大型地下洞室錨索施工成套裝備與技術(shù)

齊界夷 ，江誼園

(1.中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國能建工程研究院水電施工設(shè)計研究所，湖北 宜昌 443002)

0 引言

預(yù)應(yīng)力錨索是大型地下洞室工程普遍采用的一種深層支護型式。對于大型地下洞室工程，尤其是地質(zhì)條件較差的地下洞室工程，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及工程后期運行安全，通常采取在邊墻和頂拱布置系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索實施深層加固。烏東德電站左岸地下廠房、主變洞和尾調(diào)室邊墻及頂拱布置1 500/2 000 kN級、深度為20～36 m的錨索總計超過1 500束。白鶴灘水電站右岸地下廠房及主變洞邊墻及頂拱布置500～3 000 kN級、深度為15～40 m的錨索約4 000束。

預(yù)應(yīng)力錨索施工工序較復(fù)雜，一般需與開挖分層對應(yīng)跟進施工，因此，直接制約開挖進程，對工程總體進度影響較大。傳統(tǒng)的施工技術(shù)機械化程度較低，無法滿足當前大型地下洞室工程錨索施工對工效、安全及質(zhì)量的要求，因此，有必要通過研發(fā)新裝備、新技術(shù)，滿足大型地下洞室工程錨索施工的實際需要，提升我國水電工程錨索施工技術(shù)水平。

1 施工難點

傳統(tǒng)錨索施工技術(shù)機械化、自動化程度都較低，設(shè)備性能較差，無法適應(yīng)大型地下洞室工程大梯段開挖支護、安全、高效和優(yōu)質(zhì)等施工要求，主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1)施工干擾大、工效低。傳統(tǒng)錨索施工方法采用鋼管搭設(shè)腳手架作為操作平臺進行錨索鉆孔、安裝及注漿等工序作業(yè)，主要存在3個方面的不足，從而導(dǎo)致施工干擾大、工效低，具體包括：① 搭設(shè)腳手架需占用錨索施工直線工期，影響總體進度；② 腳手架搭設(shè)工作量較大，且為人工操作；③ 腳手架需占用工作面，影響所占壓工作面的其他施工安排及道路通行。

2)費時費工、安全風險大。傳統(tǒng)錨索安裝方法主要采用人工或手動葫蘆配合進行送索工序，費時費工，尤其對于頂拱大仰角及豎向錨索施工，受錨索自重影響，安裝操作難度極大，且索體脫落風險較大，安全隱患突出[1]。

3)質(zhì)量控制難度大。錨索孔口段設(shè)計為氣囊式橡膠止?jié){塞，需配備專用充氣設(shè)備，注漿前需提前充氣、預(yù)注漿檢查，注漿過程中需及時補氣以防漏漿，止?jié){效果難以保證；且操作過程中因止?jié){塞容易破損而經(jīng)常出現(xiàn)漏漿，導(dǎo)致錨索注漿無法正常進行[2]。此外，受邊墻密布的系統(tǒng)錨桿、鎖口錨桿及不良地質(zhì)條件等影響，對穿錨索鉆孔精度要求高，偏斜控制難度較大[2]。

2 成套裝備與技術(shù)

大型地下洞室錨索施工具有工期緊、施工難度大、安全風險高、施工質(zhì)量要求嚴等特點，根據(jù)不同部位錨索的布置型式及施工條件，研發(fā)了多功能錨索鉆機、錨索液壓自動送索裝置、錨索鉆機精確導(dǎo)向限位裝置、錨索下索保護裝置、可移動式鋼錨墩防護裝置等專用裝備和技術(shù)，形成一整套錨索施工新型裝備與技術(shù)，實現(xiàn)錨索安全高效施工。

2.1 多功能錨索鉆機

大型地下電站主廠房頂拱層開挖高度超過10 m，以下開挖各層高度約8 m[2]。每層開挖后開挖面距該層上部錨索孔位高度將近8 m，常規(guī)履帶式錨索鉆機只可實施距開挖面高度3 m左右的錨索鉆孔，故需搭設(shè)腳手架作為鉆孔平臺。但如前所述，腳手架施工方式存在占用直線工期、施工干擾大、工效低等問題，且影響交通，安全隱患較大。

為解決上述難題，以傳統(tǒng)履帶式錨索鉆機為基礎(chǔ)，首次研制出多功能錨索鉆機[3]，如圖1所示。該鉆機安裝兩個機械臂，主臂安裝鉆孔設(shè)備，水平鉆孔作業(yè)高度可達8.5 m，兼具頂拱大仰角錨索鉆孔能力，避免了搭設(shè)鋼管腳手架及其一系列問題；輔臂安裝輔助作業(yè)平臺，作為錨索注漿、錨墩施工及張拉等工序的操作平臺。同時，鉆機滑架上裝有導(dǎo)向裝置，對開孔和鉆孔精度進行有效控制。

多功能錨索鉆機采用電動全液壓動力系統(tǒng)、履帶式行走機構(gòu)，具體由電動機帶動液壓油泵，驅(qū)動液壓馬達及液壓油缸工作，實現(xiàn)行走、回轉(zhuǎn)、推進及鉆架變換角度等動作，采用齒輪減速機構(gòu)傳動，大油缸倍速給進，增加提拔力，油箱散熱效果好，性能可靠；采用風動沖擊型鉆機進行鉆孔，適應(yīng)能力強，鉆孔深度大；鉆機滑架底部通過液壓馬達驅(qū)動的回轉(zhuǎn)支撐臺與主臂連接，能夠使鉆機360°旋轉(zhuǎn)，以滿足不同角度鉆孔需要，鉆機的靈活性和適應(yīng)性顯著提高[2]，從而實現(xiàn)高精度、快速鉆孔。根據(jù)鉆機實際應(yīng)用情況可知，該鉆機具有結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝性好、鉆進能力強、可遠距離操作、對施工工作面要求低、移動靈活、可快速就位和效率高等優(yōu)點。

多功能錨索在烏東德水電站左岸地下廠房、主變室開挖支護施工中獲得首次應(yīng)用，取得良好效果，在每層爆破出渣完成后即可就位實施鉆孔作業(yè)，避免了搭設(shè)施工腳手架，并且占用空間小，行走靈活，對其他作業(yè)干擾小，施工效率高，能夠有效縮短開挖支護總體工期。多功能錨索鉆機性能參數(shù)詳見表1所列。

表1 多功能錨索鉆機主要性能參數(shù)表[2]

2.2 錨索液壓自動送索技術(shù)

錨索安裝常規(guī)方法采用手動提升葫蘆配合人工在鋼管腳手架上進行操作，長度30 m的錨索需配置10～15名人員方可順利實施安裝，且工效較低，此外搭設(shè)腳手架無法規(guī)避施工干擾大、工效低、安全風險高等問題。對于洞室頂拱大仰角和豎向錨索，因自重較大且具有柔性，安裝難度更大，一旦出現(xiàn)滑脫，人員傷亡概率較大。為此，研制出一種錨索液壓自動送索裝置[4]。該裝置由機架、固定導(dǎo)向管、活動導(dǎo)向管、液壓泵站、液壓伸縮缸、固定液壓卡箱和移動液壓卡箱等組成，如圖2所示。將該裝置安裝在吊車大臂頂端或多功能錨索鉆機輔助臂頂端，吊車就位后，只需人工在地面將錨索一端穿入該裝置的導(dǎo)向管內(nèi)，再操作吊車大臂使該裝置導(dǎo)向管與鉆孔對準并固定，然后在地面操作液壓系統(tǒng)，使液壓伸縮缸和液壓卡箱配合做往復(fù)運動即可將錨索體送入鉆孔內(nèi)，如圖3所示。該施工技術(shù)解決了因錨索自重大而安裝困難、提升葫蘆配合人工速度慢、安全風險高等問題，首次實現(xiàn)了錨索機械化安裝，大幅提高了施工效率。

圖2 錨索液壓自動送索裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 液壓自動送索裝置工作方式示意圖

2.3 錨索施工成套質(zhì)量控制技術(shù)

作為大型洞室深層支護措施，錨索的施工質(zhì)量直接影響洞室工程進度、施工安全和長期安全運行。通過改進施工工藝、研發(fā)應(yīng)用專利技術(shù)，實現(xiàn)對錨索施工關(guān)鍵工序質(zhì)量的可靠控制。

2.3.1 錨索精準鉆孔技術(shù)

對穿錨索一般設(shè)置在兩個相鄰洞室間的巖體內(nèi)，多為水平孔。為使高邊墻淺層變形快速得到抑制，避免向深部擴展，通常邊墻系統(tǒng)錨桿需優(yōu)先快速實施，然后跟進實施深層支護。因此，受邊墻已實施密集系統(tǒng)錨桿影響，錨索鉆孔精度要求需更高，否則很容易與錨桿發(fā)生交叉，導(dǎo)致廢孔。確保精確的開孔定位及鉆進過程偏斜控制，能夠提高錨索施工成孔率，具體控制技術(shù)包括5個方面：①利用實際開挖成型面測量數(shù)據(jù)，采取三維空間復(fù)核確定錨索實際開孔位置及角度，避免實際開挖面凹凸不平導(dǎo)致終孔空間偏差；②利用多功能錨索鉆機車架液壓支腿、鉆機固定支桿，或設(shè)置固定樁和壓條鎖定對鉆機進行有效加固，確保鉆進穩(wěn)固，避免因鉆機晃動導(dǎo)致鉆孔偏斜；③采用后視點監(jiān)控裝置控制開孔傾角及方位角；④研制孔口導(dǎo)向精確定位裝置，配合鉆桿扶正器[2]控制鉆孔偏斜；⑤根據(jù)地質(zhì)條件和鉆孔深度調(diào)整開鉆及鉆進參數(shù)，通常將開鉆時鉆桿適當上傾一定角度，鉆進速度亦不同。地質(zhì)條件較差，則上傾角度略大，鉆進速度略慢；否則，上傾角度可略小，鉆進速度可略快。根據(jù)實際情況通過試驗總結(jié)具體確定。

2.3.2 注漿式止?jié){包技術(shù)

洞室內(nèi)錨索注漿一般采用氣囊式橡膠止?jié){塞止?jié){，這種止?jié){塞在市場上無專門廠家生產(chǎn)供應(yīng)，通常現(xiàn)場由摩托車內(nèi)胎改制而成，因此，其加工難度較大，尺寸及耐壓等質(zhì)量難以保證，導(dǎo)致施工中易發(fā)生移動、損壞，注漿質(zhì)量難以控制，返工率較高，且需配備專用充氣設(shè)備，需提前充氣、預(yù)注漿檢查；為防止注漿過程中漏漿，還需及時補充充氣以保證有足夠壓力[2]。為此，研制出一種注漿式止?jié){包裝置，如圖4～圖5所示，采用帆布制作的圓筒套在錨索體止?jié){環(huán)位置，兩端采用鉛絲綁扎牢固，綁扎處與鋼絞線間的空隙采用帆布或海綿填充緊密，帆布圓筒直徑大于鉆孔直徑5～10 cm；帆布圓筒包裹的進漿管上預(yù)留約5 cm長開口，在注漿初期壓力漿液首先充填帆布圓筒使其脹大，因帆布圓筒直徑大于鉆孔直徑，便于實現(xiàn)緊密填充索體與孔壁之間空隙的效果，達到止?jié){功能，同時利用進、回漿管漿液流動阻力形成的壓力差提高止?jié){效果[2]，進一步保證注漿質(zhì)量，并可簡化工序、縮短注漿時間。

圖4 注漿式止?jié){包裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 注漿式止?jié){包裝置

2.3.3 頂拱錨索止?jié){柱高壓止?jié){技術(shù)

頂拱錨索的特點是鉆孔軸線大角度上傾，甚至為豎向，這一特點帶來的問題除了錨索安裝困難外，還有注漿困難。注漿一般采用水泥濃漿，設(shè)計要求注漿壓力為0.3～0.5 MPa[2]。對于頂拱錨索注漿，隨著孔內(nèi)漿液逐漸上升，注漿泵的輸出壓力也需相應(yīng)升高，以克服孔內(nèi)漿液自身產(chǎn)生的壓力，當孔內(nèi)注滿漿液時，注漿泵輸出的壓力為設(shè)計壓力與漿液自身壓力之和，還需考慮一定的壓力損失。以深度40 m豎向孔為例，實際輸出壓力達到約1 MPa[2]，為設(shè)計壓力的2倍以上，而承載這一壓力的關(guān)鍵是孔口的止?jié){裝置。而氣囊式止?jié){塞無法直接承載這一壓力，施工過程中普遍存在無法止?jié){，甚至出現(xiàn)氣囊破裂導(dǎo)致無法繼續(xù)注漿，對施工進度和質(zhì)量影響較大。

為解決這一問題，經(jīng)過理論研究和現(xiàn)場實踐，形成了頂拱錨索止?jié){柱施工工藝，即先利用氣囊式止?jié){塞阻塞孔口，進行濃漿限量注漿，使止?jié){塞以上2～3 m[2]充填漿液，待凝約24 h后即形成止?jié){柱，該止?jié){柱與孔壁緊密結(jié)合，不僅不會漏漿，且可承載很大的注漿壓力，單獨利用該止?jié){柱便可滿足二次注漿需要。采用止?jié){柱工藝后，徹底解決了頂拱錨索高壓止?jié){的技術(shù)難題，止?jié){效果可靠，保證了施工質(zhì)量，有利于提高工效。

2.3.4 錨索下索和錨墩保護技術(shù)

研制了錨索下索保護裝置。該裝置首先將護壁套筒放入錨索孔進口段，然后通過護壁套筒向錨索孔內(nèi)部插入編制完成的錨索體，錨索鋼絞線在弧形開口段的引導(dǎo)作用下逐漸進入到直壁段，最終通過直壁段進入到錨索孔內(nèi)部，避免了鋼絞線被孔口基巖損壞。研制了可移動式鋼錨墩防護裝置，該裝置在進行爆破之前，通過人工借助吊車將防護罩上的掛鉤固定在錨墩上方的鋼筋網(wǎng)或錨桿上，可以保護錨墩在爆破瞬間免遭飛石直接撞擊，降低錨墩損壞和廢索概率。

3 應(yīng)用效果

該施工技術(shù)首次在烏東德水電站左岸地下廠房及主變洞錨索施工中得到成功應(yīng)用，并在白鶴灘水電站地下工程中得到推廣應(yīng)用，均取得良好效果。兩個工程的施工工效提高明顯，單元工程驗收合格率達100%[2]。

采用多功能錨索鉆機實施錨索鉆孔施工，首次實現(xiàn)了大型洞室開挖支護免腳手架施工。采用錨索液壓送索裝置，將頂拱錨索安裝時間由8 h左右縮短至2～3 h，工效提升顯著。應(yīng)用錨索施工成套質(zhì)量控制技術(shù)，使錨索鉆孔成孔率由71.6%提高至95.0%以上，注漿質(zhì)量經(jīng)物探和超聲波等檢查，密實度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過研發(fā)新裝備、新裝置和改進施工工藝等措施，成功克服了傳統(tǒng)錨索施工技術(shù)存在的不足，形成大型地下洞室錨索施工成套裝備與技術(shù)。應(yīng)用效果表明，該成套裝備與技術(shù)能夠顯著提高大型地下洞室錨索施工工效，降低施工安全風險，保證施工質(zhì)量和進度，對實現(xiàn)電站首臺機組發(fā)電控制性目標起到重要作用。該成套裝備與技術(shù)實現(xiàn)了大型地下洞室錨索施工機械化、自動化作業(yè)，提升了我國水利水電工程地下洞室施工技術(shù)水平。