夏 風(fēng),羅小斌,王興平
(中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司,昆明 650041)
隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)、西電東送戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施,我國(guó)的水電建設(shè)進(jìn)入重要的歷史時(shí)刻,水電資源的開(kāi)發(fā)與利用迅猛發(fā)展,越來(lái)越多的水電工程被建設(shè)在大山峽谷之間。因地理空間位置狹窄,許多大型工程轉(zhuǎn)建地下。為此,地下工程的施工技術(shù)得到了空前的發(fā)展和提高。而用錨桿支護(hù)來(lái)維持巖層穩(wěn)定的方式更是成了一種不可或缺的首要手段。文獻(xiàn)[1]從圍巖支護(hù)特征線理論出發(fā),在預(yù)應(yīng)力錨桿與普通砂漿錨桿的受力特征、支護(hù)機(jī)制和支護(hù)效果分析的基礎(chǔ)上,提出了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù),并論證其設(shè)計(jì)方法的可行性。文獻(xiàn)[2]通過(guò)總結(jié)我國(guó)水利水電工程預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的研究成果和工程實(shí)踐,對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的工作機(jī)制、預(yù)應(yīng)力錨固體系的最新發(fā)展,做了較全面的概括。文獻(xiàn)[3]給出了預(yù)應(yīng)力錨桿施工的基本規(guī)范。文獻(xiàn)[4]論述了國(guó)內(nèi)外地下洞室建設(shè)現(xiàn)狀和進(jìn)展,深入研究了地下洞室?guī)r體物理力學(xué)參數(shù)、地下洞室圍巖應(yīng)力量測(cè)、地下洞室山巖壓力穩(wěn)定分析等對(duì)地下洞室穩(wěn)定給出了理論見(jiàn)解。文獻(xiàn)[5]在分析預(yù)應(yīng)力內(nèi)錨固段耐久性影響因素的基礎(chǔ)上,提出了預(yù)應(yīng)力內(nèi)錨固段耐久性的動(dòng)態(tài)概念。文獻(xiàn)[6]通過(guò)講述預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中出現(xiàn)的故障,并根據(jù)產(chǎn)生原因總結(jié)預(yù)防措施,給預(yù)應(yīng)力錨固質(zhì)量控制提供了很好的理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]講述一種高強(qiáng)度復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力張拉和錨固施工方法,該復(fù)合材料預(yù)應(yīng)力張拉和錨固可靠性高,增強(qiáng)或加固工程結(jié)構(gòu)效果好,對(duì)工程結(jié)構(gòu)表面的適應(yīng)性強(qiáng),應(yīng)用靈活方便,給本文提供了很好的理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]中一種帶多功能止?jié){塞的脹殼錨桿,為本文的止?jié){器提供了一定的參考。文獻(xiàn)[9]主要提出隧洞在眾多荷載的作用下保持穩(wěn)定的支護(hù)措施。
由于在高地應(yīng)力地區(qū)錨桿成孔率低、巖石破碎,若采用傳統(tǒng)的注裝工藝,首先,會(huì)因在注漿過(guò)程中擾動(dòng)松弛巖層而導(dǎo)致成孔自動(dòng)封閉,錯(cuò)過(guò)有效的支護(hù)時(shí)機(jī),并且也會(huì)造成返工,增加施工成本;其次,還會(huì)因錯(cuò)過(guò)有效的支護(hù)時(shí)機(jī)而造成人為的安全隱患。為此,改變?cè)蓄A(yù)應(yīng)力錨桿注裝工藝才可能保證人員和其他物資的安全,研究了地下工程錨噴支護(hù)施工中的預(yù)應(yīng)力錨桿新工藝——相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝。
錦屏一級(jí)電站洞室埋深較深,主要由大理巖、角礫狀大理巖夾綠片巖透鏡體及煌斑巖脈,以Ⅲ1類巖體為主,部分為Ⅲ2類巖體,少量斷層及其影響帶和裂隙密集帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖,加之F13,F(xiàn)14斷層等不良地質(zhì)段,主要洞室都位于高地應(yīng)力區(qū),最大主應(yīng)力σ1= 35.7 MPa,其方向與洞軸線近于平行,巖石單軸抗壓強(qiáng)度為50~70 MPa。由于地應(yīng)力高、巖石抗壓強(qiáng)度低,所以在施工中易發(fā)生巖爆,并產(chǎn)生持續(xù)的應(yīng)力變形,因此錦屏一級(jí)地下廠房引水發(fā)電系統(tǒng)及泄洪洞工程(CIV標(biāo))開(kāi)挖支護(hù)施工堪稱“世界難題”。
錦屏一級(jí)電站屬于高地應(yīng)力地區(qū),且開(kāi)挖洞室群結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜,主要由3大洞室(主廠房、主變室、調(diào)壓室)、母線洞、引水洞、尾水管及其連接洞和泄洪洞等組成,山體挖空率極高。由于巖石地應(yīng)力作用,圍巖松弛深度達(dá)3~5 m,支護(hù)施工的及時(shí)性與可靠性就顯得尤為重要,這關(guān)系到施工過(guò)程中所有人員、設(shè)備和工程持久安全。
預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝主要分先注漿后插桿和先插桿后注漿2種方式。相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿施工工藝屬于后者中的一種,它主要適用于高地應(yīng)力地區(qū)、巖層裂隙發(fā)育的地下工程。因?yàn)檫@些地區(qū)的巖層在造孔結(jié)束后,受高地應(yīng)力的影響,成孔孔壁會(huì)自動(dòng)慢慢封閉,若采用先注漿后插桿的方式既不能保證桿體完全被插進(jìn)孔中,也不能保證錨桿的注漿密實(shí)度;而采用相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)方式,可以很好地避免上述情況發(fā)生,且在注漿過(guò)程中可對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行固結(jié)使之成為整體。
錦屏一級(jí)電站在主廠房和主變室從頂拱下挖至距底板高差約為40 m時(shí),由于地應(yīng)力釋放,導(dǎo)致主廠房、主變室下游側(cè)沿洞軸線部位圍巖松弛、開(kāi)裂、破碎嚴(yán)重,對(duì)頂拱局部穩(wěn)定極為不利。為抑制圍巖變形,保證廠房和主變室的施工安全及工程安全,設(shè)計(jì)要求對(duì)該部位增加預(yù)應(yīng)力錨桿(直徑32 mm,長(zhǎng)9 m)共計(jì)1 668根。且因施工工期緊、施工難度大、干擾因素多,在保證注漿密實(shí)度的前提下,及時(shí)快速地進(jìn)行支護(hù)(特別是預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)),才能確保工程的施工安全、施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。于是相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿工藝的誕生便成為了必然。
相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿桿體的制作,關(guān)鍵在于作用力止?jié){器部位的制作。作用力止?jié){器部位的制作技術(shù)于2006年首次被應(yīng)用在三峽地下廠房巖錨梁的預(yù)應(yīng)力錨桿上,屬相對(duì)淺層止?jié){,被布置在距孔口2.5~3.0m的位置處。結(jié)合錦屏地區(qū)高地應(yīng)力作用明顯的特點(diǎn),作用力止?jié){器的部位被改進(jìn),首次被布置在距孔口6.5~9.0 m的巖層松弛帶的相對(duì)深層位置,因此,對(duì)該部位的制作技術(shù)和施工要求更加嚴(yán)格。
以直徑32 mm,長(zhǎng)9 m預(yù)應(yīng)力錨桿為例(錨固段長(zhǎng)2.5 m,自由段長(zhǎng)6.5 m),對(duì)相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿制作技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和說(shuō)明。
一端車有15 cm絲牙的螺紋鋼筋(直徑32 mm,長(zhǎng)9 m)、若干m長(zhǎng)的內(nèi)徑為15 mm的PE漿管、海綿塊、兩頭開(kāi)孔的布袋(直徑100 mm,長(zhǎng)70 cm)、緊縮帶、鋼鋸、卷尺、石筆、扎絲、彩色膠帶等。
相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿制作示意圖見(jiàn)圖1。
1)用套絲機(jī)將桿體的一端車出15 cm的絲牙,然后用膠布或PE薄膜順著絲牙一端將桿體纏繞包裹20 cm左右,直至裹平鋼筋月牙肋為止。作用:為了防止在安裝墊板和封堵孔口時(shí)錨固劑或砂漿(為趕施工進(jìn)度,一般不采用砂漿封堵孔口)直接包裹桿體,使之形成很短的一個(gè)錨固段,影響自由段的張拉伸張,從而失去預(yù)應(yīng)力錨桿的作用。
2)用卷尺自桿體另一端量出錨固段長(zhǎng)度2.5 m,并用石筆在桿體上做好標(biāo)識(shí)(此處即為鼓起狀海綿彈性填充體位置)。作用:準(zhǔn)確分界出錨固段(也稱內(nèi)錨段)與自由段(也稱外錨段),以便于作用力止?jié){器、一期進(jìn)漿管和二期排氣管的位置確定。
3)把PE漿管從距鋼筋未車絲端頭3~5 cm位置用鋼鋸割成30~45°斜口,沿桿體鋪直綁扎,PE漿管斜口處用海綿堵住,于伸出絲牙端1 m處將PE漿管斜口割斷,用彩色膠布標(biāo)識(shí)此為一期排氣管(也稱之一期回漿管)。作用:在注漿過(guò)程中,若無(wú)排氣設(shè)備,則孔內(nèi)空氣短時(shí)間內(nèi)無(wú)法排釋而被不斷壓縮,當(dāng)孔內(nèi)大氣壓力大于注漿壓力時(shí),漿液則無(wú)法繼續(xù)進(jìn)入孔內(nèi),導(dǎo)致漿管爆裂或脫節(jié)、灌漿不密實(shí);一期注漿管預(yù)留1 m是為了便于與注漿機(jī)的漿管對(duì)接,并在灌漿結(jié)束后將其折彎捆綁,防止孔內(nèi)漿液回流導(dǎo)致孔內(nèi)出現(xiàn)空腔致使注漿不密實(shí);標(biāo)識(shí)是為了區(qū)別不同作用的漿管,以避免出現(xiàn)灌漿紊亂;堵住漿管孔口是防止在插桿過(guò)程中漿管被孔內(nèi)石碴堵住。
4)將割斷的斜口PE漿管從距桿體標(biāo)識(shí)位置50 cm的地方沿車有絲牙端的方向鋪直綁扎,并于伸出絲牙端1 m處將PE漿管斜口割斷,并用彩色膠布區(qū)別標(biāo)識(shí)。
5)將布袋反面翻過(guò)來(lái)平展,然后將其從未車絲端套進(jìn)去,直到袋子末端距桿體上標(biāo)識(shí)位置10 cm時(shí)停止,并將袋子末端折疊緊箍桿體和PE漿管管壁使之結(jié)合緊密。
6)把海綿割成環(huán)狀或條狀,在止?jié){袋折疊末端位置環(huán)繞,將桿體和PE漿管緊密包束,然后用扎絲將海綿的中心位置綁扎起來(lái),形成鼓起狀彈性填充體。作用:彈性填充體在漿液注入后瞬間膨脹,與錨桿孔壁自然緊密結(jié)合,保證布袋里的漿液在作用力的迫使下快速密實(shí)同時(shí)與孔壁形成反作用力,從而使喪失水分的漿液密實(shí)成為一個(gè)固結(jié)體與孔壁無(wú)縫結(jié)合起到防漏止?jié){的作用,使后續(xù)漿液能順利進(jìn)入錨固段。
7)將一期進(jìn)漿管在伸出桿體標(biāo)識(shí)部位50 cm段開(kāi)割2孔。作用:一是為了減小止?jié){器內(nèi)管口的出漿壓力,加大漿液的分流量,二是為了防止注漿壓力過(guò)大將進(jìn)漿管堵住。
8)雙手將未綁扎端的布袋口順綁扎端翻套過(guò)來(lái)拉直,用緊縮帶將布袋與海綿接觸處綁扎牢固形成鼓起狀,將布袋另一端折疊,環(huán)桿體和PE漿管管壁緊束使之結(jié)合緊密,并將一期進(jìn)漿管端口置于布袋之中,然后用緊縮帶捆綁起來(lái)。
9)將割有斜口的PE漿管在距布袋海綿處3~5 cm的位置沿車絲端方向鋪直綁扎,于伸出絲牙端1 m位置處將漿管斜口割斷,并用記號(hào)區(qū)別標(biāo)識(shí)此為二期排氣管(也稱之二期回漿管)。
圖1 相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿制作示意圖Fig.1 Sketch of pre-stressed rock bolt with grout sealer installed at relatively deep position
在錨桿安裝前,需先用高壓水將孔內(nèi)渣清洗干凈,使孔內(nèi)無(wú)巖粉積水,并可以通過(guò)洗孔步驟得知孔深以及有無(wú)串孔現(xiàn)象,以此來(lái)判明出現(xiàn)此種情況該采取何種措施。若孔深不夠或因高地應(yīng)力影響而導(dǎo)致孔壁自動(dòng)閉合的現(xiàn)象,就應(yīng)該及時(shí)掃孔或重新鉆孔;若出現(xiàn)串孔現(xiàn)象,就可以采取平行灌漿的方法(即多孔同時(shí)灌漿),以保證各孔的密實(shí)度。
插桿時(shí)要注意保護(hù)漿管和止?jié){器(尤其止?jié){器),避免插桿過(guò)程中用力不均勻或成孔彎曲,導(dǎo)致止?jié){器與孔壁強(qiáng)力摩擦而使止?jié){布袋破裂失去止?jié){作用,造成返工和材料的浪費(fèi)。
從一期排氣管管口接入高壓水,將一期排氣管管口堵頭海綿推出,保證其后的灌漿過(guò)程中能暢通排氣回漿,也可檢測(cè)漿管是否存在孔壁封堵的質(zhì)量問(wèn)題。再?gòu)囊黄谶M(jìn)漿管接入高壓水,若一期排氣管回水,則說(shuō)明漿管通暢,可順利進(jìn)行下步灌漿工序。
深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段的灌漿可以采取砂漿或高強(qiáng)錨固劑等材料,因?yàn)樽罱K施加于桿體本身的外力作用效果是可以一樣的。其材料的選用主要決定于圍巖的發(fā)育程度和工期的進(jìn)度安排。理論上,砂漿的最終強(qiáng)度實(shí)際比錨固劑的最終強(qiáng)度高。由于錦屏一級(jí)地下電站圍巖發(fā)育,各方考慮到施工進(jìn)度和工期的安排,采用的是高強(qiáng)快凝錨固劑作為錨固段的灌漿材料。原因在于要達(dá)到所需要的張拉力,錨固劑所需的時(shí)間要比砂漿所需要的時(shí)間短得多。要給一根傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力錨桿施加120 kN的力,錨固劑6~8 h便可達(dá)到滿足施加這個(gè)力所需要的強(qiáng)度要求,而砂漿卻至少需要7 d。錨固段的灌漿采用0.34∶1的水灰質(zhì)量比(水∶錨固劑)進(jìn)行拌制。作用力止?jié){器的止?jié){時(shí)間為0.5~1.0 s。為保證灌漿密實(shí),在回漿管出漿后,折閉回漿管平漿3~5 s,再折閉一期進(jìn)漿管,至此,錨固段灌漿全工序結(jié)束。灌漿過(guò)程中,要全程旁站并做好各種數(shù)據(jù)的記錄:如,水灰質(zhì)量比、注漿壓力(一般為0.20~0.25 MPa)、注漿時(shí)間(理想狀態(tài)下,一般時(shí)間為5~6 s)、理論注漿量、實(shí)際注漿量。
為防止錨固段漿液進(jìn)入自由段污染孔壁、桿體和封堵二期排氣管,所以要對(duì)自由段進(jìn)行洗孔,即第3次洗孔。由于高強(qiáng)快凝錨固劑有速凝的作用,所以控制洗孔時(shí)間是關(guān)鍵,一般3次洗孔在錨固段灌漿完成后10~15 min進(jìn)行,如果太早,從二期排氣管進(jìn)入的水可能沖蝕掉止?jié){器中的錨固劑漿液致使止?jié){器收縮,無(wú)法與孔壁緊密結(jié)合,使錨固段內(nèi)的錨固劑漿液部分流出形成空腔,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致錨固段全孔無(wú)漿,從而無(wú)法保證桿體的密實(shí)度和實(shí)施下一步的外力張拉;若太遲,從止?jié){袋處流出的部分錨固劑漿液會(huì)干涸,黏住了自由段的孔壁和錨桿桿體,并可能堵住二期排氣管管口使二期排氣管無(wú)法回漿,在注漿壓力的作用下,二次灌漿自由段便會(huì)出現(xiàn)空腔,無(wú)法保證密實(shí)度。
為了方便安裝張拉墊板,在錨固段灌完漿液之后1~1.5 h(此時(shí)錨固劑漿液初凝,漿液形成膠狀體,不會(huì)順漿管流出),可對(duì)一期進(jìn)漿管和一期排氣管進(jìn)行切割,并保護(hù)二期排氣管不被破壞。
較傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨桿的墊板,這種分期灌漿的預(yù)應(yīng)力錨桿所采用的墊板一般預(yù)留有3個(gè)孔:一個(gè)為桿體的,一個(gè)為二期進(jìn)漿管的,一個(gè)為二期排氣管的。為此,在將墊板套過(guò)桿體和二期排氣管并套上螺帽之后,還需插入1根1 m左右的漿管作為二期進(jìn)漿管。然后用錨固劑將錨桿孔口封住,封堵的深度既不能超過(guò)桿體上的包裹材料,也要保證二期進(jìn)漿管管通暢,且要封堵密實(shí),防止灌漿時(shí)漏漿。在安裝過(guò)程中,還要保證墊板與桿體垂直、螺帽與墊板面接觸。如果出現(xiàn)螺帽與墊板點(diǎn)或線接觸的現(xiàn)象,在張拉時(shí),力就會(huì)被分解:一部分作用在桿體軸線方向;一部分作用在垂直桿體軸線方向,形成剪力,導(dǎo)致張拉力達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求,并且還會(huì)破壞桿體。因此,只有螺帽和墊板面接觸,張拉力才完全被施加在桿體伸縮方向上,才能滿足設(shè)計(jì)張拉要求。
張拉之前需要對(duì)螺帽和墊板整合情況進(jìn)行檢查,確保全部為面接觸,然后用0.3倍設(shè)計(jì)張拉力對(duì)錨桿進(jìn)行預(yù)緊,之后按要求進(jìn)行分級(jí)張拉。每次張拉前,均需將扭力扳手刻度回零,然后調(diào)至下一級(jí)張拉刻度,如此重復(fù),直至張拉過(guò)程結(jié)束。
張拉過(guò)程中,要全程旁站做好各種張拉數(shù)據(jù)的記錄。錦屏一級(jí)電站預(yù)應(yīng)力錨桿的設(shè)計(jì)張拉值為120 kN,考慮到圍巖應(yīng)力的釋放會(huì)導(dǎo)致施加在桿體的作用外力會(huì)隨之部分釋放,故實(shí)際張拉值為設(shè)計(jì)張拉值的1.1倍,即132 kN。記錄中要對(duì)以下情況詳細(xì)記錄: 1)初值,即預(yù)緊后,從墊板處量出的絲牙桿體長(zhǎng)度; 2)終值,即實(shí)施132 kN外力后,從墊板處量出的絲牙桿體長(zhǎng)度;3)伸長(zhǎng)值,終值與初值之差,實(shí)際過(guò)程中的伸長(zhǎng)值為2.5~4.6 mm,跟理論的伸長(zhǎng)值有一定的出入。
理論伸長(zhǎng)值Δ計(jì)算公式:Δ=FL/EA(式中:F為張拉力;L為自由段長(zhǎng)度的80%及自由段與1/2錨固段長(zhǎng)度之和;E為彈性模量,E=2×105N/mm2;A為鋼筋截面積)。理論伸長(zhǎng)值范圍為:絲牙行程應(yīng)不小于自由段伸長(zhǎng)值的80%,且不大于自由段與1/2錨固段之和的伸長(zhǎng)值。
為進(jìn)一步清潔因張拉導(dǎo)致桿體出現(xiàn)掉落銹蝕物污染孔壁,避免影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度以及探明自由段有無(wú)串孔現(xiàn)象,因此采用第4次洗孔。
自由段灌漿采用質(zhì)量比為0.45∶1∶0.5的砂漿材料(水∶水泥∶砂),具體操作同內(nèi)錨段灌漿。在注漿過(guò)程中,需全程旁站和做好各種數(shù)據(jù)的記錄:如,水灰質(zhì)量比、注漿壓力(一般為0.20~0.25 MPa)、注漿時(shí)間(理想狀態(tài)下,一般時(shí)間為10~15 s)、理論注漿量、實(shí)際注漿量。
待自由段內(nèi)的砂漿強(qiáng)度達(dá)到一定程度后,便可以將二期進(jìn)漿管和二期排氣管在齊平墊板處割掉,以保持施工結(jié)束后的整體美觀。
通過(guò)施工前期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和施工后期的無(wú)損檢測(cè),結(jié)果表明:采用這種新工藝施工的預(yù)應(yīng)力錨桿,注裝密實(shí)度均達(dá)到了99.5%以上,比同類采用其他施工工藝注裝的預(yù)應(yīng)力錨桿的密實(shí)度提高了20.6%~21.8%。新工藝和傳統(tǒng)工藝相比(以100根計(jì)),錨桿作用于圍巖的時(shí)間縮短(整套工序結(jié)束平均單根可以縮短時(shí)間15~30 min),相對(duì)于自由段采用緩凝錨固劑灌注也能節(jié)約成本。
相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿解決了普通預(yù)應(yīng)力錨桿張拉時(shí)間固定的弊端,此類錨桿只要在錨固段錨固劑可以滿足設(shè)計(jì)張拉力的強(qiáng)度情況下,可以選擇在任何時(shí)間段內(nèi)張拉,但考慮到圍巖的穩(wěn)定、工期的影響以及長(zhǎng)時(shí)間孔內(nèi)空氣(水分)對(duì)桿體的銹蝕,張拉時(shí)間不宜過(guò)于推遲。
相對(duì)深層作用力止?jié){器預(yù)應(yīng)力錨桿的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,在施工過(guò)程中,除了要總結(jié)過(guò)去的施工工藝和施工經(jīng)驗(yàn),更應(yīng)該結(jié)合現(xiàn)在地下工程施工的特點(diǎn)及各項(xiàng)要求,在原有的基礎(chǔ)上創(chuàng)新出更安全、更可靠、更高效且便于施工的工藝。
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