強巖爆隧洞機械漲殼式預應力中空錨桿支護技術

趙應文

(中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司，廣東 深圳518083)

1 概 述

1.1 漲殼式中空預應力錨桿簡介

漲殼式中空預應力錨桿由漲殼錨頭、桿體、墊板和螺帽組成。除此之外，若錨桿長度較長時還可有鏈接套進行連接。目前，經常使用的漲殼式預應力錨桿構成基本類似，無非是漲殼錨頭不盡相同，但作用基本相同。本文選用錦屏二級水電站引水隧洞使用的某生產廠家生產的EX 型漲殼式預應力錨桿為例進行研究，如圖1。

圖1 EX 型漲殼式預應力中空錨桿組成實物示意圖

1.2 錦屏二級水電站引水隧洞概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3 縣交界處的雅礱江干流錦屏大河彎上，是雅礱江干流上的重要梯級電站。錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km的引水隧洞，截彎取直，獲得水頭約310 m。電站總裝機容量4 800 MW，單機容量600 MW。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統、尾部地下廠房3 大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。

錦屏二級水電站引水系統采用4 洞8 機布置形式，從進水口至上游調壓室的平均洞線長度約為16.67 km，中心距60 m，洞主軸線方位角為N58°W。引水隧洞立面為緩坡布置，底坡3.65‰，由進口底板高程1 618.00 m降至高程1 564.70 m與上游調壓室相接。引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深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。引水隧洞沿線以大理巖為主，從東至西主要巖性為:T2y6 灰黑色中薄層狀細晶大理巖、T2y5 黑色中細晶后層大理巖、T2y4 灰黑·灰白色云母條帶狀細晶大理巖、T2y6 灰黑色中薄層狀細晶大理巖、T2y6 灰黑色中薄層狀細晶大理巖、T2b 中厚層狀灰黑色大理巖夾薄層大理巖、T2b 中厚層狀灰白色中粗晶大理巖、T2b 灰白色厚層花斑狀粗晶大理巖等。區內斷層、裂隙發育，其中6 km ～10 km為埋深最大，且以T2b 圍巖為主的地帶，巖爆頻繁，采用鉆爆法分上、下斷面臺階法開挖，錨噴支護。

在6 ～10 km強巖爆段，上斷面采用Φ32，L =6.0m 漲殼式中空預應力錨桿，桿體延伸率≥16%，間排距1m×1m，M30 水泥砂漿注漿。錨桿距離開挖掌子面≤15 m。

2 漲殼式中空錨桿支護原理

漲殼式預應力錨桿提供的抗剪力、抗拉力，以及錨桿的錨固力使將要滑動的巖塊得以穩定，阻止層面的互相錯動。施工時，錨桿應按與巖層層面垂直的方向設置。鉆爆法開挖后，原有應力場遭到破壞，圍巖在臨空面作用下進行應力重分布，由于隧洞埋深大，圍巖應力較高，重分布帶來的圍巖應變相應變大，在達到巖石應變極限情況下，可能發生巖爆;在圍巖軟弱地帶則可能形成坍塌、掉塊等擠壓破壞［1］。根據“新奧法”經典理論，圍巖本身具有“自承”能力，若采用正確的設計施工方法，最大限度地發揮這種自承能力，即可以使得經濟效果達到最佳。因此，在開挖后在圍巖由于應力重分布引起松弛前進行及時的預應力作為支護抗力，則可大大減小圍巖的松弛位移，減輕了圍巖的坍塌變形;同時，較大的延伸率又不會使錨桿產生斷裂，而是與圍巖的收斂同步變形。錨桿注漿將中空桿體及圍巖黏結成為整體，密室的漿液結實體使錨桿、圍巖的應力傳遞更為緊密，基本達到同步傳遞的效果。

3 施工工藝

3.1 施工條件

引水隧洞漲殼式中空預應力錨桿施工條件包括:必要的風、水、電，以及鉆孔機械、注漿機械、拌漿機械、預應力施加設備等。施工環境條件包括足夠的照明條件、通風條件、經防護的安全施工場地等。

3.2 施工機械

施工機具主要有鉆孔設備，注漿設備和加力設備。錨桿施工采用機械鉆孔、機械注漿，扭力扳手加力。錨桿鉆孔采用機械鉆孔，阿特拉斯三臂鑿巖臺車鉆孔，孔徑Φ76 mm。錨桿注漿采用砂漿注漿泵，注漿壓力0.3 MPa。錨桿加力采用扭力扳手人工加力80 kN。

3.3 施工工藝

1)錨桿鉆孔。錨桿鉆孔孔徑較大，需要Φ76 mm孔徑，必須采用扭矩較大的機械鉆孔，實踐中采用Atlas 生產的三臂臺車施工，鉆孔效率較高，但占用空間大，動力要求高。鉆孔后采用高壓風水沖洗孔內沉渣，對塌孔洞段進行二次或多次掃孔。

2)錨桿安裝。先將漲殼錨固件(錨頭)拼裝好后安裝在錨桿端頭，再用鐵線將錨頭綁扎牢固，但不宜太過結實，防止錨頭無法正常張開錨固。將安裝好錨頭的錨桿插入錨孔，安裝好排氣管、錨墊板及止漿塞，然后用螺帽固定錨桿及墊板，至人力無法扭動為止。

3)錨桿加力。加力前對扭力扳手進行率定，率定合格后才能對錨桿加力。用扭力扳手對螺帽進行旋鈕至率定書上規定的加力標準時，達到80 kN預應力。

4)錨桿注漿。加力完畢后采用低壓水泥砂漿泵注漿機進行注漿。注漿前先用高壓風沖洗孔內確保桿體暢通。將經過試驗配制的M30 水泥砂漿利用砂漿注漿機通過桿體注入孔內，注漿至0.3 MPa壓力為止。

4 效果評價

效果評價如下:①漲殼式中空預應力錨桿及時支護對圍巖的的松弛變形是有效的;②漲殼式中空預應力錨桿施工簡單、方便，對施工條件要求寬松;③可以實現快速施工，比同類預應力錨桿施工更為方便。

5 改進及發展方向

5.1 工藝的不足之處

有待改進之處主要有:①錨桿安裝后，通過鉆機旋轉摩擦使束縛其錨頭的鐵絲斷裂而使錨頭漲開有一定的失敗率，失敗后錨頭一般無法取出，同時該錨桿也可能失效無法加力。操作上也耗時耗力，不夠先進;②扭力扳手人工加力雖然解決了精確加力的目的，但加力效率低，拱頂登高部位施工占用空間大。

5.2 發展及改進

根據工程實踐，建議在以后的發展中，漲殼式中空預應力錨桿應該注意如下方面的改進:①耐腐蝕桿體材料的開發，使錨桿適用范圍進一步拓寬;②錨頭的固定方式應該進行必要的優化，使工藝上更為科學、可靠;③開發更為有效的加力設備、張拉設備，如動力便攜式加力設備;④支護后發生巖爆劈裂破壞后如何利用已支護的錨桿進行加固?應進一步研究。

［1］馮夏庭，張傳慶，陳炳瑞，等. 巖爆孕育過程的動態調控［J］. 巖石力學與工程學報，2012，31(10):1983 －1997.