防沖抗爆恒阻大變形錨桿在錦屏二級水電站引水隧洞巖爆段施工中的應用

李 元,張 鵬,張東明,王 媛

(1.二灘水電開發有限責任公司,四川成都 610051;2.成都大學城鄉建筑學院,四川成都 610106)

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川涼山州境內,其主要由攔河閘、引水系統、地下廠房三大部分組成,為一低閘、長隧洞、高水頭、大容量引水式地下電站,也是雅礱江上水頭最高、裝機規模最大的水電站,電站裝機容量4 800 MW.電站引水隧洞共4條,平均長度16.67 km,隧洞沿線覆蓋層一般埋深1 500～2 000 m,最大埋深約為2 525 m,具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點.其中1#、3#引水隧洞采用直徑12.4 m的全斷面TBM掘進機施工,2#、4#引水隧洞采用常規鉆爆法施工,直徑13 m.如何克服施工過程中的強巖爆(III級)和極強巖爆(IV級)是整個引水隧洞施工的核心問題,電站工程的關鍵技術難題均集中于此[1-6].

2 防沖抗爆恒阻大變形錨桿應用試驗

2.1 試驗目的

為克服引水隧洞施工過程中的強巖爆及極強巖爆,我們通過國內外廣泛咨詢及現場摸索實踐,擬采用防沖抗爆恒阻大變形錨桿進行新材料新工藝試驗,為巖爆防治和隧道安全支護提供試驗數據.

2.2 試驗范圍及參數

2.2.1 試驗范圍.

根據設計院提供的地質資料,我們選定在1#引水隧洞11+865～11+750,2#引水隧洞10+378～10+353、10+350～10+334巖爆活動較為強烈的洞段利用防沖抗爆恒阻大變形錨桿進行防巖爆施工試驗.

2.2.2 錨桿材料及性能參數.

錨桿類型:恒阻大變形錨桿(HZ-Bolt-600-06型)具體結構如圖1所示.

圖1 恒阻大變形錨桿結構圖

錨桿參數:桿體直徑22 mm,恒阻裝置直徑33 mm,長度為3.0/6.0 m;極限變形量為50/60 cm,恒阻值為130 K N;數量,1#洞300根,2#洞300根;錨桿鋼墊板規格為200×200×8 mm(長×寬×厚),采用Q235鋼材或強度更高的鋼材.

注漿用砂漿標號:1#引水隧洞采用樹脂錨固劑(跨越2000型),2#引水隧洞采用M25砂漿.

施工間、排距:1.0×1.0 m,孔徑43 mm.

安裝部位:頂部120°范圍,TBM掘進機撐靴以上部位及局部拱架處(見圖2).

3 試驗數據分析

3.1 錨桿施工工藝

防沖抗爆恒阻大變形錨桿施工工藝流程如圖3所示.

圖2 錨桿安裝部位示意圖

圖3 錨桿施工工藝流程圖

3.2 數據采集

試驗注漿結束7 d后,采用穿心式液壓千斤頂附加工裝進行拉拔試驗,現場記錄油表讀數及錨桿拉伸值的原始數據.伸縮試驗檢測如圖4所示.

圖4 采用穿心式液壓千斤頂附加工裝進行拉拔試驗圖

3.3 恒阻值試驗數據的統計分析

通過在1#、2#引水隧洞各做了6根拉拔力試驗:當拉力計從0 MPa加壓到28 MPa時錨桿伸長量從0增加到20 mm;繼續進行加壓,錨桿伸長量在20 mm～450 mm范圍時油表讀數在28 MPa到32 MPa之間變化;錨桿伸長量從450 mm～500 mm時油表讀數開始下降,錨桿伸長量到500 mm時油表讀數是13～16 MPa(見表1).

表1 錨桿伸長量及拉拔力數據

3.4 恒阻值和錨桿伸長量變化

本次拉拔試驗對2#引水隧洞10+378～10+ 353 m、10+350～10+334 m兩段可伸縮防巖爆錨桿拉拔兩根,第一根拉拔延伸量為300 mm,第二根由于工裝出現故障,拉拔延伸量為150 mm,恒阻力數據符合標定數據(上包絡線130±1 kN).第一根可伸縮防巖爆錨桿拉撥力數據如圖5所示.

圖5 第一根可伸縮防巖爆錨桿拉拔力曲線

3.5 性能指標檢測

性能指標主要檢驗恒阻大變形錨桿的抗沖擊能力及拉伸性能.對此,我們利用恒阻大變形錨桿(索)沖擊實驗系統對恒阻大變形錨桿進行沖擊拉伸試驗,測試大變形錨桿的單次沖擊變形量、累計沖擊變形量及沖擊變形量與沖擊能量的關系,測試結果如圖6所示.

從圖6可以看出,在沖擊重錘一定時,單次沖擊變形量取決于能量大小(沖擊的高度),在沖擊高度為固定值時,錨桿受沖擊拉出的長度變化不大,其中沖擊高度為1 000 mm時,拉出范圍基本在70～85 mm之間,平均值為77 mm,恒阻值為129.9 kN.累計沖擊能量(E)與累計沖擊變形量(U)基本呈線性關系,dU/dE=C≈0.0072 mm/J,即每1焦耳的沖擊能量能夠沖擊拉出約0.0072 mm,此表明錨桿恒阻裝置的均衡性較強.

圖6 恒阻錨桿沖擊實驗曲線

4 結 論

通過對試驗檢測數據進行系統分析,可以得出如下結論:

(1)現場配備的設備及人員完全能夠進行防沖抗爆恒阻大變形錨桿的施工,且施工工藝可靠.

(2)防沖抗爆恒阻大變形錨桿由于鉆孔孔徑較大,而該錨桿設計鉆孔孔徑在施工現場不可操作,故建議將該錨桿前部細錨桿(直徑22 mm)更換為粗錨桿(直徑28 mm).

(3)該錨桿試驗洞段為隨機選取,在防沖抗爆恒阻大變形錨桿施作之后,雖無巖爆情況發生,但該錨桿防止巖爆的功能還需進一步觀察.

(4)該錨桿在施作工序與漲殼式中空預應力錨桿基本一樣,在施工工序時間上比預應力錨桿時間長,這與施工人員的熟練程度有關.

(5)通過現場試驗,錨桿可伸長500 mm,如發生巖爆可起到緩沖作用.

[1]王賢能,黃潤秋.巖石卸荷破壞特征與巖爆效應[J].山地學報,1998,16(4):281-285.

[2]吳玉山,李紀鼎.大理巖卸載特性的研究[J].巖土力學, 1984,5(1):29-36.

[3]張黎明,王在泉,賀俊征,等.卸荷條件下巖爆機理的試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(增1):4769-4773.

[4]徐林生.卸荷狀態下巖爆巖石力學試驗[J].重慶交通學院學報,2003,22(1):1-4.

[5]朱煥春,朱永生.錦屏二級水電站輔助洞巖爆與控制研究和實踐成果報告[R].上海:華東勘測設計研究院,2007.

[6]侯靖,周春宏,李軍.錦屏二級水電站引水隧洞施工巖爆防治方案與措施專題報告[R].杭州:中國水電顧問集團, 2010.