白鶴灘水電站巖壁梁錨桿角度控制技術研究

王戰新 曹官軍

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都610213)

1 概述

地下廠房巖壁梁作為水電站機組吊裝及檢修的主要承載受力建筑結構，主要利用巖壁梁錨桿將鋼筋混凝土錨固在地下廠房巖體上，將所受荷載與摩擦力通過錨桿均勻地傳遞至巖壁梁巖體上[1]。據推算白鶴灘電站主廠房巖壁梁最大起吊重量約2400t，因此，巖壁梁均衡承載即要求錨桿施工角度必須精準控制，且巖壁梁錨桿、混凝土配筋及各類埋件等交叉密集布置，任何工序施工偏差過大均會影響下道工序施工難度，作為第一道工序的錨桿角度控制尤為重要。傳統的巖壁梁錨桿角度控制工藝以結果檢查為主，且受檢查人員操作熟練程度、檢測儀器精度等因素影響很大，不能精準反映錨桿造孔角度的控制質量。為保證巖壁梁錨桿角度過程質量控制，迫切需要引進一套技術可行、性能可靠、動態可測的檢測控制方法。筆者依托白鶴灘水電站左岸地下廠房巖壁梁錨桿施工開展了錨桿角度控制技術研究。

白鶴灘水電站位于川滇交界金沙江上游，左右岸各設計安裝8臺1000MW水輪機組，總裝機16000MW。白鶴灘水電站地下廠房開挖尺寸為（長×寬×高）453×34×88.7 m，巖壁梁位于地下廠房第III層，巖臺高3.60 m，長405.60 m，巖壁梁體范圍內布置了2排受拉錨桿、1排受壓錨桿及2排系統普通砂漿錨桿。2排受拉錨桿施工參數：40（IV級鋼），L=12m，間距70cm，入巖9.2 m，上下排錨桿上仰角度分別為25°和20°，梅花形布置；受壓錨桿施工參數：32（III級鋼），L=9.0 m，間距70cm，入巖7.5 m，下傾角度36.53 °；2排系統普通砂漿錨桿，其參數為：32（III級鋼），L=9.0 m，間距140cm，入巖8.0 m，上仰角度10°，見圖1。

圖1 巖壁梁錨桿參數與混凝土配筋位置關系

2 技術背景

水電站巖壁梁承載是通過鋼筋混凝土、錨桿傳遞至圍巖體上，以達到共同承載作用。按設計錨桿參數施工是確保巖壁梁均衡承載荷載與質量檢查驗收的保證。同時，巖壁梁混凝土配筋密集、復雜，如在錨桿造孔施工過程放松角度控制，那么在對下步混凝土鋼筋與埋件施工將埋下巨大隱患。換言之，提前嚴謹籌劃錨桿造孔角度偏差控制，對巖壁梁均衡受力及混凝土鋼筋與埋件安裝的順利實施皆具重大意義。

從圖1巖壁梁錨桿與混凝土配筋位置關系分析得出：

（1）巖壁梁混凝土水平箍筋布置形式是影響受拉錨桿、普通系統錨桿橫向角度主要因素。巖壁梁混凝土水平箍筋間距15cm交錯布置，即受拉錨桿、普通系統錨桿外露端頭左右偏差≤5cm（已考慮鋼筋直徑，下同）。

（2）巖壁梁混凝土水平箍筋、斜底面環向主筋布置形式是影響受壓錨桿方位角度主要因素。巖壁梁混凝土水平箍筋間距15cm交錯布置，即受壓錨桿外露端頭左右偏差≤5cm；受巖壁梁斜底面縱橫鋼筋網及鋼筋保護層（凈保護層5cm）限制，即受壓錨桿外露端頭下傾偏差≤2.4 cm。

3 控制標準與動態控制原理

3.1 控制標準。為保證巖壁梁錨桿施工角度滿足規范與設計要求及混凝土鋼筋與埋件安裝設計要求，即錨桿造孔施工控制標準見表1。

表1 巖壁梁錨桿造孔施工控制標準

3.2 動態控制原理。以往工程錨桿造孔施工角度控制主要以結果檢測為主，主要采用線錘測量法、組合對比測量法、地質羅盤測量等，檢測效率低，且受檢測人員的熟練程度與檢測儀器精度影響較大。國外先進鉆機設備上雖配備了GPS定位定向系統，但在地下洞室往往GPS無信號、靜止條件下無法判別方位，無法使用。電子羅盤是通過重力和地磁導航定向技術[2]，能迅速準確地判讀方位，適用范圍不受限制。

錨桿造孔動態控制技術是通過在多臂鉆臺車操作臂上加裝高精度電子羅盤，操作臂造孔的姿態動態數據通過數據線傳送到駕駛室內讀數顯示屏[3]上，鉆機操作手根據顯示屏的實時方位與傾角數據調整操作臂擺臂姿態，以實現動態控制造孔角度目的。

4 造孔角度控制方法

4.1 電子羅盤裝置安裝。電子羅盤裝置由專用鋁合金支架、羅盤儀、數據線、顯示屏組成。首先將高精度電子羅盤和支架按產品安裝說明進行連接緊固，再將電子羅盤支架系統安裝在鉆機操作臂的側后方向50cm以外（防止導磁材料干擾），同時將顯示屏安裝在鉆機操作室不影響鉆機操作的位置上，然后通過數據線將電子羅盤與顯示屏連接，最后根據調校說明對電子羅盤進行角度調校。電子羅盤的測量精度為：方向角偏差小于0.2 °，俯仰角測量偏差小于0.1 °，電子羅盤防水防塵防震性良好，顯示器在陽光、燈光下可視性好。

4.2 造孔角度定向操作。巖壁梁錨桿角度受巖壁梁承載受力計算及其與混凝土鋼筋、埋件等位置關系影響，因此巖壁梁錨桿施工精度要求非常高，在造孔前應對每根錨桿孔位進行準確定位，要求開孔誤差不超過錨桿直徑，造孔角度誤差不超過1.5 °，在造孔過程中避免鉆桿錯動、偏移。

4.2.1 錨桿點位控制。其施工工藝為：①根據設計位置參數，繪制錨桿點位平面布置圖，準確定位每根錨桿點位。②使用全站儀逐孔放點，點位偏差10mm以內，采用反光油漆標記，便于鉆機對點施鉆；在放點過程如遇錨桿點位在巖石尖角等不利下鉆位置，采用榔頭等工具敲擊平整，再放點位。

4.2.2 造孔機具造孔主要工藝要點：①造孔前，首先要將鉆機平臺修整平整，確保鉆機平穩行駛與停放。②鉆機移動到指定位置后，通過電子羅盤顯示屏角度數據調節操作臂姿態，在鉆桿盡量接近預定姿態的情況下鉆頭對準開孔點位。③根據電子羅盤角度顯示，依次粗調方位角和傾角，使兩個角度基本達到設計值，此時再次復核鉆頭是否對準開孔點位，如未對準，重復本步操作，直到滿足設計角度要求。④根據電子羅盤顯示屏角度數據微調操作臂鉆桿角度，微調時先調方位角，達到預定角度后再調節傾角到設計角度，兩角度誤差在0.5 °范圍內。⑤再次復核開孔點位、方位角、傾角，如仍不符合設計要求，重復以上步驟調節，直到三者都達到設計要求，方可開鉆。⑥開鉆時，首先采用沖擊方式鉆進5～10cm后，保證機位不變，放下操作臂滑架支撐穩固，再次修正方位角與傾角，繼續鉆進。⑦初始鉆進速度應盡量緩慢控制，防止鉆機鉆桿跳轉。鉆進0.5 m后，停機復查鉆桿角度，如發生小角度偏移，則立即進行糾偏，然后繼續鉆進。⑧在鉆桿鉆進過程中，密切關注電子羅盤顯示屏數據變化，當角度數據達到預警角度時及時調整。

通過以上操作調整步驟，鉆機操作手很快就能找到調節技巧、熟練操作，造孔速度和精度就會得到顯著提高。

5 效果檢查

白鶴灘水電站左岸地下廠房巖壁梁錨桿通過電子羅盤角度控制技術，錨桿角度得以動態檢測與調整，錨桿方向、傾角均滿足規范及預設目標要求，得到了業主與監理單位的一致好評。巖壁梁錨桿造孔角度效果檢查見表2。

表2 巖壁梁錨桿造孔角度效果檢查

6 結論

通過電子羅盤技術的應用，巖壁梁錨桿角度在造孔全過程得以動態控制，錨桿孔位偏差在10mm以內，方位角、傾角偏差均控制在1°以內，錨桿造孔質量控制最大化的滿足了規范與設計要求，為巖壁梁均衡承載及后續鋼筋混凝土施工創造有利條件。

通過該技術的成功應用，解決了傳統方式采用測量放點、人工手風鉆造孔，施工人員作業環境差、效率低，且地質條件復雜安全事故頻發等問題。該技術也可以在有高精度造孔要求、高風險地質區域鉆爆作業中靈活運用，將大大降低鉆爆循環時間、有力控制超欠挖、降低安全作業風險。在工程機械設計上也可將相關的測量控制檢測手段與自動化控制系統相結合，使工程施工現場像工廠流水線一樣快速精準施工，真正實現設計目標的精細控制。