弱風化強卸荷巖體1 000 kN級無黏結預應力錨索造孔與灌漿技術研究

曾 鐵 鋼

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴塘水電站位于四川省和西藏自治區的界河金沙江上游河段，右岸為西藏昌都地區芒康縣，左岸為四川甘孜藏族自治州巴塘縣。巴塘水電站為金沙江上游河段十三級開發中的第九級水電站，上游為拉哇電站，下游為蘇洼龍電站。該工程以發電為主，為Ⅱ等大(2)型工程。正常蓄水位高程為2 545 m，總庫容1.41億m3，裝機容量750 MW，多年平均發電量為33.75億kW·h，裝機年利用小時4 500 h。

電站左岸出口邊坡(高程2 669～2 500 m)高差為169 m，按平均15 m一級邊坡考慮，共分為11級邊坡。本次全段注漿技術研究試驗區域主要集中在五、六級邊坡，坡比為1∶0.8，邊坡按開挖體型分區為A區、B區和C區，坡面支護形式為錨噴+錨索+錨筋樁+錨桿+網格梁，其中A區布置兩排錨索(第一排為45 m長錨索、第二排為35 m長錨索)，B區布置一排錨索(第一排為35 m長錨索)，C區布置一排錨索(第二排為35 m長錨索)，間排距為4 m×4 m，45 m和35 m錨索錨固段長均為7 m，剩余段為自由段。

邊坡揭露的地質情況顯示整個山體巖石多為黑云母石英片巖，呈弱風化、強卸荷，巖體裂隙發育，錨固段處巖體亦為破碎巖體，錨索吃漿量大。因此，如何改善錨索孔身段裂隙的數量及大小，分析判定巖體破碎程度以及控制巖體吃漿量已成為巴塘水電站1 000 kN級無黏結預應力錨索全段灌漿需要解決的首要技術難題。筆者介紹了為解決該技術難題進行的技術研究。

2 錨索造孔與灌漿施工

2.1 施工工藝

本次技術研究通過三種試驗方案，采用不小于120 mm的孔徑，灌漿設備采用3SNS型高壓灌漿泵和7.5 kW砂漿泵，灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，灌漿結束壓力為0.5 MPa，閉漿30 min，灌漿方式采用先錨固段、后自由段、一次灌漿法進行。全段灌漿過程中，嚴格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》DL/T5148-2012要求進行施工。具體方案為：

(1)試驗方案1：1#(45 m)、2#(35 m)錨索開孔即跟管[1]，跟管至設計孔深，錨固段預注漿、掃孔，下索、止漿包先注漿、再錨固段注漿；

(2)試驗方案2：3#(45 m)、4#(45 m)錨索開孔即跟管，跟管至距設計孔深10～20 m，剩余10～12 m孔段采用固壁掃孔施工工藝造孔，成孔后對錨固段進行預注漿、掃孔，下索、止漿包先注漿、再錨固段注漿；

(3)試驗方案3：5#(45 m)、6#(35 m)、7#(35 m)、8#(35 m)錨索開孔即固壁灌漿[2]，固壁、掃孔循環至孔底，錨固段預注漿、掃孔，下索、止漿包先注漿、再錨固段注漿。

2.2 試驗用漿液

試驗所用漿液主要有固壁M30砂漿、預注M35凈漿、預注M30砂漿、錨固段M35凈漿、張拉段M30砂漿等。

2.3 鉆 孔

2.3.1 全孔跟管造孔，錨固段封孔預注漿試驗

(1)1#(45 m)錨索：1#錨索采用YXZ-70型錨固鉆機、146 mm×7 mm套管(二次回爐)、同心鉆具進行跟管造孔，跟管至42 m處時管靴斷裂，42～45 m孔段由同心鉆頭裸鉆完成，鉆頭將擴孔套帶入孔底，再對孔底錨固段進行一次固壁掃孔后將套管拔出，孔內套管管底距孔底10.5 m，對孔內進行攝像，發現在距離孔底約6 m處的孔壁已出現坍塌，錨固段孔壁裂隙極其發育，巖石呈塊體，顏色為青色(圖1)。

圖1 鉆孔孔內攝像圖

(2)2#(35 m)錨索：2#(35 m)錨索采用φ146×7 mm套管和同心鉆具全孔跟管造孔至設計深度35 m。造孔完成后拔出套管，套管管底距孔底10.5 m，對孔內進行攝像，孔壁巖體呈青色，錨固段整體成孔質量良好，局部受裂隙切割影響呈塊體，拔管后未出現孔內坍塌(圖2)。

圖2 鉆孔孔內攝像圖

2.3.2 張拉段跟管造孔、錨固段固壁造孔與錨固段預注漿試驗

對3#(45 m)、4#(45 m)錨索進行了張拉段跟管造孔、錨固段固壁造孔。對于這兩個孔均采用哈邁HM-90A型履帶鉆車配φ146×7 mm套管和偏心鉆具跟管造孔，采用120直釬鉆頭固壁掃孔工藝造孔。

2.3.3 全孔固壁造孔試驗

對5#(45 m)、6#(35 m)、7#(35 m)、8#(35 m)均進行了全孔固壁造孔，采用YXZ-70型錨固鉆機配130直釬鉆頭鉆孔。5#(45 m)、6#(35 m)兩孔均因已固壁過的孔段再次出現塌孔而停止，其中5#孔在掃孔時因塌孔將鉆桿卡死而導致鉆桿、沖擊器和鉆頭全部無法取出成為廢孔。

2.4 預注漿

2.4.1 全孔跟管錨索

(1)1#(45 m)錨索：采用在孔內套管端頭設置止漿塞的方式，當止漿塞連接好所有管路后將止漿塞放在孔口試壓并檢查管路，待其無誤后放入孔內套管端頭位置并通過水泵加壓，使止漿塞的橡膠套慢慢膨脹，待壓力大于灌漿壓力0.5 MPa的2/3(0.3 MPa)后開始預注漿。

根據試驗要求，將止漿塞設置于距離孔底10.5 m處的套管管底且將止漿塞置于套管內，進行封孔預注漿。

先灌注M35的水泥凈漿1 100 L，耗用水泥1 550 kg，此時尚未起壓，改注5%速凝劑的M30濃水泥砂漿(砂灰比1.05，水灰比0.4)，在灌漿壓力達到0.5 MPa、穩壓30 min后結束注漿，砂漿灌注1 240 L，耗用水泥1 084 kg。

預注漿完成后，拔出止漿塞完成掃孔[3]，孔內攝像情況見圖3。

(2)2#(35 m)錨索：考慮到32#孔的止漿塞在灌漿后難以拔出，故在34#孔的止漿塞上增焊了2個卡環，下止漿塞時同時穿入2根φ6 鋼絲繩以便于注漿結束后通過手動葫蘆拉拔鋼絲繩將注漿塞拔出。

圖3 鉆孔孔內攝像圖

預注漿首先灌注M35濃凈漿(水灰比為0.37)710 L，耗用水泥1 000 kg后未起壓，改注M30濃砂漿(砂灰比為1.05，水灰比為0.4)；在灌漿壓力達到0.4 MPa后穩壓30 min結束灌漿，砂漿灌注1 140 L，耗用水泥1 000 kg。

預注漿且掃孔完成后，對錨索孔進行了孔內攝像(圖4)，從內往外進行了拍照得知成孔質量良好，完成下索，錨索索體結構同1#錨索孔。

2.4.2 張拉段跟管錨索

5#孔跟管鉆進至34.5 m，34.5～45 m孔段采用固壁掃孔工藝造孔，固壁掃孔循環2次，M30砂漿固壁耗用水泥1 500 kg；6#孔跟管鉆進至34.5 m，34.5～45 m孔段采用固壁掃孔工藝造孔，固壁掃孔循環2次，M30砂漿固壁耗用水泥1 000 kg。固壁完成后，下止漿塞對5#、6#孔34.5～45 m孔段進行預注漿，預注漿完成后進行掃孔。

圖4 鉆孔孔內攝像圖

2.5 灌 漿

2.5.1 全孔跟管錨索

(1)1#(45 m)錨索：錨固段注漿先灌注止漿袋，在止漿袋起壓達到0.5 MPa以上后，采用M35濃水泥凈漿灌注錨固段、M30濃砂漿灌注張拉段。

實際記錄的錨固段孔口注漿壓力為0.4～0.6 MPa，在錨固段回漿管回濃漿注漿壓力達到0.6 MPa、穩壓30 min后孔內未再吸漿，結束錨固段灌漿。

通過張拉段進漿管灌注M30水泥砂漿，待孔口返漿、灌漿壓力為0.3 MPa、穩壓30 min，孔內不再吸漿后結束灌漿。

(2)2#(35 m)錨索：對于錨固段注漿，先灌注止漿袋，然后采用M35水泥凈漿灌注錨固段，實際記錄孔口注漿壓力為0.3～0.5 MPa，待錨固段回漿管回濃漿且注漿壓力達到0.5 MPa后閉漿30 min結束錨固段灌漿。錨固段灌漿完成后，通過張拉段進漿管灌注M30水泥砂漿，在壓力達到0.5 MPa、孔口返漿、穩壓30 min后結束灌漿。

2.5.2 張拉段跟管錨索

先采用M35水泥凈漿灌注錨固段，實際記錄孔口注漿壓力為0.3～0.5 MPa，待錨固段回漿管回濃漿且注漿壓力達到0.5 MPa后閉漿30 min結束錨固段灌漿。錨固段灌漿完成后，通過張拉段進漿管灌注M30水泥砂漿，在壓力達到0.5 MPa、孔口返漿、穩壓30 min后結束灌漿。

3 錨索造孔與灌漿試驗分析

3.1 預注漿施工工藝分析

本次試驗均對孔底約10 m孔深下止漿塞進行預注漿[4]，預注漿采用先灌注約1 000 L的M35凈漿，再灌注加入5%速凝劑的M30砂漿(砂灰比1.05∶1)，通過孔內攝像發現錨固段內的裂隙被預注漿漿液填充，錨索下索后的灌漿結束標準均達到設計標準，從而保證了錨固段的灌漿質量。試驗方案1和試驗方案2已完成張拉，鎖定力均達到設計要求。

3.2 各試驗方案造孔工藝分析對比

3.2.1 造孔時間(工效)比對

從已完成預注漿的各試驗孔看，同為長度L=35 m的錨索，試驗方案3的施工時間最長，已完成的8#(35 m)達到了6.5 d，試驗方案1的2#(35 m)僅為2.1 d，試驗方案1的施工時間最短，施工工效高。

同為長度L=45 m的錨索，試驗方案1的1#(45 m)施工時間為3.8 d，試驗方案2的3# (45 m)施工時間為3.3 d，4# (45 m)的施工時間為3.2 d。試驗方案2略優。

經綜合比對后得知：試驗方案3的施工功效最低，施工時間長，試驗方案1較試驗方案2的施工時間短，但相差不大。

3.2.2 造孔風險比對

試驗方案3采用全孔固壁的方法，若出現固壁未達到預期效果時存在已固壁孔段出現塌孔的情況，如5#(45 m)鉆桿被卡死，鉆桿和鉆具均無法取出。

試驗方案1采用同心鉆具全孔跟管鉆孔的方法，在套管出現斷裂無法跟進時，由于孔內管底配套有擴孔套，而擴孔套內徑僅有115 mm，無法采用φ120直釬鉆頭繼續往前裸鉆，且擴孔套無法取出孔外將產生廢孔。前期4級邊坡A區下游錨索造孔時出現了大量此種情況產生的廢孔。

試驗方案2采用張拉段偏心鉆具跟管造孔的方法，錨固段φ120直釬鉆具固壁造孔的方法，鉆孔均完全成孔。

三種試驗方案比對結果表明：試驗方案1和試驗方案2均存在無法成孔和產生廢孔的風險，而試驗方案2產生廢孔的概率最低，因此試驗方案2最優。

3.2.3 造孔經濟分析比對

各試驗方案施工成本統計情況見表1。

從表1中可以看出：各個試驗孔的錨固段地質情況不同，預注漿的漿液量存在較大差異，因此，經濟分析比對只考慮預注漿前的施工工序。根據單價分析，各試驗孔的施工工序成本見表2，各試驗孔預注漿前的造孔成本見表3。跟管拔管和跟管未拔管單價以合同價考慮，未按實際成本分析單價。

根據表3的統計結果，試驗方案3造孔成本最高。對于長度為45 m的錨索，試驗方案1和試驗方案2的造孔成本相差不大。造孔施工方法應在試驗方案1和試驗方案2中進行選擇。

表1 各試驗孔工作內容統計表

表2 各試驗孔施工工序成本統計表

表3 各試驗孔預注漿前的施工成本統計表

3.3 造孔設備優缺點分析

通過試驗方案2，驗證了履帶鉆車配偏心鉆頭跟管鉆孔工藝可行，其工效高于常規的錨固鉆孔設備，可減少挪移鉆機的時間。但其缺點在于鉆機成本過高，且開挖邊坡時需為其預留每層的作業平臺，對邊坡開挖的干擾較大。不宜大規模進行施工，應根據現場實際情況合理安排施工。

4 錨索造孔與灌漿

4.1 造孔工藝

根據本次錨索的試驗過程分析和3種造孔方案的比對得知：采用“跟管加固壁”的造孔工藝是現有地質條件下的最佳施工工藝，后續施工應按此法進行施工。

4.2 預注漿措施

本次試驗錨索成孔后，下索前對孔底10～12 m下止漿塞進行了預注漿，索體編制時在錨固段與張拉段之間增設了止漿袋，下索后錨固段灌漿達到了設計灌漿標準，所張拉的4束錨索均滿足設計要求。筆者建議：后續錨索施工均按此措施進行。

4.3 造孔設備

本次對履帶鉆車鉆孔進行了試驗，驗證了其跟管鉆錨索孔的可行性，其優點在于減少了排架搭設和拆除的施工工序，但因其施工成本高、對開挖影響較大，后續施工中應根據施工進度計劃合理安排施工，以加快邊坡的施工進度。

4.4 混凝土、漿液材料及配合比

本次試驗1# (45 m)、2# (35 m)、3# (35 m)、4# (35 m)錨索的錨墩混凝土和錨固段凈漿取樣的7 d強度均已達到設計抗壓強度，并按設計要求完成了張拉和鎖定。試驗所用的凈漿、砂漿、錨墩混凝土施工配合比均滿足設計要求[5]；同時滿足錨索7 d快速張拉的需求，通過錨索測力計的張拉跟蹤監測，試驗所用的張拉設備滿足質量要求。

4.5 其 他

從成孔后的孔內攝像圖像看，孔內顆粒殘渣較多，無法吹出，筆者建議：由規范要求的超鉆0.4 m改為超鉆1 m，以便將孔內殘渣吹入孔底1 m加深段。

采用最佳工藝固化后，按照本次試驗取得的數據、結合設計技術要求和控制節點工期，安排邊坡施工進度和施工設備。

5 結 語

該電站通過弱風化強卸荷巖體1 000 kN級無黏結預應力錨索造孔與灌漿技術的研究，造孔灌漿施工經過施工前科學組織、精心施工及造孔灌漿控制措施得當，根據邊坡巖體的特殊性，通過使用不同的造孔設備、造孔方法、灌漿工藝，篩選出最優的造孔灌漿施工技術，形成了經濟可行的鉆孔方法、孔內電視攝像、鉆孔長度、灌漿水灰比、灌漿壓力、過程觀測等控制措施，保證了造孔及灌漿質量，所實施的具體控制措施為：

(1)所形成的錨索造孔工藝為：跟管加固壁或預注漿的施工工藝，具體施工方法如下：

跟管造孔，張拉段采用φ146套管配合偏心鉆具跟管鉆孔至距離孔底10～12 m，鉆孔設備為YXZ-70型錨固鉆機和履帶鉆車；距離孔底10～12 m范圍孔段采用φ120直釬鉆頭鉆孔(簡稱裸鉆)固壁。為保證固壁效果，固壁前，均在套管底部下止漿塞止漿，以孔口注漿壓力達到0.3 MPa以上、孔內不再吸漿為結束標準。

固壁漿液采用加5%速凝劑的M30砂漿。為避免漿液滲透對拔管產生不利影響，在每次固壁后，及時采用液壓拔管機松動套管；跟管造孔無法鉆進至距離孔底10～12 m時，后續孔段均采用固壁造孔工藝鉆孔以確保成孔；跟管結束后的后續孔段，若采用裸鉆可直接鉆進至設計深度時無需再進行固壁，孔內攝像后進入預注漿工序施工以加快錨索施工進度；在固壁漿液待凝過程中，均采用鉆桿向孔內送入高壓風以加速漿液凝結，控制注漿結束8 min后即可掃孔。

(2)經孔內攝像判定錨固段裂隙發育時，下索前應對錨固段進行預注漿；經孔內攝像判定錨固段成孔質量好、錨固段巖體完整(或裂隙已全部被固壁漿液填充)時，可不進行預注漿；采用加入5%速凝劑的M30砂漿作為預注漿漿液，砂灰比為1.05∶1。

(3)為使錨固段的注漿結束標準達到設計標準，在錨固段與張拉段交接處增設了80 cm長的止漿袋，錨固段和張拉段分開灌注凈漿和砂漿以確保錨固段的注漿質量滿足設計要求。