛發展，越來越多的水電工程被建設在大山峽谷之間。因地理空間位置狹窄，許多大型工程轉建地下。為此，地下工程的施工技術得到了空前的發展和提高。而用錨桿支護來維持巖層穩定的方式更是成了一種不可或缺的首要手段。文獻［1］從圍巖支護特征線理論出發，在預應力錨桿與普通砂漿錨桿的受力特征、支護機制和支護效果分析的基礎上，提出了預應力錨桿支護設計參數，并論證其設計方法的可行性。文獻［2］通過總結我國水利水電工程預應力錨固技術的研究成果和工程實踐，對預應力錨固技術的工作機制、預應力錨固體系的最新發展，做了較全面的概括。文獻［3］給出了預應力錨桿施工的基本規范。文獻［4］論述了國內外地下洞室建設現狀和進展，深入研究了地下洞室巖體物理力學參數、地下洞室圍巖應力量測、地下洞室山巖壓力穩定分析等對地下洞室穩定給出了理論見解。文獻［5］在分析預應力內錨固段耐久性影響因素的基礎上，提出了預應力內錨固段耐久性的動態概念。文獻［6］通過講述預應力張拉過程中出現的故障，并根據產生原因總結預防措施，給預應力錨固質量控制提供了很好的理論基礎。文獻［7］講述一種高強度復合材料預應力張拉和錨固施工方法，該復合材料預應力張拉和錨固可靠性高，增強或加固工程結構效果好，對工程結構表面的適應性強，應用靈活方便，給本文提供了很好的理論基礎。文獻［8］中一種帶多功能止漿塞的脹殼錨桿，為本文的止漿器提供了一定的參考。文獻［9］主要提出隧洞在眾多荷載的作用下保持穩定的支護措施。

由于在高地應力地區錨桿成孔率低、巖石破碎，若采用傳統的注裝工藝，首先，會因在注漿過程中擾動松弛巖層而導致成孔自動封閉，錯過有效的支護時機，并且也會造成返工，增加施工成本;其次，還會因錯過有效的支護時機而造成人為的安全隱患。為此，改變原有預應力錨桿注裝工藝才可能保證人員和其他物資的安全，研究了地下工程錨噴支護施工中的預應力錨桿新工藝——相對深層作用力止漿器預應力錨桿施工工藝。

1 工程概述

錦屏一級電站洞室埋深較深，主要由大理巖、角礫狀大理巖夾綠片巖透鏡體及煌斑巖脈，以Ⅲ1類巖體為主，部分為Ⅲ2類巖體，少量斷層及其影響帶和裂隙密集帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，加之F13，F14斷層等不良地質段，主要洞室都位于高地應力區，最大主應力σ1= 35.7 MPa，其方向與洞軸線近于平行，巖石單軸抗壓強度為50～70 MPa。由于地應力高、巖石抗壓強度低，所以在施工中易發生巖爆，并產生持續的應力變形，因此錦屏一級地下廠房引水發電系統及泄洪洞工程(CIV標)開挖支護施工堪稱“世界難題”。

錦屏一級電站屬于高地應力地區，且開挖洞室群結構錯綜復雜，主要由3大洞室(主廠房、主變室、調壓室)、母線洞、引水洞、尾水管及其連接洞和泄洪洞等組成，山體挖空率極高。由于巖石地應力作用，圍巖松弛深度達3～5 m，支護施工的及時性與可靠性就顯得尤為重要，這關系到施工過程中所有人員、設備和工程持久安全。

2 相對深層作用力止漿器預應力錨桿

預應力錨桿施工工藝主要分先注漿后插桿和先插桿后注漿2種方式。相對深層作用力止漿器預應力錨桿施工工藝屬于后者中的一種，它主要適用于高地應力地區、巖層裂隙發育的地下工程。因為這些地區的巖層在造孔結束后，受高地應力的影響，成孔孔壁會自動慢慢封閉，若采用先注漿后插桿的方式既不能保證桿體完全被插進孔中，也不能保證錨桿的注漿密實度;而采用相對深層作用力止漿器預應力錨桿的支護方式，可以很好地避免上述情況發生，且在注漿過程中可對圍巖裂隙進行固結使之成為整體。

錦屏一級電站在主廠房和主變室從頂拱下挖至距底板高差約為40 m時，由于地應力釋放，導致主廠房、主變室下游側沿洞軸線部位圍巖松弛、開裂、破碎嚴重，對頂拱局部穩定極為不利。為抑制圍巖變形，保證廠房和主變室的施工安全及工程安全，設計要求對該部位增加預應力錨桿(直徑32 mm，長9 m)共計1 668根。且因施工工期緊、施工難度大、干擾因素多，在保證注漿密實度的前提下，及時快速地進行支護(特別是預應力錨桿支護)，才能確保工程的施工安全、施工質量和施工進度。于是相對深層作用力止漿器預應力錨桿工藝的誕生便成為了必然。

3 制作工藝、作用機制及優越性

相對深層作用力止漿器預應力錨桿桿體的制作，關鍵在于作用力止漿器部位的制作。作用力止漿器部位的制作技術于2006年首次被應用在三峽地下廠房巖錨梁的預應力錨桿上，屬相對淺層止漿，被布置在距孔口2.5～3.0m的位置處。結合錦屏地區高地應力作用明顯的特點，作用力止漿器的部位被改進，首次被布置在距孔口6.5～9.0 m的巖層松弛帶的相對深層位置，因此，對該部位的制作技術和施工要求更加嚴格。

以直徑32 mm，長9 m預應力錨桿為例(錨固段長2.5 m，自由段長6.5 m)，對相對深層作用力止漿器預應力錨桿制作技術進行詳細的分析和說明。

3.1 所需材料

一端車有15 cm絲牙的螺紋鋼筋(直徑32 mm，長9 m)、若干m長的內徑為15 mm的PE漿管、海綿塊、兩頭開孔的布袋(直徑100 mm，長70 cm)、緊縮帶、鋼鋸、卷尺、石筆、扎絲、彩色膠帶等。

3.2 桿體制作步驟及作用

相對深層作用力止漿器預應力錨桿制作示意圖見圖1。

1)用套絲機將桿體的一端車出15 cm的絲牙，然后用膠布或PE薄膜順著絲牙一端將桿體纏繞包裹20 cm左右，直至裹平鋼筋月牙肋為止。作用:為了防止在安裝墊板和封堵孔口時錨固劑或砂漿(為趕施工進度，一般不采用砂漿封堵孔口)直接包裹桿體，使之形成很短的一個錨固段，影響自由段的張拉伸張，從而失去預應力錨桿的作用。

2)用卷尺自桿體另一端量出錨固段長度2.5 m，并用石筆在桿體上做好標識(此處即為鼓起狀海綿彈性填充體位置)。作用:準確分界出錨固段(也稱內錨段)與自由段(也稱外錨段)，以便于作用力止漿器、一期進漿管和二期排氣管的位置確定。

3)把PE漿管從距鋼筋未車絲端頭3～5 cm位置用鋼鋸割成30～45°斜口，沿桿體鋪直綁扎，PE漿管斜口處用海綿堵住，于伸出絲牙端1 m處將PE漿管斜口割斷，用彩色膠布標識此為一期排氣管(也稱之一期回漿管)。作用:在注漿過程中，若無排氣設備，則孔內空氣短時間內無法排釋而被不斷壓縮，當孔內大氣壓力大于注漿壓力時，漿液則無法繼續進入孔內，導致漿管爆裂或脫節、灌漿不密實;一期注漿管預留1 m是為了便于與注漿機的漿管對接，并在灌漿結束后將其折彎捆綁，防止孔內漿液回流導致孔內出現空腔致使注漿不密實;標識是為了區別不同作用的漿管，以避免出現灌漿紊亂;堵住漿管孔口是防止在插桿過程中漿管被孔內石碴堵住。

4)將割斷的斜口PE漿管從距桿體標識位置50 cm的地方沿車有絲牙端的方向鋪直綁扎，并于伸出絲牙端1 m處將PE漿管斜口割斷，并用彩色膠布區別標識。

5)將布袋反面翻過來平展，然后將其從未車絲端套進去，直到袋子末端距桿體上標識位置10 cm時停止，并將袋子末端折疊緊箍桿體和PE漿管管壁使之結合緊密。

6)把海綿割成環狀或條狀，在止漿袋折疊末端位置環繞，將桿體和PE漿管緊密包束，然后用扎絲將海綿的中心位置綁扎起來，形成鼓起狀彈性填充體。作用:彈性填充體在漿液注入后瞬間膨脹，與錨桿孔壁自然緊密結合，保證布袋里的漿液在作用力的迫使下快速密實同時與孔壁形成反作用力，從而使喪失水分的漿液密實成為一個固結體與孔壁無縫結合起到防漏止漿的作用，使后續漿液能順利進入錨固段。

7)將一期進漿管在伸出桿體標識部位50 cm段開割2孔。作用:一是為了減小止漿器內管口的出漿壓力，加大漿液的分流量，二是為了防止注漿壓力過大將進漿管堵住。

8)雙手將未綁扎端的布袋口順綁扎端翻套過來拉直，用緊縮帶將布袋與海綿接觸處綁扎牢固形成鼓起狀，將布袋另一端折疊，環桿體和PE漿管管壁緊束使之結合緊密，并將一期進漿管端口置于布袋之中，然后用緊縮帶捆綁起來。

9)將割有斜口的PE漿管在距布袋海綿處3～5 cm的位置沿車絲端方向鋪直綁扎，于伸出絲牙端1 m位置處將漿管斜口割斷，并用記號區別標識此為二期排氣管(也稱之二期回漿管)。

圖1 相對深層作用力止漿器預應力錨桿制作示意圖Fig.1 Sketch of pre-stressed rock bolt with grout sealer installed at relatively deep position

4 施工工藝

4.1 1次洗孔

在錨桿安裝前，需先用高壓水將孔內渣清洗干凈，使孔內無巖粉積水，并可以通過洗孔步驟得知孔深以及有無串孔現象，以此來判明出現此種情況該采取何種措施。若孔深不夠或因高地應力影響而導致孔壁自動閉合的現象，就應該及時掃孔或重新鉆孔;若出現串孔現象，就可以采取平行灌漿的方法(即多孔同時灌漿)，以保證各孔的密實度。

4.2 桿體安裝

插桿時要注意保護漿管和止漿器(尤其止漿器)，避免插桿過程中用力不均勻或成孔彎曲，導致止漿器與孔壁強力摩擦而使止漿布袋破裂失去止漿作用，造成返工和材料的浪費。

4.3 2次洗孔

從一期排氣管管口接入高壓水，將一期排氣管管口堵頭海綿推出，保證其后的灌漿過程中能暢通排氣回漿，也可檢測漿管是否存在孔壁封堵的質量問題。再從一期進漿管接入高壓水，若一期排氣管回水，則說明漿管通暢，可順利進行下步灌漿工序。

4.4 錨固段灌漿

深層作用力止漿器預應力錨桿錨固段的灌漿可以采取砂漿或高強錨固劑等材料，因為最終施加于桿體本身的外力作用效果是可以一樣的。其材料的選用主要決定于圍巖的發育程度和工期的進度安排。理論上，砂漿的最終強度實際比錨固劑的最終強度高。由于錦屏一級地下電站圍巖發育，各方考慮到施工進度和工期的安排，采用的是高強快凝錨固劑作為錨固段的灌漿材料。原因在于要達到所需要的張拉力，錨固劑所需的時間要比砂漿所需要的時間短得多。要給一根傳統的預應力錨桿施加120 kN的力，錨固劑6～8 h便可達到滿足施加這個力所需要的強度要求，而砂漿卻至少需要7 d。錨固段的灌漿采用0.34∶1的水灰質量比(水∶錨固劑)進行拌制。作用力止漿器的止漿時間為0.5～1.0 s。為保證灌漿密實，在回漿管出漿后，折閉回漿管平漿3～5 s，再折閉一期進漿管，至此，錨固段灌漿全工序結束。灌漿過程中，要全程旁站并做好各種數據的記錄:如，水灰質量比、注漿壓力(一般為0.20～0.25 MPa)、注漿時間(理想狀態下，一般時間為5～6 s)、理論注漿量、實際注漿量。

4.5 3次洗孔

為防止錨固段漿液進入自由段污染孔壁、桿體和封堵二期排氣管，所以要對自由段進行洗孔，即第3次洗孔。由于高強快凝錨固劑有速凝的作用，所以控制洗孔時間是關鍵，一般3次洗孔在錨固段灌漿完成后10～15 min進行，如果太早，從二期排氣管進入的水可能沖蝕掉止漿器中的錨固劑漿液致使止漿器收縮，無法與孔壁緊密結合，使錨固段內的錨固劑漿液部分流出形成空腔，嚴重的會導致錨固段全孔無漿，從而無法保證桿體的密實度和實施下一步的外力張拉;若太遲，從止漿袋處流出的部分錨固劑漿液會干涸，黏住了自由段的孔壁和錨桿桿體，并可能堵住二期排氣管管口使二期排氣管無法回漿，在注漿壓力的作用下，二次灌漿自由段便會出現空腔，無法保證密實度。

4.6 一期進漿管和一期排氣管的切除

為了方便安裝張拉墊板，在錨固段灌完漿液之后1～1.5 h(此時錨固劑漿液初凝，漿液形成膠狀體，不會順漿管流出)，可對一期進漿管和一期排氣管進行切割，并保護二期排氣管不被破壞。

4.7 墊板的安裝和二期進漿管的預埋

較傳統預應力錨桿的墊板，這種分期灌漿的預應力錨桿所采用的墊板一般預留有3個孔:一個為桿體的，一個為二期進漿管的，一個為二期排氣管的。為此，在將墊板套過桿體和二期排氣管并套上螺帽之后，還需插入1根1 m左右的漿管作為二期進漿管。然后用錨固劑將錨桿孔口封住，封堵的深度既不能超過桿體上的包裹材料，也要保證二期進漿管管通暢，且要封堵密實，防止灌漿時漏漿。在安裝過程中，還要保證墊板與桿體垂直、螺帽與墊板面接觸。如果出現螺帽與墊板點或線接觸的現象，在張拉時，力就會被分解:一部分作用在桿體軸線方向;一部分作用在垂直桿體軸線方向，形成剪力，導致張拉力達不到設計的要求，并且還會破壞桿體。因此，只有螺帽和墊板面接觸，張拉力才完全被施加在桿體伸縮方向上，才能滿足設計張拉要求。

4.8 預緊張拉

張拉之前需要對螺帽和墊板整合情況進行檢查，確保全部為面接觸，然后用0.3倍設計張拉力對錨桿進行預緊，之后按要求進行分級張拉。每次張拉前，均需將扭力扳手刻度回零，然后調至下一級張拉刻度，如此重復，直至張拉過程結束。

張拉過程中，要全程旁站做好各種張拉數據的記錄。錦屏一級電站預應力錨桿的設計張拉值為120 kN，考慮到圍巖應力的釋放會導致施加在桿體的作用外力會隨之部分釋放，故實際張拉值為設計張拉值的1.1倍，即132 kN。記錄中要對以下情況詳細記錄: 1)初值，即預緊后，從墊板處量出的絲牙桿體長度; 2)終值，即實施132 kN外力后，從墊板處量出的絲牙桿體長度;3)伸長值，終值與初值之差，實際過程中的伸長值為2.5～4.6 mm，跟理論的伸長值有一定的出入。

理論伸長值Δ計算公式:Δ=FL/EA(式中:F為張拉力;L為自由段長度的80%及自由段與1/2錨固段長度之和;E為彈性模量，E=2×105N/mm2;A為鋼筋截面積)。理論伸長值范圍為:絲牙行程應不小于自由段伸長值的80%，且不大于自由段與1/2錨固段之和的伸長值。

4.9 4次洗孔

為進一步清潔因張拉導致桿體出現掉落銹蝕物污染孔壁，避免影響黏結強度以及探明自由段有無串孔現象，因此采用第4次洗孔。

4.10 自由段灌漿

自由段灌漿采用質量比為0.45∶1∶0.5的砂漿材料(水∶水泥∶砂)，具體操作同內錨段灌漿。在注漿過程中，需全程旁站和做好各種數據的記錄:如，水灰質量比、注漿壓力(一般為0.20～0.25 MPa)、注漿時間(理想狀態下，一般時間為10～15 s)、理論注漿量、實際注漿量。

4.11 二期進漿管和二期排氣管的切除

待自由段內的砂漿強度達到一定程度后，便可以將二期進漿管和二期排氣管在齊平墊板處割掉，以保持施工結束后的整體美觀。

5 應用效果

通過施工前期的現場實驗和施工后期的無損檢測，結果表明:采用這種新工藝施工的預應力錨桿，注裝密實度均達到了99.5%以上，比同類采用其他施工工藝注裝的預應力錨桿的密實度提高了20.6%～21.8%。新工藝和傳統工藝相比(以100根計)，錨桿作用于圍巖的時間縮短(整套工序結束平均單根可以縮短時間15～30 min)，相對于自由段采用緩凝錨固劑灌注也能節約成本。

6 結論與討論

相對深層作用力止漿器預應力錨桿解決了普通預應力錨桿張拉時間固定的弊端，此類錨桿只要在錨固段錨固劑可以滿足設計張拉力的強度情況下，可以選擇在任何時間段內張拉，但考慮到圍巖的穩定、工期的影響以及長時間孔內空氣(水分)對桿體的銹蝕，張拉時間不宜過于推遲。

相對深層作用力止漿器預應力錨桿的運用越來越廣泛，在施工過程中，除了要總結過去的施工工藝和施工經驗，更應該結合現在地下工程施工的特點及各項要求，在原有的基礎上創新出更安全、更可靠、更高效且便于施工的工藝。

［1］ 趙長海.預應力錨固技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］ 王飛虎.地下洞室預應力錨桿支護機理及設計參數確定方法研究［D］.西安:西安理工大學水利水電學院，2001.

［3］ 趙長海，車黎明，王檳，等.SL 377—2007水利水電工程錨噴支護技術規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［4］ 李華曄.地下洞室圍巖穩定性分析［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［5］ 張思峰.預應力內錨固段作用機理及其耐久性研究［D］.上海:同濟大學地下建筑與工程系，2008.

［6］ 禹清泉.預應力張拉錨固體系質量控制及常見故障分析［J］.中國高新技術企業，2009(2):166－167.

［7］ 卓靜.高強度復合材料預應力張拉和錨固的施工方法:中國，02128047［P］.2003－05－07.

［8］ 吳德興.一種帶多功能止漿塞的脹殼錨桿:中國，200520013124［P］.2006－08－23.

［9］ 郭鵬.深埋高地應力條件下的隧道支護技術研究［D］.西安:西安科技大學建筑與土木工程學院，2009.(GUO Peng.Research on support technology for highly-stressed tunnels at depth［D］.Xi’an:School of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，2009.(in Chinese))