小浪底引黃工程地下泵站廠房頂拱預應力錨索施工技術

張 瑜

（山西小浪底引黃水務有限公司, 山西 太原 030002）

1 概況

山西省小浪底引黃工程地處山西運城市,是一項大型引調水利工程。工程年引水量為2.47 億m3,設計流量20 m3/s。地下泵站廠房安裝6 臺（4 工2 備）三級離心泵,單機引用流量5 m3/s,水泵設計揚程236.10 m。廠房由主機間、副廠房及安裝間組成,機組間距11m/11.05 m,吊車梁以上開挖寬度22.1 m,以下開挖寬度20.9 m,從上至下依次為電動機層、電纜層、水泵層和進水閥層,其中水泵安裝高程為211.4 m,電動機層高程為223.5 m,頂拱開挖高程244.0 m,最大開挖高度40.5 m。

2 預應力錨索施工依據及技術要求

小浪底引黃工程地下泵站廠房分六層開挖,首層開挖中先行開挖中導洞,開挖斷面尺寸8 m×9 m,中導洞開挖實際揭露地下廠房頂拱范圍主要為灰白色薄層白云巖,以薄層結構為主,圍巖及結構破碎,貫通裂隙很發育,未出露原設計圖中的破碎帶,為保證安全,對原開挖支護圖中頂拱布置的錨索全部取消,頂拱另行布置系統錨索,先期施工中導洞頂拱范圍內24 根錨索采用7束Φ18 mm高強度低松馳鋼絞線組成一束,單根錨索長度為25 m,錨固長度8 m,張拉段長17 m,7 束鋼絞線設計拉力為1000 kN,鋼絞線結構示意圖（見圖1）。

圖1 鋼絞線結構示意圖

3 預應力錨索施工工藝

3.1 錨索施工工藝流程圖（見圖2）

圖2 錨索施工工藝流程圖

3.2 施工平臺搭設及鉆孔

采用20 a號工字鋼焊接形成,臺車上鋪設鋼筋網作為作業平臺,鋼筋網采用φ25 mm或φ22 mm的鋼筋骨架,內焊接φ12 mm或φ8 mm的形成。平臺四周采用φ48 mm鋼管焊接護欄,基礎平整,保證施工平臺穩定牢固,滿足施工承載要求。

根據平面控制點引測,依據有關測量資料計算,結合施工圖紙確定鉆孔位置。將錨索鉆機運至目標平臺,待安裝好鉆機后開鉆,確保鉆孔開孔位置保持在≤10 cm的偏差內,孔斜孔深誤差保持在≤2%的范圍內。采用YXZ50 鉆機及DH6 沖擊器配套Ф146 mm釬頭進行鉆孔,開孔時,使釬頭緊貼巖面低壓沖擊,平穩緩緩推進即可。

針對穩定巖層常規鉆進即可,鑒于中導洞存在較破碎的圍巖情況要采取套管跟進技術,實現一邊鉆進同步跟進套管,保護好開孔段孔壁,鉆孔過程中遇到掉塊較為嚴重的情況進行分段鉆進,同時采用高強速凝水泥-水玻璃漿液進行護壁作業,每鉆進一定長度,護壁一次,待水泥漿形成一定強度后掃孔繼續鉆進,如此反復直至穿過復雜地層,恢復常規鉆進至設計深度。

3.3 預應力錨索制作

錨索原材料鋼絞線應符合《預應力混凝土用鋼絞線》（GB/T 5224-2014）標準有關性能指標的要求。鋼絞線強度利用系數≤75%,1000 kN錨索共設有7 束鋼絞線,每束由7 根Ф5 mm鋼絞線組成。

錨索下料長度按下式確定：

式中：L為預應力錨索長度,m；L1為內錨固段長度,m；L2為張拉段長度,m；L3為外錨固段長度,m。

為簡便起見,在實際施工中應按孔深再加長1.8 m為下料長度,以能夠滿足該工程設計及所用設備的要求,鋼絞線下料用砂輪切割機切割,嚴禁采用氧氣和電焊切割。

全部錨索下料編索須在加工棚內完成,按設計好的長度下料,之后平順放在棚內高0.5 m,寬1.5 m的臺架上,對鋼絞線逐一檢查是否損傷,并剝離鋼絞線的HDPE外皮,散開鋼絞線錨固段,將鋼絞線上的油脂進行專業清除,之后按原狀編好鋼絞線。沿索體軸線方向,在錨固段每隔100 cm設置一個隔離架,為更好地固定鋼絞線,在兩個隔離架中間用一道16 號鐵絲進行緊箍[1],最后用Φ0.8 mm鉛絲綁扎牢固。隔離架與鋼絞線接觸部位邊角毛刺須認真修整平滑,經過隔離架的每根鋼絞線均需用無鋅鉛絲與隔離架綁扎在一起,以防止穿索時隔離架損傷鋼絞線。在鋼絞線編索時一并在索體上綁附注漿管、回漿管,管口應加以區別,避免混淆。綁扎用Φ0.8 mm鉛絲即可,最后裝上導向帽[2]。

按照設計圖紙預應力錨索導向帽為塑料材質,回漿管伸出導向帽約10 cm,由于地下廠房頂拱錨索孔較深,錨索穿越巖層為夾層、裂隙發育,在穿索過程中塑料材質導向帽容易被破壞,回漿管也容易被破壞、堵塞。實際施工中采用加長10 cm的鋼制導向帽,回漿管伸至導向帽端頭,超出鋼絞線端頭10 cm,在導向帽端頭四周開孔,從而保護回漿管在穿索過程中不被破壞,也可以保證注漿后鋼絞線及導向帽被水泥漿包裹。

3.4 預應力錨索安裝

錨索運輸至安裝工作面采取人工運輸,曲率半徑不宜小于3m,防止運輸過程中造成對錨索結構的損壞[3]。中導洞開挖斷面尺寸不大,錨索工程量較小,卷揚機及錨索入索機布置及搬運受限,較之采用機械提升加之人工輔助入孔的方式更為高效。錨索入孔時應控制保持順暢,均勻向孔內推進,不可旋轉錨索,保護索體不受損壞。在錨索孔孔口部位設置兩根C25,L=2 m的吊裝錨桿,外露50 cm,并在錨桿端部焊接吊鉤,手動葫蘆掛設于錨桿上,采用手動葫蘆進行固定錨索。錨索安裝好后,及時對錨索進行固定、封孔,手動葫蘆待錨索后期灌漿完成達到齡期后再進行拆除,及時對外露索體進行保護。

3.5 錨索注漿

按照設計要求廠房頂拱中導洞錨索施工完成才能進行廠房頂拱兩側擴挖,錨索注漿完成后,錨固段需達到設計強度才能進行張拉施工,中途等待張拉時間較長,實際優化為采用M50 水泥漿,錨索注漿采用M50 水泥漿全孔一次注漿,從而可以提前達到設計強度,盡早滿足設計張拉要求,縮短錨索時間,為后續廠房開挖節省工期。根據孔壁圍巖情況,通過試驗注漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa,水灰比約為0.38～0.45,并加適量微膨脹劑和早強劑,水泥漿膠結材料的強度等級同時應滿足施工圖紙的要求。錨固段漿液結石強度指標滿足：R7d≥30 MPa, t≥3 min。灌注時采用高壓注漿泵灌注,阻塞器封閉灌注,漿液從注漿管向內灌入,回漿管回漿。排氣管開始回濃漿后,灌入的漿液濃度與回漿漿液濃度相同,采用0.3 MPa壓力屏漿,屏漿20 min～30 min即可停止注漿。錨索灌漿時在錨墊板表面表面臨時放置一個隔離架,以保證孔口附近鋼絞線定位,待錨索張拉前取消。

在錨索注漿過程中偶然會出現串漿,需采取間隙灌漿和反復屏漿的方法,同時對串漿量大的部位采用麻絲、快硬水泥砂漿、堵漏劑等進行封堵,對于串漿量小的部位采用快硬水泥砂漿進行封堵,并實時觀測回漿管內排出的漿液比重與灌入漿液比重差異,如果比重相同,按結束標準進行屏壓停止灌漿。

3.6 預應力錨索張拉

錨索張拉主要是控制張拉力,輔以伸長值進行校核。當錨索實測伸長值與理論伸長值允許一定偏差,但是超過10%或小于-5%時,應當停止張拉工作,并且分析原因并進行調整后,才可繼續進行張拉。張拉過程中,應當認真記錄相關數據,主要包括油壓表讀數、伸長值等。

通過編號MS4 號錨索張拉成果（見表1）形成的張拉實際伸長值與張拉力的坐標圖（見圖3）中可以看出,實際錨索張拉線位于設計規定的110%與95%之間,更貼近于110%的曲線,張拉成果完全符合設計要求。

表1 MS4號錨索張拉成果

圖3 MS4錨索張拉曲線

根據表1 和圖3 的MS4錨索張拉曲線,綜合進行封錨處理。錨索張拉、鎖定并經監理人驗收合格后,露出的鋼絞線用金剛砂輪切斷,切口位置至外錨具的距離不應小于5 cm。外錨頭加裝鋼帽,鋼帽內注滿M20 水泥砂漿。

4 錨固力觀測成果

預應力錨索測力計用來監測錨索預應力損失和預應力效果,錨固力測值是錨索預應力損失和預應力效果的綜合反映,從廠房頂拱布置的錨索測力計測試結果看,后期錨索測值穩定,施工4個月后基本再無變化量,測力計荷載過程曲線見圖4,由此表明廠房頂拱預應力錨索施工工藝可靠。

圖4 頂拱預應力錨索測力計荷載過程曲線

5 結語

小浪底引黃工程地下廠房中導洞頂拱預應力錨索施工是廠房頂拱支護的重要工序,加上中導洞空間狹窄,圍巖條件較差,且預應力錨索為豎直向上,工期緊,施工難度大。施工過程中綜合工期及地質條件影響,對錨索導向帽、灌漿漿液配合比等方面進行優化,以及鉆孔、灌漿存在的問題采取的有效措施,均有力保證了小浪底引黃工程地下泵站廠房中導洞頂拱預應力錨索施工進度和質量,同時也給同類型施工條件下的工程提供一定借鑒經驗。