復雜地質(zhì)條件下預應力錨索成孔技術(shù)研究

曾 鳴， 丁 善 鋒

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴塘水電站位于金沙江上游河段,右岸為西藏昌都地區(qū)的芒康縣,左岸為四川甘孜藏族自治州的巴塘縣,是金沙江上游河段水電梯級開發(fā)十三級中的第九級電站。電站以發(fā)電為主﹐為二等大(2)型工程。正常蓄水位高程2 545 m,總庫容1.41 億 m3,總裝機容量為750 MW,多年平均發(fā)電量為33.75億kW·h,裝機年利用小時數(shù)為4 500 h。

電站左岸邊坡頂高程為2 712 m，最大開挖支護高度約為270 m，分17級邊坡進行支護，每級邊坡垂直高度設(shè)計為15 m，共布置無黏結(jié)預應力錨索2 000多束。為保證邊坡的穩(wěn)定及施工期安全，邊坡支護的設(shè)計形式有淺層支護、中部支護和深層支護，其中深層支護為1 000 kN -45 m和1 000 kN-35 m兩種無黏結(jié)預應力錨索[1]，錨固段長度均為7 m，終孔孔徑不小于120 mm，錨索造孔下傾角度為15°，孔斜偏差不得大于2 %。

巴塘水電站左岸邊坡地質(zhì)條件復雜，坡面基巖大面積裸露，巖性為黑云母石英片巖，巖體風化、卸荷劇烈成堆積體，邊坡松散，其中強風化帶厚20 ～32 m，弱風化帶厚30 ～35 m，卸荷帶厚度基本與強風化帶一致，有F50斷層破碎帶和雄松～蘇洼龍斷裂的分支斷層F11分布，對錨索成孔極為不利。

受邊坡巖石破碎、強風化程度高、卸荷裂隙發(fā)育等影響，經(jīng)常發(fā)生塌孔、掉塊、卡鉆、串風、漏風、掉鉆以及打斷鉆桿和管靴等問題，致使錨索造孔時間延長(YXZ-70A鉆機每孔平均歷時為2.5 d)且廢孔率高。成孔率低嚴重影響到左岸邊坡的支護施工進度，不僅施工成本高，而且對2020年底導流目標的實現(xiàn)造成較大考驗。自移交工作面兩個月來僅完成了第四級邊坡的支護施工，剩余工程量較大，工期緊，錨索成孔已成為影響錨索施工全工序中的關(guān)鍵工序，占用了錨索施工直線工期。為提高錨索成孔率，加快邊坡施工進度，迫切需要針對左岸邊坡錨索成孔率低的難題進行錨索成孔生產(chǎn)性工藝試驗，比選最佳成孔工藝，用以指導邊坡錨索施工以扭轉(zhuǎn)支護進度慢的現(xiàn)狀。

2 試驗方案

2.1 試驗目的

(1)通過錨索成孔生產(chǎn)性試驗進行工效分析與經(jīng)濟性對比，確定適合的錨索造孔設(shè)備，驗證固壁灌漿在造孔過程中的效果，確定適合巴塘水電站左岸邊坡的錨索造孔施工工藝。

(2)通過錨索成孔生產(chǎn)性試驗，檢驗并揭示影響錨索承載力的各種因素，驗證并確定設(shè)計參數(shù)，熟悉、檢驗施工工序并優(yōu)化施工工藝，為大規(guī)模施工提供參考數(shù)據(jù)，積累施工經(jīng)驗。

2.2 方案一：全跟管+預注漿

該方案錨索造孔采用全孔跟管至設(shè)計深度，達到設(shè)計孔深后拔出跟管，將拔管長度控制為10～12 m，拔管完成后立即對套管拔出部分的孔段進行預注漿[2]處理，預注漿完成、待凝8 h后掃孔下索。試驗孔為左岸第五級邊坡A區(qū)第一排32號錨索，孔深45 m，超深不大于0.2 m；B區(qū)第一排34號錨索，孔深35 m，超深不大于0.2 m(設(shè)計技術(shù)要求)。

2.3 方案二：跟管+錨固段固壁[3]+預注漿

該方案錨索張拉段采用跟管方式造孔，錨固段采用固壁灌漿[4]輔助造孔，達到設(shè)計孔深后對錨固段進行預注漿處理，預注漿完成待凝8 h后掃孔下索。試驗孔為左岸第五級邊坡A區(qū)第一排5號、6號錨索，孔深均為45 m，超深不大于0.2 m。

2.4 方案三：全固壁

該方案錨索造孔采用全孔固壁方式造孔，達設(shè)計孔深后直接下索。試驗孔為左岸第六級邊坡A區(qū)第一排25號錨索，孔深45 m，超深不大于0.2 m；C區(qū)第一排31號錨索，孔深35 m，超深不大于0.2 m。

3 試驗準備

3.1 試驗設(shè)備

根據(jù)巴塘水電站左岸邊坡地質(zhì)條件和現(xiàn)場施工條件，本次無黏結(jié)預應力錨索造孔試驗設(shè)備選用YXZ-70A型錨固鉆機和HM-90A履帶鉆機，配置同心鉆具以形成滿足設(shè)計要求的孔徑，現(xiàn)場配置一套孔內(nèi)攝像儀器用于錨索孔孔壁檢查，及時了解孔內(nèi)狀況以指導施工和參數(shù)調(diào)整。

灌漿設(shè)備選用3 SNS灌漿泵、擠壓灌漿泵和1 000 r/min高速制漿機。灌漿記錄儀使用HSD 610記錄儀，配套檢測合格的電磁流量計和壓力變送器及孔口灌漿壓力表，使用前所有儀器設(shè)備全部校定合格并報送至監(jiān)理方審核后使用。

3.2 試驗材料

固壁灌漿和預注漿選用四川峨勝 P.O.42.5 級普通硅酸鹽水泥。拌制砂漿用砂采用粒徑為0～2.5 mm的天然砂，天然砂使用前應經(jīng)篩分并清洗干凈。外加劑使用“晉川”牌減水劑與速凝劑。

錨索造孔過程中固壁灌漿采用M30砂漿，錨固段預注漿采用M35凈漿。漿液配合比均需經(jīng)監(jiān)理工程師批準后使用。錨索造孔漿液配合比統(tǒng)計情況見表1。

表1 錨索造孔漿液配合比統(tǒng)計表

4 試驗孔施工過程

4.1 方案一：全跟管+預注漿

該方案采用同心鉆頭跟管造孔，跟管直徑為146 mm，壁厚7 mm，鉆機為YXZ-70型錨固鉆機，同心鉆頭。預注漿采用M35水泥凈漿，砂漿采用摻5 %速凝劑的M30水泥砂漿。

左岸第五級邊坡A區(qū)第一排32號錨索造孔：跟管造孔至孔深42 m處，跟管管靴斷裂，無法跟管鉆進，42～45 m孔段由同心鉆頭裸鉆鉆進完成。達到設(shè)計孔深后對42～45 m孔段進行固壁灌漿，待漿液起強后掃孔拔除錨固段跟管，拔出跟管9根。孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)套管距離孔底13.5 m以及約6 m處孔壁出現(xiàn)孔壁坍塌(32號孔預注漿前孔內(nèi)攝像資料見圖1)，孔壁裂隙極為發(fā)育，巖石呈塊體，顏色為青色。根據(jù)孔內(nèi)攝像情況和試驗要求對錨固段進行了水泥預注漿。注漿45 min未起壓，改注M30水泥砂漿，灌漿壓力達到0.5 MPa后穩(wěn)壓30 min結(jié)束灌漿。預注漿完成后，拔出止?jié){塞[5]待凝(8 h)后掃孔，孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)孔壁完整，滿足下索條件。32號孔預注漿后孔內(nèi)攝像資料見圖2。

圖1 32號孔預注漿前孔內(nèi)攝像資料

圖2 32號孔預注漿后孔內(nèi)攝像資料

左岸第五級邊坡B區(qū)第一排34號錨索造孔：34號孔全孔跟管至設(shè)計深度35 m，造孔完成后拔出套管4根(6 m)時套管被拔斷，錨固段長度不滿足設(shè)計要求，同心鉆頭裸鉆增加孔深至36 m。拔管后對錨固段進行孔內(nèi)攝像時發(fā)現(xiàn)：孔壁巖體呈青色，錨固段整體成孔良好，局部受裂隙切割影響呈塊體，未出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌。對錨固段預注M35水泥凈漿45 min未起壓，后改注M30濃砂漿；在灌漿壓力達到0.4 MPa后，穩(wěn)壓30 min結(jié)束灌漿。預注漿完成后，拔出止?jié){塞完成掃孔，孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)孔壁完整程度滿足下索條件。

4.2 方案二：跟管+錨固段固壁

該方案采用φ120 mm直釬偏心鉆具跟管造孔，跟管直徑為146 mm，壁厚7 mm，鉆機為HM-90A型履帶鉆機，固壁采用摻5 %速凝劑的M30水泥砂漿，預注漿采用M35水泥凈漿。

第五級邊坡A區(qū)第一排5號錨索(45 m)：跟管鉆進至34.5 m后停止跟管，后續(xù)34.5～45 m孔段采用固壁掃孔工藝造孔，固壁掃孔循環(huán)2次，采用M30砂漿固壁，耗用水泥1 500 kg，掃孔后通過孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)孔壁局部固壁效果不理想(5號孔固壁灌漿后的效果見圖3)。為減少錨固段注漿量，對錨固段預注了M35水泥凈漿，注漿45 min未起壓，在灌漿壓力達到0.4 MPa后穩(wěn)壓30 min結(jié)束灌漿。預注漿完成后，拔出止?jié){塞完成掃孔，孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)孔壁的完整程度滿足下索條件。5號孔預注漿后取得的效果見圖4。

圖3 5號孔固壁灌漿后效果圖

圖4 5號孔預注漿后效果圖

第五級邊坡A區(qū)第一排6號錨索(45 m)：跟管鉆進至34.5 m后停止跟管，后續(xù)34.5～45 m孔段采用固壁掃孔工藝造孔，固壁掃孔循環(huán)3次，采用M30砂漿固壁，耗用水泥1 000 kg，掃孔后孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)孔壁出現(xiàn)裂縫。該孔與第五級邊坡A區(qū)第一排5號錨索錨固段一樣采用預注漿措施，重新掃孔后，孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)孔壁完整程度滿足下索條件。

4.3 方案三：全固壁

該方案采用φ130 mm同心直釬鉆頭造孔，鉆機為YXZ-70錨固鉆機，固壁采用摻5%速凝劑的M30水泥砂漿。

左岸第六級邊坡A區(qū)第一排25號錨索(45 m)：固壁6次，鉆孔孔深25 m，耗用水泥量為6.3 t。掃孔時因塌孔將鉆桿卡死導致鉆桿、沖擊器和鉆頭全部無法取出，成為廢孔。

左岸第六級邊坡C區(qū)第一排31號錨索(35 m)：固壁7次，成孔孔深18.5 m，耗用水泥量達4.5 t。該孔因已固壁過的孔段再次出現(xiàn)塌孔而停止造孔，不再進行試驗。

5 成果分析

5.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗過程中，詳細記錄了各方案施工過程中取得的試驗數(shù)據(jù)用于分析總結(jié)，確定和固化施工參數(shù)以指導后期錨索施工。各方案施工過程取得的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況見表2。

表2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5.2 成孔工藝分析

(1)試驗方案一采用同心鉆具全孔跟管造孔的造孔工藝，試驗方案二采用自由段偏心鉆頭跟管造孔和錨固段固壁造孔的施工工藝，試驗方案三采用全孔固壁掃孔造孔的施工工藝。方案一和方案二錨索造孔工藝均成孔，順利下索；方案三造孔失敗，無法下索。

(2)由表2得出：方案一32號孔跟管42 m，未達到設(shè)計孔深45 m，后續(xù)固壁成孔方式采用方案二跟管+固壁工藝成孔；34號孔因錨固段跟管未拔完而造成錨固段長度不足，存在錨固段套管未全部拔出的風險，后續(xù)錨索孔加深1 m，導致造孔和錨索成本增加。

(3)方案二采用跟管+固壁工藝造孔，錨索孔固壁長度短，經(jīng)孔內(nèi)攝像儀器判定錨固段成孔巖體完整時，可不進行預注漿而直接下索。

(4)方案一和方案二均對錨固段進行了預注漿處理，重新掃孔后，孔內(nèi)攝像儀器發(fā)現(xiàn)錨固段內(nèi)的裂隙被水泥結(jié)石填充，孔壁完整，均成功實現(xiàn)下索。

5.3 試驗功效及結(jié)論

由表2中的試驗數(shù)據(jù)可以看出：方案一和方案二中的錨索孔成孔時間約為2 d，方案三僅完成約25 m長的錨索造孔，兩孔均未成孔，造孔時間超過4 d，已固壁孔仍存在塌孔風險，同時不滿足進度要求。方案二驗證了HM-90A履帶鉆機配偏心鉆頭跟管鉆孔工藝可行，鉆機轉(zhuǎn)移時間短，工效高，對加快支護施工進度和節(jié)約施工成本有利。

“跟管+固壁的施工工藝”為跟管至距離設(shè)計孔底10～12 m，剩余孔段采用固壁成孔。下索前進行預注漿，預注漿措施可有效減少下索后錨固段的注漿量，易達到設(shè)計結(jié)束標準，有利于加快邊坡的施工進度。后續(xù)施工固化了錨索成孔工藝，對左岸邊坡支護形成規(guī)模施工。在實施固壁和預注漿措施后，及時采用液壓拔管機松動套管以降低下索后的拔管難度。錨固段固壁成孔巖體完整時，在錨固段與張拉段之間增加止?jié){袋后可不進行預注漿而直接下索，約束漿液在錨固段內(nèi)以減少漿液滲透進入自由段注漿，達到提高固壁段注漿質(zhì)量的目的。

6 結(jié) 語

實踐證明：“跟管+固壁的施工工藝”更適合于巴塘水電站左岸邊坡的復雜地質(zhì)條件，固壁灌漿和預注漿有利于改善錨索錨固段的成孔質(zhì)量，止?jié){袋有利于提高錨固段的注漿質(zhì)量并減少注漿量。孔內(nèi)攝像成果證明該錨索成孔工藝可行，措施得當，成孔率高。項目部技術(shù)人員針對復雜地質(zhì)條件下無黏結(jié)預應力錨索成孔技術(shù)提出了切實可行的施工方法并予以實施,獲得了成功，積累了豐富的施工經(jīng)驗，可為類似工程借鑒。