預應力錨桿在隧洞軟巖變形段處理中的應用與施工

陳木林

(中鐵二局第二工程有限公司，四川成都610031)

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站。其上游緊接錦屏一級水電站，下游依次為官地、二灘和桐子林水電站。電站將雅礱江150 km長的大河灣截彎取直，利用四條引水隧洞集中水頭引水發(fā)電。電站額定水頭288 m，共安裝八臺混流式水輪發(fā)電機組，單機容量600 MW，總裝機容量4 800 MW，為一低閘、長隧洞、高水頭、大容量引水式電站，工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、地下廠房三大部分組成。

引水隧洞共4條，分別為1～4號引水隧洞，平均洞長16.67 km，洞群沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深2 500 m，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點。

2 綠泥石片巖變形洞段處理

2.1 綠泥石片巖性能

在隧洞開挖施工中，2號引水隧洞層揭露出約100 m的綠泥石片巖洞段，此洞段其大部分由綠泥石、綠簾石、方解石及少量石英組成。在干燥條件下，完整綠泥石片單軸抗壓強度的平均值為38.8 MPa，粘聚力c=13.74 MPa、摩擦角φ=21.43°；但受構(gòu)造影響，大部分巖體十分破碎、松軟，用手即可掰斷，同時綠泥石片巖具有較強的軟化性，飽和條件下，單軸抗壓強度為19.7 MPa，軟化系數(shù)小于0.5，粘聚力c=4.47 MPa、摩擦角φ=25.26°。總體來說，圍巖表現(xiàn)為軟、弱、松、散等特點，具有自穩(wěn)性差、巖石破碎、強度較低和遇水軟化等特點，在開挖綠泥石片巖洞段曾發(fā)生塌方，屬于典型的工程軟巖。

2.2 綠泥石片巖變形洞段處理

2.2.1 軟巖洞段變形

由于高地應力和圍巖自身強度低等因素，綠泥石片巖洞段在開挖支護后發(fā)生大面積大變形現(xiàn)象，最大累計變形量達303.57 mm。變形后大部分巖體侵入襯砌混凝土凈空，為保證后期襯砌混凝土厚度和洞室凈空滿足要求，經(jīng)專家組研究決定對變形洞段進行處理，即擴挖處理。

2.2.2 軟巖洞段處理流程

(1)擴挖處理主要分為開挖和支護兩部分：在原設計尺寸基礎上增大開挖斷面尺寸進行開挖并施做系統(tǒng)支護。擴挖主要達到兩個要求：一是處理掉侵入襯砌混凝土部分以保證襯砌混凝土厚度及襯砌后凈空尺寸，二是加強變形洞段的支護能力。

(2)擴挖處理施工主要流程為：鉆爆法進行弱爆破配合機械施工(液壓錘)處理侵入凈空巖體→找頂出渣→拆除前期鋼拱架→初噴CF30納米鋼纖維混凝土及安裝新拱架→復噴CF30納米鋼纖維混凝土→施工系統(tǒng)砂漿錨桿，由于圍巖自穩(wěn)性極差，為防止擴挖后洞段的再次變形，在噴錨支護后增設了預應力錨桿、預應力錨索及錨筋樁三種加固支護方式。

2.3 預應力錨桿

2.3.1 概念

預應力錨桿：主要由錨固端(漲殼錨頭、砂漿錨固等)、錨桿桿體、進、回漿管、止?jié){塞、錨桿墊板和螺母6部分組成，在錨固端錨固以后，通過專門的預應力張拉器材，給錨桿施加一定預應力的錨桿稱為預應力錨桿。預應力錨桿可分多種型號，本文中預應力錨桿桿體為普通螺紋鋼筋，型號L=9 m、φ=32 mm、T=120 kN，采用砂漿錨固端頭和普通水泥砂漿注漿。

2.3.2 施工布置方式

預應力錨桿在隧洞左右兩側(cè)各布置一排，間距1m，在前期開挖過程中發(fā)生塌方的部位用預應力錨索取代預應力錨桿，拱腳布置錨筋樁，三種加固形式支護既加強上半斷面的支護效果，同時在下半斷面開挖時，保證上半洞段洞室整體安全，三種支護形式見圖1、圖2。

2.3.3 預應力錨桿支護原理

圖1 變形洞段預應力錨桿及錨筋樁加固

圖2 變形洞段預應力錨索及錨筋樁預加固

注：本圖主要為預應力錨桿、錨索及錨筋樁布置示意圖，其余系統(tǒng)支護未示，圖中右側(cè)與左側(cè)支護形相同

錨桿的初始錨固力主要來自于錨桿的初始張拉荷載，屬 于主動支護形式。圍巖在此支護載荷的作用下，兩端形成圓錐形分布的壓應力場，在此應力場的作用下使松動破碎或?qū)⒁蓜悠扑閹r石的粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量等均有不同的提高從而加強了圍巖的整體性。但最主要的是這個壓應力使開挖過后隧洞圍巖表面為兩向受力狀態(tài)變成三向受力狀態(tài)，使得開挖邊界由自由表面變?yōu)槭艿藉^固約束力作用的非自由表面，根據(jù)庫侖-莫爾理論如式(1)，圍巖強度大大提高。

(1)

單根錨桿的影響范圍是局部的，它只能引起局部應力集中，因而它除了懸吊個別危巖之外，不能作為一種支護手段來使用。若將單根預應力錨桿大面積支護時，那么受壓區(qū)域相互疊加相互作用，可對一定范圍的圍巖進行加固。結(jié)合錦屏引水隧洞綠泥石片巖軟巖段的實際情況，圍巖塑性區(qū)半徑達8～10 m，同時受施工條件所限，能施工的預應力錨桿長度為6～9 m，故現(xiàn)場采用9 m長的預應力錨桿，重點對變形較為突出的拱腰位置進行加固，并采用槽鋼將預應力錨桿縱向相連接，形成加強帶以整體約束拱腰附近的變形。

3 預應力錨桿施工

3.1 主要機械設備

(1)XY-2PC地質(zhì)鉆機或YQ100型潛孔鉆機造孔；(2)錨桿水泥砂漿制漿機；(3)AC280—760型扭力扳手(張拉預應力)。

3.2 預應力錨桿施工工藝

測量定位錨桿孔位→鉆孔→清洗錨桿孔→內(nèi)錨固段注漿→錨桿安裝→封孔口、錨墩制作→架設槽鋼→張拉與鎖緊→自用段注漿。

3.3 主要技術及質(zhì)量控制

(1)鉆孔：檢驗鉆孔深度及孔位偏差質(zhì)量。

(2)錨桿孔清洗：錨桿孔清洗可分高壓水沖洗和高壓空氣清洗兩種方式，由于本洞段圍巖屬于遇水軟化的綠泥石片巖，宜采用高壓空氣清洗，將孔內(nèi)石渣、碎屑清理干凈。

(3)錨桿安裝及時性：綠泥石片巖圍巖本身破碎，自穩(wěn)性差，錨桿孔清理干凈后須盡快安裝錨桿，避免錨桿孔內(nèi)掉落石渣堵塞錨桿孔情況的發(fā)生。

(4)水泥砂漿質(zhì)量：控制水泥砂漿配合比，保證砂漿強度不低于M25。

(5)錨固段注漿：錨固段注漿須在孔底部位，注漿時控制好注漿量。

(6)錨桿安裝：將錨桿安裝在孔位中間位置，錨桿外漏端頭長度為10～50 cm。

(7)錨墩制作：錨墩制作時，須用φ50鋼管將錨桿套住，進、回漿管沿φ50鋼管外部露出，錨墩采用M30水泥砂漿澆筑，厚度為3～5 cm。

(8)一次注漿及錨墩制作結(jié)束待凝3 d后，將槽鋼架設到預應力錨桿外錨墩上，槽鋼上須在錨桿對應位置開孔，孔徑φ32。槽鋼將預應力錨桿縱向相連接，以形成加強帶使整體約束拱腰附近的變形，增強支護效果。

(9)預應力張拉：張拉前需對扭力扳手標定，標定合格才能使用，施工中扭力扳手易損壞，需每周標定一次。錨固端待凝3 d后，可將錨桿墊板架設到預應力錨桿外錨段上進行張拉，張拉前將緊鎖螺帽套在錨桿外露段絲扣上。正式張拉之前先取20%的設計張拉荷載(即24 kN)，對其預張拉1～2次，使其各部位接觸緊密。

張拉力施加值順序依次為：第一次張拉力為設計值的25%(30 kN/130 N·m)，持荷5 min后進行第二次張拉，張拉力為設計值的50%(60 kN/260 N·m)，持荷5 min后進行第三次張拉，張拉力為設計值的75%(90 kN/380 N·m)，持荷5分鐘后進行第四次張拉，張拉力為設計值的100%(120 kN/500 N·m)，最后一級張拉力達到設計值后穩(wěn)壓30 min結(jié)束張拉并鎖定。每張拉一次均應量測錨桿桿體的伸長值，并作好原始記錄。

錨桿鎖定后48 h內(nèi)，若發(fā)現(xiàn)預應力損失大于錨桿拉力設計值的10%時，應進行補償張拉。

(9)自由端注漿：在錨桿張拉鎖定或補償張拉之后，進行自由段注漿，將水泥砂漿泵送至進漿管中，待回漿管回漿后，封閉回漿管，繼續(xù)灌注5 min便可結(jié)束。

4 支護效果

4.1 支護前變形

在對變形洞段變形發(fā)生前、處理過程中和處理完成后，安全監(jiān)測組對洞段的收斂和應力變化等全程嚴密監(jiān)測，主要包括：收斂監(jiān)測、錨桿應力計監(jiān)測、多點位移計監(jiān)測、鋼拱架應力計、錨索測力計、錨筋樁應力計、壓應力計監(jiān)測、鋼筋應力計監(jiān)測、應變計監(jiān)測、無應力計監(jiān)測等十余種監(jiān)測手段。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)表明擴挖之前，洞段各收斂測線每天收斂增量波動較大，典型斷面如圖3。

圖3 支護前典型斷面收斂累計過程線

4.2 支護后變形

在施做了系統(tǒng)支護后特別是施工了預應力錨桿、錨索及錨筋樁三種加固支護后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映，收斂變形、巖體內(nèi)部應力均已趨于穩(wěn)定，典型斷面如圖4～圖6。

圖4 支護后典型斷面收斂累計過程線

圖5 支護后斷面錨桿應力累計過程線

圖6 支護后斷面錨索荷載損失累計過程線

通過上述監(jiān)測斷面圖說明各類支護手段的綜合運用起到了明顯的效果，有效防止洞段變形使其內(nèi)部應力趨于穩(wěn)定保證洞室穩(wěn)定和施工質(zhì)量，起到較好作用。

5 結(jié)束語

本文通過簡介綠泥石片巖變形洞段的處理，淺述了變形洞段各類支護方式及支護效果，在處理過程中除了采用常規(guī)錨噴支護以外，特別增加了預應力錨桿、預應力錨索及錨筋樁施工，取得了良好的支護效果，本文主要簡述了預應力錨桿支護原理及施工工藝技術效果，可為類似工程提供借鑒。

[1] 楊家松.大斷面軟巖隧道鉆爆法開挖技術分析[J].路基工程，2013(4)