機械漲殼式預應力中空注漿錨桿在烏弄龍水電站的應用

【摘要】機械漲殼式預應力中空注漿錨桿作為一種新型的錨桿形式，其既能發揮普通錨桿的錨固作用，又能將灌漿融合起來，聯合改進圍巖的受力條件。這種錨桿施工方便，能夠在最短時間內發揮錨固作用，使圍巖的應力場從二次應力場迅速轉變為三維應力場，有效抑制巖爆、圍巖變形的發生與發展，對支護部位的穩定非常有利。筆者寄希望通過對其原理和施工技術的總結，對該類錨桿的應用起到推廣作用，使支護形式增加一種錨固形態。

【關鍵詞】漲殼式錨桿；施工方便；應用；推廣

1、概述

機械漲殼式預應力錨桿中空注漿錨桿（以下簡稱為漲殼式錨桿）主要應用于尾調室頂拱，尾調室最大開挖尺寸116.5m×20.0m×65.9m（L×B×H），頂拱為半徑分別為R1300cm和R400cm的“三心拱”。頂拱圍巖以淺灰～深灰色砂質、泥質板巖夾薄層～中厚層狀變質砂巖為主，少量灰～灰綠色厚層～巨厚層狀變質石英中～細砂巖，巖層產狀NW3500～NE50NE（SE）∠800～870，與調壓室軸線夾角400～550。漲殼式錨桿支護參數為150KN預應力Φ32mm錨桿、L=9.0m（外露15cm）、間排距3m×3m，與Φ28mm普通錨桿交錯布置。

2、工作原理分析

漲殼式錨桿屬于端頭錨固錨桿，前端有一金屬楔形漲殼頭，將錨桿送入設計位置后，漲殼頭完全打開，并與圍巖形成摩擦力，然后擰緊螺母，從而實現錨固作用，安裝后很快形成拉應力拱區，使洞壁圍巖的應力場狀態從二次應力場迅速轉變為三維應力場，能有效抑制巖爆、圍巖變形的發生與發展。

簡單來說，漲殼式錨桿是在中空注漿錨桿的前段增加一個可以漲縮的金屬漲殼錨固件，該錨固件平時外徑處于最小，安裝時隨錨桿體一起被塞入錨桿孔中，直至撐緊在鉆孔壁上，漲殼頭完全張開，形成錨固力。施加預應力時，隨著錨桿體張拉力的增大，錨固件與鉆孔壁間的摩擦阻力也隨之增大，發揮錨固作用。漲殼式錨桿樣式圖見圖1。

3、漲殼式錨桿的特點

漲殼式錨桿最大的特點是操作簡單，使用方便，能在開挖后立刻發揮預應力以減少或阻止圍巖的松動和變形。

采用注漿與漲殼頭鎖緊兩種不同性能支護的組合結構進行聯合支護，能發揮兩種支護形式的各自特點，實現圍巖長期穩定。

漲殼式錨桿采用優質專用螺紋鋼制造，經過特殊的加工工藝，充分利用了錨桿桿體的力學性能，使桿體強度和桿體尾部螺紋強度一致。 漲殼式錨桿能在錨桿全長充沛錨固，施工時配用高強度快速安裝扭矩螺母和球形托盤，不存在力學弱面，具有承載強度高、錨固可靠、伸長率好、適合快速安裝施工等特點。

4、現場工藝試驗

4.1 室內試驗

在漲殼式錨桿施工前，需在室內進行相關試驗，主要為中空錨桿水泥凈漿配合比試驗、水泥錨固劑凝結試驗與抗壓強度檢驗和扭力扳手的率定試驗。

4.2 鉆孔直徑確定

Φ32mm漲殼式錨桿錨頭直徑為55mm，為保證錨頭順利插入孔內且能順利打開漲殼頭進行錨固，鉆孔時分別使用Φ57mm、Φ64mm兩種規格尺寸鉆頭進行試驗。經現場對比試驗后，采用Φ64mm孔徑即可滿足要求。

4.3 造孔

采用多臂鉆造孔，每根錨桿鉆孔時間一般在10min～15min，施鉆結束后，采用風和水對鉆孔進行清洗，然后檢測孔深，合格后，進行孔口保護。

4.4 安裝及封孔

采用人工利用8t吊車自制的作業平臺進行安裝。因桿體較輕，2人即可安裝錨桿，且耗時較短，一般在10min～15min。錨桿安裝完畢后即可進行封孔，采用速凝高強錨固砂漿將孔口封堵并找平，安裝鋼墊板及配套螺母。

4.5 張拉

錨桿張拉機具采用預置式TG型200-1000N·m扭力扳手。張拉施工前，將張拉機具進行率定。扭力扳手在試驗室采用SDMG-15T型錨桿測力計進行率定，率定結果見圖2。

根據室內率定成果，由上表回歸方程可知，采用SDMG-15T型錨桿測力計時，要使預應力錨桿達到T=150kN的初始預應力，1#扭力扳手所對應的扭矩值為515N·m。

張拉先按照20%設計張拉荷載對錨桿進行預張拉1～2次，使其各部位接觸緊密，然后分別按450N·m、500N·m、550N·m、600N·m逐級張拉，每級持荷5分鐘，測讀相應的桿體伸長值，并做好記錄。當加荷至1.10T（T=150KN）桿體伸長值無變化時，持荷鎖定，拆除機具。

4.6 注漿

采用注漿管進漿，漿體逐漸充溢鉆孔并向上流動。此時中空錨桿體的空腔成為排氣道，當空氣排完時，注漿體從漲殼錨固件尾端進漿，充滿空腔，從錨桿頭流出，注漿完成。

4.7 質量檢測

采用錨桿無損檢測儀【型號：JL-MG（D）】對密實度進行檢測，發現僅局部出現輕微不密實現象，注漿密實度均在80%以上，均達到Ⅱ級及以上標準，高于常規部位錨桿支護密實度規范要求，取得了良好的支護效果。

5、現場施工方法

經過工藝試驗，總結出適合于本工程的施工方法。

5.1 鉆孔

采用全站儀按照設計間排距測放并標示孔位，然后多臂鉆造孔。為控制孔向及傾角，開孔前用羅盤對鑿巖機導軌的方向及傾角進行測量，合格后，用半功率開孔，開孔深度達0.5m時，再次對孔向及傾角進行復核，確保無誤后，采用全功率鉆進，直至鉆孔結束，每根錨桿鉆孔時間一般在10min～15min。對孔深的控制，采用在鉆桿上作好標記，施鉆結束后，采用壓力水對鉆孔進行清洗，然后檢測孔深，合格后進行孔口保護，移交下道工序。

5.2 安裝與張拉

（1）采用三臂臺車配合人工將錨桿體送入孔內，使用廠家配置專用連接套筒轉動錨桿桿體，使鋼質錨頭漲開與巖壁緊密接觸以達到錨固目的。

（2）保證錨桿與墊板垂直，使錨桿軸向受力。

（3）放入止漿塞和錨墊板，并安裝排氣管，旋上螺母，并使錨桿桿體位于錨桿孔的中部，并使用六角扳手預緊。

（4）根據設計要求初始預應力值，使用扭力扳手施加預應力。扭力扳手使用前將扭力扳手設定到相應的扭矩值，由三臂臺車或吊車加吊籃作為作業平臺，兩人協作，采用管子鉗共同施加預應力。當錨桿達到預定應力，扭力扳手達到預設扭矩值時，扭力扳手會發出“咔噠”的響聲。

5.3 注漿

采用專用螺旋砂漿泵進行注漿，該泵的優點在于注漿壓力和流量可調節，壓力動脈小，注漿壓力和流量均勻，使用16t汽車起重機配合人工注漿。注漿時，利用排氣管注漿，中空桿體排氣，直至中空桿體流出漿液方可停止注漿。注漿時注意控制注漿壓力和流量，以防止注漿管爆裂。

5.4 注漿密實度檢測

注漿完成3天后，采用物探的方法對中空錨桿砂漿密實度進行檢測，砂漿密實度不小于75%，且抽查合格率大于90%為合格。

6、質量控制

漲殼式中空預應力錨桿施工工序簡單，需重點控制張拉工序。具體控制環節主要有以下幾個方面：

對漲殼式預應力中空注漿錨桿桿體、水泥等重要材料，要求相關資料齊全，并進行進場抽檢，以確保材質優良。

（2）三臂臺車造孔是質量控制的關鍵環節之一，孔位必須經測量放樣，并用紅油漆標識。液壓鑿巖臺車要選用經驗豐富，責任心強的操作手，開鉆前要認真調整好鉆臂方向，確保孔向垂直巖面在開鉆，鉆桿勻速鉆進，并不斷加水沖洗巖粉。鉆孔準確度高，不但確保了錨固效果，且確保插桿及承壓墊板安裝及張拉施工。

（3）桿體必須輕輕送入錨桿孔中，防止用力過大，漲殼錨固件途中漲開，影響錨固效果。錨桿孔口處采用水泥錨固劑找平，墊板與巖壁充分接觸，錨桿垂直于巖壁，使錨桿有更好的受力。

（4）張拉是最重要的環節，張拉嚴格按技術要求進行分級張拉，全過程嚴格監控，并做好詳實細致的原始記錄。張拉前首先對扭力扳手進行率定，率定合格后再用于張拉施工。施工過程中扭力扳手極易損壞，要求每周率定一次，確保張拉精度。

（5）注漿要密實，注漿后改善弱面的力學性能，提高裂隙的粘聚力和內摩擦角，增大巖體內部塊間相對位移的阻力，使破碎巖塊重新膠結成整體，形成承載結構，提高圍巖的整體穩定性，充分發揮圍巖的自穩能力。

7、結語

通過工藝試驗和施工過程的總結，筆者認為漲殼式錨桿最大的優點在于能在第一時間迅速進行張拉，對支護部位的穩定及早發揮作用。要做好漲殼式錨桿的施工，就應在錨桿施工過程中，嚴格控制施加的預應力是否滿足設計要求。為保證鋼墊板找平高強錨固砂漿的強度，防止出現裂紋，找平前需要對墊板周圍圍巖清洗并對找平高強錨固砂漿進行灑水養護，待速凝高強錨固砂漿強度達到30MPa（6h以上）后即可終止養護。注漿應飽滿，隨時對注漿過程進行監控，確保注漿效果，以充分改善巖體的整體性能。

作者簡介：劉培（1983-），男，工程師，長江勘測規劃設計研究有限責任公司，長期從事水利水電工程施工管理工作