高寒地區低溫條件下錨噴支護施工技術

潘新波，岳 偉

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

黑河黃藏寺水利樞紐工程位于甘肅、青海祁連山腹地，壩址位于黑河峽谷進口下游約1 km處，壩址區河谷狹窄，呈“V”型谷。右岸岸坡坡度一般為45°～60°，岸坡陡峭，坡度一般為60°～80°，兩壩肩地形略顯不對稱。風化層水平埋深45 m～50 m，邊坡左岸高257 m，右岸邊坡高256 m，土方開挖總量約176萬m3。邊坡開挖數量高達14級，每級邊坡開挖高度20 m～15m不等，邊坡支護形式采用錨桿+鋼筋網+噴混凝土和錨索框格梁施工等多種形式組合，錨桿支護總量約19500多根，噴錨面積約16萬m2。

2 錨噴支護的思路

2.1 砂漿錨桿工藝原理

受本工程地處高寒地區(年平均氣溫0.7℃，年最低氣溫-31.1℃)，壩區低溫時段長，每年的9月～次年5月為冰凍期，冰凍時間較長。根據《水利水電工程噴錨施工技術規范》(SL 377-2007)[1]，《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》[2]，在嚴寒地區或冬季錨噴施工氣溫不得低于±5℃。本項目開挖施工要經歷二個冰凍期，由于邊坡地質條件較差、風化層厚度較厚，多為強卸荷體和不利組合面，邊坡開挖需采用和支護同步進行的原則，才能保證邊坡開挖的穩定[3-5]。為保證施工質量和施工工期，確保砂漿錨桿和邊坡噴錨能在低溫條件下(-15℃～0℃)能夠正常施工，并符合設計、監理驗收的需要。采用多種方法進行低溫條件下砂漿錨桿和噴錨施工的試驗及探索，通過常規試驗外部保溫、溫水拌和等措施，達不到低溫條件施工的需要，通過試驗在水泥漿液中摻加高效防凍劑，從而使注入錨桿孔內的砂漿產生正常的水化反應，在噴錨邊坡中進行噴錨時首先選擇適宜的溫度施工，在噴射混凝土中加入適宜的防凍劑[6]，最后再對已完成的噴錨面上及時進行保溫覆蓋來進行邊坡錨噴支護施工，從而達到正常施工的效果。

2.2 砂漿抗凍性能試驗

根據混凝土防凍劑的特性和工作原理，能有效降低砂漿的冰點，大大提高砂漿在低溫下的抗凍性能，對水泥砂漿進行如下試驗[7]。

1)監理已批復的砂漿錨桿配合比，見表1。

表1 M25F200砂漿設計配合比

2)根據現場所采購的防凍劑性能指標和試驗時段外界的溫度情況，在注漿砂漿摻加防凍劑的用量，見表2。

表2 防凍劑摻量表

3)現場砂漿試驗。測試時間：2017年3月17日下午17：30；室外溫度：白天最高溫度0℃，夜間最低溫度：-5℃；防凍摻量：按照-5℃防凍劑摻量3%。砂漿試拌地點：項目部試驗室拌制，試塊制作3組。

4)現場養護狀況：同條件下現場養護。

5)摻加防凍劑后砂漿強度報告。

2.3 抗凍試驗結果

現場選取2組砂漿試塊進行同條件養護，并在7天和28天將試塊送至第三方試驗室進行試塊強度檢測，檢查結果見表3和表4。

表3 7天砂漿抗凍試驗檢測報告

表4 28天砂漿抗凍試驗檢測報告

由表3、表4可知，7天實測抗壓強度24 MPa，達到設計強度的96%。28天實測抗壓強度28 MPa，達到設計強度的112%。現場摻加防凍劑用于錨桿注漿的水泥砂漿，經過28天同條件下的齡期檢驗，砂漿強度指標達到設計要求，經監理同意現在進行砂漿錨桿及噴錨支護施工。

3 噴錨支護施工過程

根據前期的砂漿防凍性能試驗結果，摻加防凍劑后砂漿強度質量達到設計和施工要求，項目部根據現場施工條件在2017年3月下旬開始進行低溫條件下邊坡噴錨支護施工[8-10]。

3.1砂漿錨桿施工

施工中錨桿鉆孔采用液壓鉆機進行錨桿孔和排水孔的造孔任務，利用鉆機前置吸塵器將孔內巖粉進行吸出，錨桿安裝前再用高壓風將孔內殘留的粉末清除干凈，錨桿孔及排水孔清理驗收完畢后進行錨桿安裝施工。

錨桿施工前用溫度計測量現場及錨桿孔內的溫度，現場將拌和砂漿所用的水升溫至35℃～45℃之間，利用現有的使用平臺將錨桿注漿機和拌制砂漿的平臺放置在避風棚內，注漿管外用橡塑海綿進行抱箍，拌制砂漿時根據室外溫度和水泥用比例摻假高效防凍，水泥砂漿拌制完成后開啟注漿機向錨桿孔內進行水泥砂漿的注入；錨桿孔內砂漿注滿后接著進行下一個錨桿孔注入施工，同時已注滿完成的錨桿孔外采用高一標號的防凍砂漿進行封孔，并將外露的錨桿頭用橡塑海綿進行抱箍并用鉛絲進行固定。

采用的砂漿錨桿為先插錨桿后注漿施工的方式，見圖1。

圖1 錨桿注漿施工工藝圖

施工前先用溫度計對現場溫度進行測量，確定好室外溫度后再根據防凍劑的參數，高效防凍劑摻量：當天室外溫度-2.6℃，確定防凍劑摻量水泥量的3%。

3.2 噴錨施工

要保證噴錨料在低溫條件能夠正常使用，噴錨料中最有效的施工方法就是對骨料提前進行保溫措施，為確保噴錨所需的砂子和小石能夠正常使用，對骨料進行保溫處理，對封閉的骨料倉采用蒸汽加熱的方式，使得骨料內部溫度達到10℃～15℃，同時在噴錨槍頭前將所需的噴錨用水加熱到30℃～40℃，并根據施工時所測定的現場溫度摻加相應的防凍劑用量。噴錨所用的噴混凝土設計配合比見表5。

表5 C25噴錨配合比

防凍劑摻量根據施工時的溫度和水泥量為準，用量參考表2。

邊坡錨桿安裝完成后邊坡進行鋼筋網的鋪設，為提高現場施工效率確保鋼筋網片之間連接點綁扎質量，提前將施工所用的鋼筋網片按照設計圖紙加工成4.0 m×4.0 m的鋼筋網片運至已開挖坡面進行現場安裝，施工工藝簡單掛網效率極快，不受溫度條件的限制。網片安裝完成驗收后，現場進行噴錨作業施工，錨噴作業施工受溫度影響極大，由于低溫天氣的原因噴錨施工選擇在11：00～16：30之間進行施工，并要求已噴錨面的覆蓋時間不晚于17：30。

噴錨施工前先檢查拌制噴錨料的骨料預熱溫度情況和現場噴錨用水的加熱情況，當這兩項指標符合后現場準備進行噴錨作業施工(圖2)。首先將已驗收合格的網片坡面用高壓風對巖面進行清掃并在鋼筋網片做好噴錨厚度的鋼筋頭厚度檢查點，外界溫度測定好后，現場再拌制噴錨料時將速凝劑和防凍劑同時加入噴錨料中，進行噴錨作業，由于外界溫度降低已完成的噴錨面施工完成后立即采用塑料薄膜進行覆蓋，根據現場條件一般噴錨面積達到10 m2～15 m2時，需對已完成的噴錨面進行永久保溫覆蓋，故在已噴錨面外側再鋪設2～3層2.5 cm厚度橡塑海綿進行保溫防護。

圖2 掛網、噴錨施工工藝圖

3.3 噴錨支護施工質量檢測過程及結果

受工程區域施工氣候條件因素的影響，3月下旬至4月下旬大壩邊坡開挖錨噴支護防凍保溫施工的齡期已達到，根據《水利水電工程施工質量檢測與評定規程》需對現場施工的錨桿及噴混凝土進行檢查。

3.3.1 砂漿錨桿拉拔力檢測

砂漿錨桿長度6 m，錨桿直徑Ф=25 mm，錨固深度5.9 m，外露長度0.1 m，檢測結果見表6。砂漿錨桿長度4.5 m，錨桿直徑Ф=25 mm，錨固深度4.4 m，外露長度0.1 m，檢測結果見表7，砂漿錨桿長度3.5 m，錨桿直徑Ф=22 mm，錨固深度2.9 m，外露長度0.1 m，檢測結果見表8。

表6 砂漿錨桿抗拉強度檢測表(Ф25，L=6.0m)

表7 砂漿錨桿抗拉強度檢測表(Ф25，L=4.5 m)

表8 砂漿錨桿抗拉強度檢測表(Ф22，L=3.0 m)

3.3.2 砂漿試塊強度檢測

施工中通過對右岸邊坡EL2740～EL2710砂漿錨桿28天試塊，砂漿防凍試塊強度的檢測見表9。由表9可知，28天實測抗壓強度27.1 MPa，達到設計強度的108%。

表9 砂漿試塊抗拉強度檢測表

3.3.3 噴混凝土強度檢測

邊坡噴混凝土施工中摻加防凍劑和采取了表層保溫后28天，同條件狀態下右岸邊坡EL2740～EL2710，同條件狀態下，噴錨大板抗壓強度檢測，見表10。

表10 噴錨大板抗拉強度檢測表

28天實測抗壓強度31.7 MPa，達到設計強度的106%。

4 主要施工技術總結

本項目處于高寒高海拔地區，常規的錨桿施工在11月底～4月中旬，因受溫度影響而暫停施工，由于在低溫條件項目錨噴支護采用防凍保溫施工措施，低溫月份施工并未受阻，采用砂漿防凍和錨噴保溫防護措施后，在氣溫達到最低-15℃時，還可進行錨桿注漿施工，通過對表11中溫度變化情況分析，當氣溫達到-15℃時施工時段可以延長到2～3個月，節省了施工工期。

表11 錨噴支護受溫度影響支護施工時段

通過表12進行分析，根據錨桿鉆孔的孔徑和配合比進行測算，摻加防凍的砂漿錨桿，每米錨桿所增加的原材料成本為0.35元，冬季計劃施工期錨桿施工總數達到4500根，折合27000延米，每延米消耗防凍劑成本0.35元，共計增加防凍劑材料成本9450元。如冬季不進行支護施工，在來年的4月份以后進行支護，所增加的間接成本達到每月2.65萬元。

表12 常規支護和防凍保溫支護原材料消耗成本測算分析

5 結語

在施工過程中項目部工程技術人員，根據工程實際情況，克服項目施工中存在的難題，通過大量的工程試驗，最終在監理和業主方的認可下，在低溫條件下進行錨噴支護施工，由于在開挖期間及時進行支護施工，避免了開挖施工中的塌方等現象的產生，降低了安全風險，同時將不利與施工的冬季間歇期轉化成了有利施工的有效條件，增加了工程進度，并在項目實施過程中施工進展和經濟效應達到雙贏的效果。