白鶴灘水電站泄洪洞預應力錨桿生產性工藝試驗成果分析

陳　斌，　朱 毓 杰,　劉　寧

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第七支隊,湖北 武漢　430200；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都　611130；

3.中國人民武裝警察部隊 水電第八支隊，重慶　401320)

白鶴灘水電站泄洪洞預應力錨桿生產性工藝試驗成果分析

陳斌1，朱 毓 杰2,劉寧3

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第七支隊,湖北 武漢430200；2.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都611130；

3.中國人民武裝警察部隊 水電第八支隊，重慶401320)

摘要：白鶴灘水電站左岸泄洪洞系統錨桿支護設計采用了普通砂漿錨桿和預應力錨桿兩種支護形式，其中預應力錨桿施工技術要求高，工序銜接要求緊密。為保證施工質量，提高生產效率，在預應力錨桿施工前需進行生產性工藝試驗，以確定預應力錨桿套件規格、錨固劑用量、工藝方法等施工參數。結合該泄洪洞施工實際，采用三組試驗(錨固劑藥卷用量及注漿密實度試驗、內錨段長度試驗和現場工藝性試驗)確定了預應力錨桿錨固段長度為3 m，錨固劑藥卷用量為73支，采用二次注漿施工工藝，取得了較好效果。

關鍵詞：泄洪洞；預應力錨桿；施工工藝；試驗；白鶴灘水電站

1工程概述

白鶴灘水電站泄洪洞土建及金屬結構安裝工程第Ⅱ標段洞身支護工程采用了預應力錨桿作為漸變洞段、柱狀節理帶、Ⅳ類圍巖的重要支護形式。預應力錨桿設計規格為φ32，L=9m，T=150kN，約1.1×104根。為確定預應力錨桿的施工工藝，我部于2014年10月7日至10月17日開展了預應力錨桿生產性工藝試驗。在借鑒其它類似工程施工經驗的基礎上，結合白鶴灘水電站的實際情況，對本標段預應力錨桿內錨段采用錨固劑藥卷，自由段采用緩凝水泥砂漿為錨固材料進行了現場試驗。按自由段注漿施作先后的不同，本次試驗分兩種工藝進行：①一次注漿工藝，即內錨段錨固劑和自由段砂漿先后一次注入，然后再安插錨桿，待內錨段終凝后、自由段初凝前進行張拉鎖定；②二次注漿工藝，即先灌注內錨段錨固劑，隨后安插錨桿，再張拉錨固，最后對自由段進行第二次注漿封閉。

2主要試驗器材

2.1試驗管(孔)及鋼筋規格型號

(1)試驗一(錨固劑藥卷用量及注漿密實度試驗)：

3根φ68(內徑)、L=8.5mPVC管；3根φ32、L=9m鋼筋。

(2)試驗二(內錨段長度試驗)：

6個φ64錨桿孔：孔深分別為2m、3m、4m，各2個孔；6根φ32鋼筋：長度分別為L=2.1m、L=3.1m、L=4.1m，各2根。

(3)試驗三(現場工藝性試驗)：

6個φ64錨桿孔，孔深8.5m；6根φ32、L=9m鋼筋。

2.2試驗使用的其它器材

(1)錨固劑藥卷：選用由鞏義市豫源建筑工程材料有限責任公司生產的MJK4型速凝卷狀高強錨固砂漿，產品規格為φ32×225mm；

(2)緩凝減水劑：選用由江蘇博特新材料有限公司生產的PCA-Ⅰ型混凝土高性能緩凝型減水劑；

(3)緩凝砂漿：M30錨桿砂漿，配合比見《預應力錨桿砂漿配合比試驗報告》；

(4)扭力扳手：大小量程扭力扳手各1把：TG200-1000N·M型、NB-2000A型；

(5)錨桿桿體：采用無銹、順直的整根鋼筋加工(φ32、L=9m)，桿端車絲長度為50cm，在桿體上每間隔3m設置對中支架，對中支架采用3根φ6.5短圓鋼筋品形分布點焊在桿體上，附件包括：200mm×200mm×8mm錨墊板及六角螺帽、φ20/28mm進漿管和φ14/20mm回漿管；

(6)其它器材：空壓機一臺、氣壓風槍一把、浸泡錨固劑用水桶一個、注漿機一臺、托盤秤一臺、砂漿稠度儀一臺，袋裝水泥和經預篩分的人工砂若干。

2.3原材料室內試驗

(1)錨固劑。

本次試驗所采用的錨固劑為鞏義市豫源建筑工程材料有限責任公司生產的MJK4型速凝卷狀高強錨固砂漿，產品規格為φ32×225mm，其主要性能檢測成果見表1。

表1　錨固劑主要性能檢測成果表

(2)緩凝砂漿。

本次試驗采用由江蘇博特新材料有限公司生產的PCA-Ⅰ型混凝土高性能緩凝型減水劑拌制緩凝砂漿，其主要性能檢測成果見表2。

表2　緩凝砂漿主要性能檢測成果表

3試驗方法及過程

3.1試驗一：錨固劑藥卷用量及注漿密實度試驗

2014年10月7日下午，在泄洪洞鋼筋加工廠進行了PVC管模擬試驗，以確定錨固劑用量并檢查注漿密實度。根據試驗所采用材料規格經理論計算得知3m試驗管需注入MJK4型錨固劑藥卷數量N為：

N=[(φ1/2)2×3.14-804.2×3 000/[(φ2/2)2×3.14×L]

式中φ1為PVC管內徑，68 mm；φ2為錨固劑藥卷直徑，32 mm；L為錨固劑藥卷長度，225 mm；φ32錨桿公稱截面積為804.2 mm2，即：

N=[(68/2)2×3.14-804.2]×3 000/[(32/2)2×3.14×225]≈47(支)

考慮到鉆孔尺寸偏差、藥卷浸水后體積變化和風槍管路損耗等差異因素，參考類似工程經驗并經現場用4 m長PVC管試注，估算富余系數k取1.55，則N=47×k≈73(支)

現場取3根L=8.5 m PVC管作模擬試驗，采用風槍分別注入83、73、63支錨固劑藥卷，再用綁好的L=9 m的回漿管插入，然后注入緩凝砂漿并封堵管口。待7 d齡期后，剖管驗證實際錨固劑充填長度并檢查注漿密實度，其檢測數據見表3。

表3　PVC管模擬試驗成果表

注：①剖管后觀察整個固結漿體均勻飽滿、表面光潔、顏色基本一致，用小錘敲破漿體找出錨固劑與砂漿的分界面，準確測量得出錨固劑的實際充填長度；②注漿密實度用錨桿無損檢測儀實測檢查。

通過剖管驗證實際錨固劑充填長度，推算得出3 m錨固劑需用量精確值：81支、76支、77支，取平均值，即為78支，由此可以確定：3 m長度φ68內徑PVC管的錨固劑藥卷用量為78支。

PVC管與鉆孔的差異分析：3 m長度φ68內徑PVC管的錨固劑藥卷用量為78支，其填充體積為[(68/2)2×3.14-804.2]×3 000=8 476 920(mm3)，而實際鉆孔的φ64孔徑3 m長的體積為[(66/2)2×3.14-804.2]×3 000=7 845 780(mm3)(考慮多臂鉆鉆孔實際孔徑略大于鉆頭直徑，計算式取66 mm)，由此可知：現場實際施工的3 m長錨固段需用錨固劑藥卷量為：N’=7 845 780×78÷8 476 920≈73(支)。

錨桿無損檢測結果顯示，3根PVC管模擬錨桿密實度均大于90%，滿足預應力錨桿的質量要求。

3.2試驗二：內錨段長度試驗

2014年10月13日，在1#泄洪洞邊墻位置進行了現場內錨段長度試驗。試驗為短錨桿，共6根，即內錨段長度分別為1 m、2 m、3 m，各兩根，自由段均為1 m。根據試驗一，計算得錨固劑用量分別為25支、49支、73支。在邊墻布置水平錨桿孔φ64，孔深2 m、3 m、4 m，各兩個孔，內錨段注漿采用風槍，風壓為0.4～0.6 MPa，錨固劑藥卷浸水時間為50～70 s，錨桿φ32，L=2.1 m、L=3.1 m、L=4.1 m，各兩根，車絲長度為50 cm，螺帽、墊板配套，扭力扳手經過率定。試驗先用小量程扭力扳手、后用大量程扭力扳手逐級張拉，同步檢查錨桿是否松動以判定最大錨固力。經過張拉，內錨段長度為2 m、3 m的四根錨桿均達到225 kN，大于超張拉力的要求，內錨段長度為1 m的兩根錨桿張拉至120 kN時，桿體被拉得松動。由該試驗可知，采用MJK4型錨固劑藥卷作內錨段材料，內錨段為2～3 m時所承受的拉力滿足設計要求。結合類似工程經驗，實際施工中推薦內錨段的長度為3 m。

3.3試驗三：現場工藝性試驗

(1)第一次試驗(一次注漿工藝)：

2014年10月13日13：59至15：05，在1#泄洪洞K0+740～K0+760頂拱位置進行了生產性試驗，根據前兩次試驗確定的參數，在頂拱用多臂鉆造3個錨桿孔。錨桿孔徑為64 mm，孔深8.5 m，錨桿φ32，L=9 m，車絲50 cm，螺帽、錨墊板配套。采用一次注漿工藝：內錨段長度為3 m，內錨段采用風槍注裝MJK4型錨固劑藥卷73支，自由段采用注漿機灌注緩凝砂漿，內錨段和自由段注漿結束后，采用吊車平臺配合人工安裝錨桿。同日晚21：18至次日01：30對注裝完成的三根錨桿進行了張拉，滿足設計張拉要求。

7 d齡期后進行無損檢測，一次注漿工藝三根錨桿的密實度均大于90%，滿足設計要求。

(2)第二次試驗(二次注漿工藝)：

2014年10月17日，在1#泄洪洞K0+740～K0+760頂拱位置進行了生產性試驗，根據前兩次試驗確定的參數，在頂拱用多臂鉆造3個錨桿孔。錨桿孔徑為64 mm，孔深8.5 m，錨桿φ32 ，L=9 m，車絲50 cm，螺帽、錨墊板配套。采用二次注漿工藝：內錨段長度為3 m，內錨段采用風槍注裝MJK4型錨固劑藥卷73支，隨后即用吊車平臺配合人工安插錨桿，上午9：54至11：02完成了三根錨桿的錨固劑注入和錨桿安插。晚上18：20至22：57對三根錨桿進行了張拉，滿足設計張拉要求。最后用注漿機實施了自由段砂漿灌注，結束試驗。

7 d齡期后進行無損檢測，二次注漿工藝三根錨桿的密實度均大于90%，滿足設計要求。

(3)張拉。

預應力錨桿張拉執行《白鶴灘水電站泄洪洞洞身開挖及支護施工技術要求》，先預緊再正式張拉，結合《錨桿噴射混凝土支護技術規范》，采取分級張拉工藝，分級張拉力為：20%t(預緊張拉力)→50%t→75%t→100%t→110%t(t為設計張拉力，150 kN)。試驗時增加了兩級超張拉：→130%t→150%t，張拉時扭力板手力矩分級則按照扭力板手“力矩-張拉力”率定曲線和預應力錨桿分級張拉力進行確定，每張拉一級持荷穩定10 min。

(4)張拉伸長值。

預應力錨桿的檢查驗收以張拉力為主，伸長值為輔。根據《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086-2001)要求，“從50%拉力設計值到最大試驗荷載之間所測得的總位移量，應當超過該荷載范圍自由段長度預應力筋理論彈性伸長值的80%，且小于自由段長度與1/2錨固段長度之和的預應力筋的理論彈性伸長值。”

由材料力學公式計算理論伸長值：

伸長值△L=(P×L)/(A×E)

式中P為張拉力；L為張拉段長度；A為φ32鋼筋的公稱截面積，即804.2 mm2；E為鋼筋的彈性模量，200 GPa。

則“從50%拉力設計值到最大試驗荷載之間的”理論伸長值ΔL1=80%×(165×5 500)/(804.2×200)=4.5(mm)，“小于自由段長度與1/2錨固段長度之和的”理論伸長值ΔL2=(165×7 000)/(804.2×200)=7.2(mm)，得出桿體理論伸長值允許范圍為4.5～7.2 mm。

經檢查，以上一次注漿工藝和二次注漿工藝試驗的張拉伸長值均滿足驗收要求。

4試驗結果及分析

4.1試驗一

試驗一在進行MJK4型錨固劑藥卷用量確定時，采用8.5 m長度、φ68 PVC管與現場鉆孔工況近似，取三根剖管后的換算值的平均值找出3 m錨固長度用量，該方法能夠真實地反映出各方面因素、比較準確。試驗得出的3 m長度、φ68內徑PVC管的錨固劑藥卷用量為78支，與理論計算量47支相差較大，返算富余系數k=78÷47≈1.66。分析其中66%的損耗因素主要包括：(1)MJK4型錨固劑藥卷浸水后漿液化，體積收縮較大；(2)風槍注漿管的管路較長，損耗較大，考慮到泄洪洞洞內施工作業空間，需要一定長度的注漿管路。

從對PVC管進行剖管的結果看，三根模擬錨桿注漿飽滿度均達到90%以上，滿足《白鶴灘水電站泄洪洞洞身開挖及支護施工技術要求》第5.3.10項的錨桿質量檢查要求。

4.2試驗二

試驗二對比了不同長度錨固段的張拉力。由對比結果可知：采用MJK4型錨固劑藥卷作內錨段材料，內錨段為2～3 m時所承受的拉力滿足設計要求。考慮到實際施工中的圍巖軟弱程度變化、圍巖裂隙造成錨固劑流失等其它不利因素，實際施工選擇內錨段為3 m較為合適。

4.3試驗三

試驗三驗證了各項工藝參數，并經無損檢測密實度滿足質量要求。為保證密實度，在施工過程中應特別注意操作細節：①在用風槍注入錨固劑藥卷過程中，注漿管拔出速度不能過快，否則會造成后注入的錨固劑藥卷與先注入的錨固劑藥卷之間摻入氣泡，影響密實度。為了盡可能減小氣泡的產生，一方面可調整風壓，一般將風壓控制在0.4～0.6 MPa較為合適；另一方面在錨固劑藥卷注裝過程中，每注裝一節錨固劑藥卷，注漿管需退出4～5 cm。②預應力錨桿桿體安裝采用人工配合吊車安裝，只要吊車頂推和人工輔助操作協調配合，保證錨桿穿插角度與孔向一致、緩慢順直插入，即可避免錨桿被推彎曲變形、孔內漿體劇烈擾動流失或桿頭錯誤頂壓造成孔壁坍塌，從而導致安裝失敗，否則將重新清孔返工。

5結語

(1)本次工藝試驗成果證明：針對設計規格為φ32，L=9 m，T=150 kN的預應力錨桿，選用MJK4型錨固劑藥卷作內錨段材料完全能夠滿足張拉力要求，建議內錨段長度按3 m用于實際施工。

(2)實際施工中，預應力錨桿采用多臂鉆造孔，采用φ64鉆頭。考慮到實際孔徑略大于鉆頭直徑，將錨固劑藥卷用量定為73支。

(3)內錨段采用風槍注裝錨固劑藥卷、自由段采用注漿機注入砂漿的工藝，經PVC管模擬試驗和現場工藝試驗效果檢查，密實度均超過90%，滿足設計技術要求，說明該注漿工藝有效可靠。

(4)當采用一次注漿工藝時，必須控制內外凝結時間差。通過對MJK4型錨固劑藥卷及緩凝砂漿的室內試驗，內錨段采用的MJK4型錨固劑藥卷初凝時間為38 min，終凝時間為61 min，6 h抗壓強度達24.4 MPa；而緩凝砂漿的初凝時間大于9 h，因此建議實際施工中錨桿安裝后7～9 h張拉，可滿足張拉錨桿的施工要求及有關技術要求。

(5)當采用二次注漿工藝時，只需控制錨桿安裝后8 h以上張拉即可，但須考慮在柱狀節理區、Ⅳ類圍巖區及時形成預應力，確保預錨支護效果，而不宜放置過長時間，應適時張拉錨固并灌注自由段砂漿。

(6)將兩種工藝相比較后得知：一次注漿工藝張拉時間區間較窄，因此，從有利于工序銜接控制、確保施工質量角度考慮，建議優先采用二次注漿工藝。

陳斌(1987-)，男，湖北宜昌人，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術和管理工作；

朱毓杰(1986-)，男，吉林榆樹人，工程師，學士，從事水利水電工程建設技術與管理工作；

劉寧(1981-)，男，河北石家莊人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

新疆將投資354億元打造“疆電外送”基地

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收稿日期:2015-07-10

文章編號:1001-2184(2015)04-0046-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV554;TV546

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