錦屏一級水電站地下廠房預應力錨桿張拉伸長值試驗分析

張傳紅

(中國水利水電第十四工程局有限公司錦屏項目經理部，四川涼山 615603)

0 引言

錨桿支護技術至今已有70多年發展歷史，其技術特點、操作工藝已趨于成熟、穩定，國外錨桿支護技術以澳大利亞、美國發展最為迅速，其技術水平居于世界前列。我國從1956年起，在煤礦圍巖中開始使用錨桿支護，主要是采用機械式錨桿。隨著技術的進步，先后推出了樹脂錨桿、管縫式錨桿、脹管式錨桿、長錨索、混合錨頭錨桿、組合錨桿和桁架錨桿等。到“九五”期間，我國錨桿支護技術發展進入到了高強度預應力錨桿體系新階段，并且引進了澳大利亞錨桿支護技術，取得了明顯的支護效果。

隨著錨桿支護技術的廣泛應用和發展需求，國內外許多學者對于復雜工程環境下預應力錨桿支護理論與技術進行了探析和研究。趙國彥等［1］利用彈性力學分析方法，對錨固范圍與有效錨固長度和有效預應力的關系進行了研究。蔣新東［2］對室內、現場2種條件4種工況下預應力錨桿張拉監測同步試驗，證明了采用扭力扳手預應力錨桿張拉值與錨桿應力計監測值基本一致。嚴定偉等［3］結合魯地拉水電站地下廠房全長粘結型預應力錨桿施工特點，優化了施工工藝。史哲等［4］通過對基坑錨桿預應力變化的系統監側和分析，揭示了錨桿預應力在運行過程中預應力變化的作用因素。張友葩等［5］通過對錨桿承載機制的分析和研究，得出了預應力錨桿最佳錨固段長度。康紅普等［6］采用有限差分數值計算軟件分析了錨桿預應力支護參數對錨桿預應力引起的應力場—錨桿預應力場的影響。上述研究主要側重于錨桿的荷載傳遞機制、施工工藝、錨固參數和加固效果，但對普通鋼筋預應力錨桿張拉伸長值的研究較少，本文以錦屏一級水電站地下廠房洞室預應力錨桿施工為例，在錨桿伸長值計算理論的基礎上，通過現場工藝、室內車間2種環境下張拉試驗，得出預應力錨桿伸長值的影響因素及伸長值變化規律，提出合理化建議，以期對實際施工具有指導意義。

1 工程概況

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣和鹽源縣交界處的雅礱江大河灣干流河段上，是雅礱江下游從卡拉至河口河段水電規劃梯級開發的龍頭水庫，河流流向約N25°E，河道順直而狹窄，兩岸山體雄厚、谷坡陡峻，為典型的深切“V”型谷。樞紐工程采用壩式開發，主要任務是發電，正常蓄水位以下庫容77.65億m3，電站裝機6臺，總裝機容量3 600 MW。

地下電站發電系統工程布置于壩區右岸，位于大壩下游約350 m的山體內，水平埋深110～300 m，垂直埋深180～350 m，主要由引水洞、地下廠房、母線洞、主變室、尾水調壓室和尾水隧洞等組成，3大洞室平行布置，巖體受構造影響較強，巖層產狀變化較大，出露地層為三疊系中上統雜谷腦組第二段(T2－3Z2)大理巖，及少量后期侵入的煌斑巖脈(X)，斷層、層間擠壓錯動帶、節理裂隙等構造結構面較發育。地下廠房洞室埋深大，地應力較高，監測數據顯示，最大主應力均大于15 MPa，一般20～30 MPa，部分應力集中區超過30 MPa，最大達35.7 MPa，屬高—極高地應力區，復雜的地質結構嚴重影響洞室的成型、穩定［7］。

2 試驗目的、類型

為準確了解預應力錨桿在不同施工環境下實際伸長值變化規律，采用了與施工現場一致的材料和施工工藝，分別在加工車間和施工現場2種環境下，進行車間自由段完全自由和現場實際施工工藝2種類型張拉試驗，探析預應力錨桿實際張拉伸長值變化規律和特征，論證實際張拉伸長值是否能達到設計理論伸長值要求。試驗樣品錨桿型式及參數如下。

表1 加工車間試驗預應力錨桿理論伸長值計算表Table 1 Theoretical tensioning lengths of pre-stressed rock bolt in workshop

表2 現場施工工藝試驗預應力錨桿理論伸長值計算表Table 2 Theoretical tensioning lengths of pre-stressed rock bolt in construction site

2.1 加工車間自由段完全自由張拉試驗

2.1.1 試驗準備工作及方法

3)試驗方法。采用2榀8.0 m I16工字鋼和下部16 mm厚鋼板聯合焊接形成鋼梁，作為錨桿變形約束體，用于1～3#錨桿一次張拉試驗平臺;另外在其鋼梁上用鋼板焊接2個固定支座，支座間距離為6.5 m，支座鋼板中間鉆有φ50圓孔，2圓孔中心點連線與鋼梁保持平行，錨桿置于2支座上，用于4#～6#錨桿分級張拉試驗平臺，分級張拉不進行穩荷間歇(詳見圖1)。試驗時將錨桿置入自制鋼梁內，鋼梁兩端分別安裝錨墊板作為承壓板，一端用螺帽鎖定，另一端擰入螺帽后作為主動端，利用扭力扳手張拉(使用前進行率定，回歸方程Y=0.244 5X+4.19，線性相關系數R2=0.998 6)。采取一次張拉到位和分級張拉2種方式加載，每級張拉后測量錨桿伸長值，整個試驗過程中確保錨桿張拉時完全自由，測試錨桿在完全自由的狀態下，施加拉力后的變形量及變形規律。

圖1 加工車間自由段完全自由張拉試驗(單位:mm)Fig.1 Free tensioning test on free rock bolt section in workshop(mm)

2.1.2 試驗步驟

1)安裝錨桿。先將錨桿緩慢、均速、謹慎穿入鋼梁內(如圖1所示)。對錨桿各接觸部位進行潤滑處理，絲牙處用牛皮紙隔開，以消除張拉時摩擦，同時測量鋼梁兩端支座之間距離，作為鋼梁初始長度。

2)預緊。利用100 N·m的扭矩對錨桿進行預緊［10］，預緊前在錨桿絲牙、螺母、鋼梁支座等接觸部位涂抹黃油，以減少摩擦。預緊后用游標卡尺、鋼卷尺分別測量錨桿外露長度和鋼梁形體，作為變形量計算初始值，第1次測量時做好標記，之后每次測量均在同一位置(見表3和表4)。

3)張拉。張拉采用扭力扳手，其中3根8.22 m錨桿采取預緊后一次張拉到設計值的方法加載，張拉時取1.1倍的設計拉力即132 kN加載;另外3根6.7 m錨桿分4級張拉，拉力分別取設計拉力的0.3，0.5，0.75和1.1倍分4級加載，每級加載到位后，用游標卡尺量測張拉后錨桿末端至錨墊板之間的距離，作為錨桿外露長度最終值，然后用50 m鋼卷尺量測兩端鋼梁支座、鋼墊板的最終體形尺寸(見表3和表4)。

4)測量數據統計對比。

表3 錨桿實際伸長值與理論伸長值對比(一次張拉到位)Table 3 Comparison and contrast between actual tensioning lengths and theoretical tensioning lengths of rock bolts(tensioning for one time)

表4 錨桿實際伸長值與理論伸長值對比(分級張拉)Table 4 Comparison and contrast between actual tensioning lengths and theoretical tensioning lengths of rock bolts(tensioning stage by stage)

2.1.3 成果分析

從以上試驗數據可知，在預應力錨桿完全自由的狀態下，無論是采取分級張拉還是預緊后一次張拉到位，其自由段實際伸長值均小于理論伸長值，其中1～3#錨桿(8.22 m)實際伸長值與理論值相差1.94～2.24 mm，最小相差值所占比例29.2%;4～6#錨桿(6.7 m)實際伸長值與理論值相差2.29～2.69 mm，最小相差值所占比例42.5%。從所占比例看，錨桿自由段越長其伸長值差值越小，說明錨桿自由段越長，由其材質不均勻引起的誤差會越小，故實際伸長值更接近理論值。由此可見，錨桿自由段長度是影響伸長值變化的主要因素之一。然而在這種較理想的完全自由狀態下受拉，其實際伸長值也很難達到理論伸長值，對于受各種不確定因素影響的施工現場來說，實際伸長值達不到理論伸長值，或者甚至小于理論50%也是符合實際的。

因此，拋開現場施工環境因素的影響，在錨桿設計預應力值和自由段長度較小的條件下，錨桿張拉力變量與伸長值因變量之間也并不具有穩定的線性關系，這一點也印證了只有預應力值大于200 kN、長度大于8 m的錨桿才適用GB 50086—2001規范中第7.5，7.6節對預應力錨桿張拉伸長值的規定［9］。

2.2 現場施工工藝張拉試驗

2.2.1 試驗準備工作及方法

1)主要試驗設備。8 t吊車、強制式攪拌機、ZJB－1.8Z型擠壓式注漿機、錨桿應力計采集儀、游標卡尺、常用溫度計、扭力扳手、帶止漿塞注漿管等其他輔助工具。

3)試驗方法。現場施工工藝張拉試驗主要有3種類型，即錨桿自由段完全自由(裝有PE套管和應力計)、自由段非完全自由(無PE套管、裝有應力計)和自由段非完全自由(無PE套管也無應力計)，共進行4根錨桿張拉試驗(詳見圖2—5)。試驗預應力錨桿嚴格按照錦屏一級水電站地下廠房預應力錨桿擠壓式注漿工藝進行造孔、注裝和張拉，其試驗方法、作業環境與實際施工工藝完全一致。張拉試驗過程中利用游標卡尺測量錨桿實際伸長值，同時通過錨桿應力計觀測錨桿實際受力情況，綜合所測得數據分析錨桿實際伸長值和張拉力變化規律。

扭力扳手仍采用車間自由段張拉試驗中所用扳手，編號為96411，使用前進行檢測率定，回歸方程為:Y=0.201 8X+0.071 4，回歸方程線性相關系數R2=0.997 4。

2.2.2 試驗過程

1)錨桿造孔。錨桿孔采用353E多臂鑿巖臺車鉆造，一次成孔，孔徑為102 mm，孔深9 m，孔向垂直于巖面，孔道順直、無錯臺、彎曲，試驗前對造孔質量進行全面檢查，確保錨孔質量滿足試驗要求。

圖5 現場張拉工藝試驗Fig.5 Manufacturing of pre-stressed rock bolt

3)錨桿注裝。采用先注漿后插桿方法注裝錨桿，錨固段2.5 m注入MSSK3型速凝錨固劑漿液，配合比為0.3∶1(經試驗錨固劑漿液初凝時間81'9″，終凝6 h，實測抗壓強度為26.5 MPa);自由段6.5 m注緩凝砂漿，采用普通河砂配制，摻入JM－Ⅱ緩凝高效減水劑，凝結時間可達16 h 45'。注漿時，先將漿管插入孔底，利用注漿管管口15 cm處設置的海綿止漿塞，使注漿管在漿液壓力的作用下，慢慢被擠出，以確保孔內注漿密實且內錨段與外錨段不發生混漿。注漿過程中做好注漿開始和結束時間記錄，按錦屏地下廠房預應力錨桿施工工藝技術要求，錨桿有效張拉時段為錨桿開始注裝后6～9 h(即自由段緩凝砂漿初凝前，內錨段錨固劑終凝后)，由于1#～3#錨桿為無粘結型，因此注漿滿6 h后的任意時間均可進行張拉，但4#錨桿必須按此工藝技術要求在有效時間內進行張拉。

4)預緊、張拉。張拉前，首先通過數據采集儀測量出錨桿應力計的初始值，同時量測氣溫，再以100 N·m的扭矩對錨桿進行預緊，預緊前先清理錨頭部位雜物，對錨桿絲牙處各接觸部位進行潤滑處理，以減少摩擦。預緊后用游標卡尺測量錨桿末端至錨墊板之間的距離，作為錨桿外露長度的初始值。

張拉采用扭力扳手預緊后一次張拉到位的方法進行，張拉力取設計值1.10倍(132 kN)的拉力，均勻加載，張拉鎖定后穩荷10 min，讀出應力計采集儀讀數，同時測出錨桿末端至錨墊板之間的距離，作為錨桿外露長度的最終值，最后根據記錄計算伸長值和張拉力。各錨桿具體試驗數據如表5所示。

表5 預應力錨桿現場施工工藝試驗張拉力與伸長值對照表Table 5 Tensioning stresses and tensioning lengths of pce-stressed rock bolt

2.2.3 成果分析

從表5中試驗成果數據看，3#為帶套管預應力錨桿和4#無套管預應力錨桿，在施加相同設計張拉力的作用下，2根錨桿實際所受張拉力相近，與設計拉力分別相差13.8 kN和22.1 kN，3#為帶套管預應力錨桿，自由條件較好，拉力損失相對較小，符合實際常理。另外該4根試驗錨桿實際伸長值基本接近，其中實際最大伸長值2.2 mm，最小值2.0 mm，均遠遠小于理論伸長值5.33 mm。由此可見，在復雜的現場施工環境下，帶套管預應力錨桿自由段實際伸長值也很難達到設計理論伸長值要求。

綜上所述，錨桿桿體自身所受到的拉力通過錨桿應力計的檢測顯示基本與設計要求的鎖定張拉力一致，滿足設計及規范要求，而預應力錨桿自由段無論是帶套管還是無套管，在設計鎖定張拉力作用下，其自由段實際伸長值均小于理論伸長值范圍(4.27～6.36 mm)，且最大伸長值僅占理論伸長值的41.2%，相差較大。

3 結論與建議

通過在加工車間和施工現場2種具有代表性的環境中進行張拉試驗可知，預應力錨桿即使在完全自由狀態下張拉，其自由段實際伸長值依然小于理論伸長值。在加工車間試驗中，自由段長度8.09 m，最大伸長值也僅達到設計值的70.8%。此試驗數據與錦屏一級水電站地下廠房預應力錨桿實際張拉伸長值從未超過3.0 mm的實際情況也是相呼應的。因此，在復雜多變的施工現場，影響張拉的因素更多，如錨桿材質、張拉力、溫度、施工工藝和錨桿長度等因素，都將影響錨桿張拉伸長值和張拉力。但從現場施工工藝試驗數據看，張拉力可通過適當加大鎖定拉力(如1.1～1.15倍)的方法，彌補實際鎖定張拉力的損失，使錨桿預應力值滿足設計要求。預應力錨桿的核心功能是利用預應力加固圍巖，而實際伸長值未能達到設計伸長值，對工程質量和使用功能無實質性影響，相比張拉力而言，實際伸長值屬次要性指標。試驗表明:預應力錨桿張拉伸長值變化受其材質、張拉力、溫度、施工工藝、錨桿長度等諸多因素影響，實際伸長值不能滿足規范中理論伸長值要求。因此，對于普通鋼材預應力錨桿的驗收，建議以控制實際張拉力為主，實際伸長值僅作參考，同時控制好注漿密實度，確保工程質量。

錦屏工程預應力錨桿采用的是普通二級螺紋鋼，設計拉力為120 kN，主要用于洞室圍巖初期支護，依據相關設計文件及標準［11］，設計服務年限2年以上，屬永久性錨固工程，其實際情況并不符合驗收標準中前提條件。如果違背客觀事物規律，考慮因素過多，不僅不能提高工程質量反而增加了施工難度，勢必會制約它快速承載、適應性強、效率高等優勢的發揮。若在其范圍內引用標準，簡化施工操作難度，以達到最終效果和目的為原則，確定一個科學、合理的控制標準，將更有利于施工質量管理和工程效益的表現。

本次試驗主要研究了普通鋼材預應力錨桿張拉力大小、操作工藝、溫度、錨桿長度對預應力錨桿伸長值的影響，由于試驗條件有限，未對監測儀器自身精度、注裝后孔內溫度、預應力錨桿軸線與錨墊板面的夾角、切向位移、成孔質量及同廠家不同批號鋼材彈性模量的波動等因素予以考慮，這也充分反映了普通二級螺紋鋼筋張拉伸長值變化的影響因素眾多，關系復雜，且不呈線性關系，目前相關實踐經驗數據缺乏，難以量化計算。因此，普通鋼材制成的預應力錨桿張拉實際伸長值規律的確定還有待進一步研究。

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