大型導流洞預應力錨桿快速施工技術

夏志強，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置了3條導流隧洞，圍巖穩定性問題比較突出，主要工程地質問題表現為:

(1)導流洞沿線斷層較發育，尤其是斷層與層間層內錯動帶等緩傾角結構面結合，易形成不穩定塊體;

(2)凝灰巖和沿凝灰巖分布的層間錯動帶及層內錯動帶產狀平緩，在隧洞頂拱出現時會沿洞展布較長距離，尤其是在導流洞中后段;

(3)導流洞沿線的P2β32、P2β3

3層為柱狀節理玄武巖，其開挖后易松弛，原嵌合緊密的柱體會因松弛形成局部掉塊現象;

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

由于該導流洞開挖洞徑為特大型斷面，部分洞段巖性偏差，洞室結構的安全至關重要。為確保左岸導流洞在施工期巖體穩定及建筑物結構安全，避免發生重大地質災害，設計單位在原有錨噴支護的基礎上，共設計了5245根預應力錨桿作為加強支護。預應力錨桿參數:預應力為150 kN，錨桿為螺紋鋼筋，直徑為32mm，長9m，外露長度為30cm，錨墊板尺寸為200mm×200mm×8mm。

2 設計優化

由于白鶴灘水電站工期非常緊張，在預應力錨桿施工中找到一種合理的、快速的施工技術對工程按時履約尤為關鍵。我們通過討論及現場生產性試驗，針對原施工技術進行的優化調整為:

(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間長，無法實現快速施工。在借鑒龍灘、溪洛渡、向家壩等工地預應力錨桿施工成熟經驗的基礎上，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后即可進行張拉，從而實現了快速施工。

(2)在確定采用“速凝錨固劑+緩凝砂漿”的錨固體組合方案后，施工現場還進行了三種不同施工工藝生產性試驗對比，根據試驗結果，比選出了更優、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行緩凝砂漿灌注，然后進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行錨桿及附件的安裝，等強后張拉，最后進行自由段灌漿。

經現場試驗發現施工工藝二具有工序少、操作簡便、便于過程控制和實施效果好等優點。施工工藝二中的預應力錨桿結構見圖1。

圖1 預應力錨桿結構示意圖

(3)原設計圖紙要求錨桿鉆孔直徑為48mm，而錨桿直徑即達32mm，造孔直徑僅大于錨桿直徑16mm，進漿管與回漿管無法埋設;另外，BOOMER-XL3D多臂鑿巖臺車(多臂鉆)鉆桿的最大長度為6m，造9m深孔必須進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，在征得監理工程師與設計的同意后，將孔徑優化調整為φ65。

(4)多臂鉆造孔鉆桿最大長度為6m，造9m孔必須先取出6m鉆桿，套上聯接套后增加一根長3m的鉆桿，若每次造孔均反復上、下連接套、鉆桿，將導致造孔效率偏低且鉆桿磨損較大。經討論后決定在現場采用大規模分次成孔的方案，即以30個孔為一組，先用6m長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深的孔的基礎上進行再次加深造孔，從而避免了反復上、下聯接套、鉆桿的工序，提高了多臂鉆的有效工作時間，達到了機械化、大規模快速施工的目的。

(5)采用錨固劑噴槍進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控制噴槍的關閉，從而導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，耗時長，甚至出現管路易堵塞、易爆裂的情況，經優化，現場采用自帶攪拌機的注漿機，整個注漿過程只需3min。注漿機注漿相對來說也更為簡便、易控、安全。

(6)在現場進行生產性試驗后，專門組織制漿人員、注漿人員、吊機操作手進行嚴格的培訓，形成了預應力錨桿施工中的定人定位施工，使注漿程序成流水線作業，工序間銜接更為緊密，單根施工也更為快速。

3 施工工藝及施工準備

3．1 工藝流程

預應力錨桿施工工藝流程見圖2。

圖2 預應力錨桿施工工藝流程圖

3．2 施工準備

(1)材料準備。

預應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9m，絲扣長度為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的錨固劑，散裝速凝錨固劑型號為:MSK3;緩凝錨固劑型號為:MSM1。拌和用水采用附近未污染的施工用水，砂為中細砂，粒徑≤2．5 mm。

錨固藥卷應有出廠檢驗合格證并按照相關規范檢驗合格。

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)設備準備(表1)。

表1 預應力錨桿施工主要設備表

(3)技術準備。預應力錨桿施工之前需進行以下準備工作:①鋼筋力學性能檢驗，以保證鋼筋材質滿足質量要求;

②現場先做生產性試驗，擇優選擇施工工藝;

③對多種材料進行室內試驗，確定速凝錨固劑初凝時間為41min，緩凝錨固劑漿液初凝時間超過24h。在現場進行速凝錨固劑同步試驗，確定錨固劑在孔內達到20MPa強度時約需5h，即在錨固劑注裝5h后方可進行預應力錨桿張拉;

④在云南計量測試技術研究院進行了扭力扳手率定，20%設計張拉力時對應的扭矩為187N·m，50%設計張拉力時對應的扭矩為456N·m，105%設計張拉力對應的扭矩為957N·m;

⑤在現場進行了緩凝砂漿(配合比為水∶緩凝錨固劑∶砂 =0．4∶1∶0．5)同步試驗，確定緩凝砂漿初凝時間超過16h以上。

4 施工過程

4．1 測量定位

根據設計圖紙要求，對錨桿孔孔位進行測量放樣，定出孔位并用紅油漆標識。

4．2 機械化大規模造孔

預應力錨桿采用導流洞內負責開挖支護的多臂鉆造孔，鉆孔時要求鉆桿垂直巖面，鉆孔平直，孔軸方向偏差不大于1°～3°。以30個孔為一組，先全部用6m長的鉆桿施工，一次性成孔6m，最后增加3m長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，多臂鉆一個班就能造完一組孔。

4．3 鉆孔檢查

現場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，是否發生過塌孔。

4．4 稱量及拌和

4．4．1 稱 量

施工現場配備了1臺電子磅秤、2個塑料桶等稱量容器，可以準確、方便地控制水、錨固劑、砂子的摻量。

根據試驗室開具的配合比計算出水泥、砂、錨固劑的重量，然后進行嚴格稱量。由于現場所用的注漿砂可能含水量大小不一樣，現場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較小，人工在自制拌料槽內進行拌制，拌和時間大約為3min，以漿液拌制均勻、無結塊為準。

緩凝砂漿用注漿機自帶攪拌機拌制，提前進行緩凝砂漿的拌制，并保證在速凝錨固劑拌制完成之前完成。緩凝砂漿拌制時，先在攪拌機內加入緩凝錨固劑，同時準備好相應量的水及砂，然后加入適量的水并進行攪拌，待基本拌制均勻后，再加入砂并繼續進行攪拌至均勻，根據攪拌機內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。注漿施工采用一臺麥斯特注漿機一次性連續注漿，先按設計用量拌制速凝錨固劑，待速凝錨固劑全部進入注漿管后開始注緩凝砂漿。

4．5．1 注裝速凝錨固劑

預應力錨桿內錨固段設計長度為3m，注漿采用1臺麥斯特注漿機，通過DN25，L=25m注漿管進行，8t吊車平臺作為操作平臺，將速凝錨固劑從自制拌料槽轉入注漿機輸送槽后，事先將注漿管置于孔外排干管內積水，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，立即進行緩凝砂漿的注裝，緩凝砂漿注漿拔管操作控制同速凝錨固劑注裝。孔口1m段拔管速度應適當減緩，以防止漿液下掉，確保孔口段漿液飽滿。注漿管拔出后，采用膠袋對錨桿孔進行臨時封閉，防止砂漿漏出。

4．6 插 桿

預應力錨桿均采用“先注漿后安插錨桿”的程序施工，因此，注漿結束后應立即安插錨桿。錨桿安裝時利用1臺吊車改裝車配合人工進行，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人員的勞動強度，錨桿桿體端部加φ40鋼管輔助送桿。吊機操作手必須服從錨桿安裝人員的指揮，緩慢推進桿體并不斷調整錨桿角度，將錨桿安裝到位。插桿過程總體按照緩慢、勻速的原則進行，最后用棉紗臨時封好孔口。注漿和桿體安裝均在15min之內完成(實驗室速凝錨固劑初凝時間為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

本次試驗在錨桿安插后5～8h內進行了張拉。

預應力錨桿正式張拉前，先將張拉機具按設計要求進行率定，再按照20%設計張拉荷載對錨桿進行預張拉1～2次，使其各部位接觸緊密，最后移機就位進行張拉。分別以設計荷載的50%、75%、105%逐級張拉，每級持荷5min，測讀相應的桿體伸長值并做好記錄。當加荷至1．05T(T為設計荷載，T=150kN)桿體伸長值無變化時，持荷鎖定，然后卸荷，撤除機具。錨桿鎖定后48h內，若發現預應力損失大于錨桿拉力設計值的10%時，應進行補償張拉。

5 施工的合理組織

在導流洞開挖支護期間，開挖與支護作業受到的干擾極大。為了能更合理地組織現場施工，在導流洞由人工配合手風鉆在掌子面造爆破孔時，同時安排多臂鉆在后方造系統支護錨桿孔及預應力錨桿孔，正常情況下，爆破孔要比錨桿孔先完成，但由于爆破后洞內需要通風散煙及出渣作業，會極大地影響多臂鉆造孔的施工效率。經討論后確定將時間統一安排在支護高峰期時，爆破被定于6∶00、12∶00、18∶00、24∶00 四個點，爆破后要求馬上出渣，此舉剛好錯開了多臂鉆操作手檢修機械、人員吃飯、交接班的時間，從而實現了機械的連續施工，極大地提高了造孔效率。

多臂臺車兼顧導流洞支護施工，在滿足導流洞支護造孔的前提下，及時協調進行預應力錨桿造孔，每批造孔量為30～40個，造孔完成后，對已造孔部位及時開始內錨段灌漿及錨桿安裝作業，張拉作業滯后錨桿安裝作業10～20m。同時，安排液壓鑿巖臺車開始下一施工區的造孔作業，各作業程序根據施工強度合理均衡安排，搭接緊密，實現流水作業，工程進展順利。

6 質量控制措施

預應力錨桿施工工序復雜，技術要求嚴格，為確保施工質量，應對以下幾個質量重點進行嚴格的控制:

(1)鋼筋、水泥、錨具等材料應有產品合格證及相應的檢驗、試驗報告;

(2)預應力錨桿表面不應有污物鐵銹或其他有害物質;

(3)根據設計文件要求編制詳細的施工方案，嚴格按技術要求進行施工，工程的每道工序均嚴格執行施工質量“三檢制”，經驗收合格，監理人員在合格證上簽字后方可進行下一道工序;

(4)造孔是質量控制的關鍵環節之一，孔位必須經測量并標識。液壓鑿巖臺車要選用經驗豐富，責任心強的操作手，開鉆前要認真調整好鉆臂方向，確保孔向垂直巖面，鉆桿勻速鉆進;

(5)灌漿作業開始前，應清除鉆孔內的石屑與巖粉;

(6)內錨段灌漿是否密實，是確保張拉成功的關鍵環節，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，在漿體強度未達到設計要求前，預應力筋不得受擾動;

(8)張拉是預應力錨桿施工的重要環節，應按技術要求進行分級張拉，全過程嚴格監控并做好詳實細致的原始記錄;

(9)錨桿基本試驗的地質條件、錨桿材料和施工工藝等應與工程錨桿一致，數量不得少于3根。

7 結語

白鶴灘水電站左岸導流洞預應力錨桿施工，從施工手段、設計優化、施工組織等角度出發，在預應力錨桿施工進度緩慢的難題上有一定的突破，主要表現在:

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

(2)定時爆破、出渣的推行，實現了多臂鉆無間斷、連續施工，形成了規模效應，大大提高了造孔效率并節約了造孔成本;

(3)采用先注漿后插桿的施工方法，施工過程簡捷快速，加快了錨桿安插速度;

(4)使用帶攪拌機的注漿機完成注漿，較錨固劑噴槍施工要求更低，操作更簡單、安全。預應力錨桿快速施工的實現，為施工局按期履約奠定了堅實的基礎。