预应力锚杆在隧道开挖支护中的应用

预应力锚杆在隧道开挖支护中的应用二滩国际谢长平摘要：预应力锚杆顾名思义就是通过张拉锚杆对被锚固物体施加预应力进行加固的支护手段。在边坡施工中时是一种常用的比较成熟的施工方法，但在长河坝水电站隧道开挖支护中应用很少。本文结合长河坝水电站场内交通工程金康隧道K3+100m～K3+148m段预应力锚杆的施工实例，介绍一种简易适用的预应力锚杆支护方案，为类似工程提供参考。关键词：隧道、预应力锚杆、施工工艺。一、工程概况长河坝水电站场内交通工程1＃公路为地下厂房进厂交通洞和大坝填筑的主要干线通道，全长8205.18m；主要由金康隧道（全长4530m）和金汤隧道（全长2520m）组成。二、工程地质金康隧道K3+100m～K3+148m洞段，岩性：浅灰色～灰白色块状花岗岩为主，夹少量灰色石英闪长岩，偶见深灰色辉长岩团块，微弱，局部夹层中风化，饱水，软硬相间；地下水大面积渗水，局部呈线流；构造：f17小断层穿过该洞段，f17SN/E∠70°小断层与洞轴线小角度相交，岩石挤压破碎带及短小密集节理带相当发育，节理面锈染，微张，充填断续石英脉，岩体结构破坏严重。金康隧道K3+100m～K3+148m洞段，以岩石挤压破碎带及岩石破碎密集带为主，V级围岩。三、预应力锚杆设计1、预应力锚杆现场试验根据现场情况拟采用预应力锚杆加钢支撑以及挂网喷混凝土进行初期支护，预应力锚杆各技术参数根据现场试验确定。2、预应力锚杆设计拟定锚杆设计张拉力为60KN（依据设计锚杆抗拔力6t），锚杆总长为6.0m，锚固段长2.0m，锚固段采用高强锚固剂材料，28d不小于35Mpa，锚杆孔口承压垫座尺寸为150mm×150mm×10mm，高强螺栓锁定，自由段采用水泥浆灌浆，灌浆管φ1.6PE管，回浆管浆φ1.2PE管，锚杆孔设计钻孔直径为φ64mm，锚杆材料采用直径φ28mm螺纹钢筋，梅花型布置，间排距1m，共计1130根预应力锚杆。2、工程材料设计预应力锚杆材料采用直径φ28mm螺纹钢筋，钢筋采用符合设计要求的Ⅱ级20MnSi螺纹钢筋，且无锈、顺直的整根钢筋加工，不得采用焊接加长。锚杆孔口承压钢垫座、高强螺栓必须符合五金技术规范技术要求；水泥采用鹅塔牌水泥，标号为42.5；高强锚固剂选用郑州兰瑞的MSJK3型。四、施工工艺1、工艺流程张拉预应力锚杆施工工艺流程见如下框图预应力锚杆施工工艺流程图安装垫板、垫圈、螺帽注装高强锚固剂安插预应力锚杆张拉锁定注浆验收评定张拉预应力锚杆及其配件加工、运输不合格施工准备测量放线钻孔清孔检查验收孔口找平合格处理重新报验2、施工方法1）、测量放线测量人员根据设计图纸进行放线：（1）放出预应力锚杆施工区域的起止桩号和基准高程，要求桩号每间隔10m做一个标记，根据需要，部分洞段桩号可适当加密。（2）按支护参数进行预应力锚杆孔位放样，用红油漆做好标识。放样时对孔位进行编号，方便后续张拉施工，编号方法根据情况自定编号，但应遵循以下原则：（1）预应力锚杆应该按同样的方法编号，以保持一致性，如顶拱预应力锚杆编号方法应相同并同边墙预应力锚杆相区别。（2）各次施工的预应力锚杆编号应该具有连续性，最好能同预应力锚杆所在桩号位置相结合。2）、造孔（1）预应力锚杆钻孔采用两臂凿岩台车钻孔，钻孔角度根据所放出的方向线严格控制，造孔时应避让已埋设的永久观测仪器和电缆。根据设计要求，结合钻孔设备的实际技术参数，选用Ф64mm球齿合金钻头，钻孔直径为Ф65mm。（2）施钻时钻头要对准岩壁上预应力锚杆孔孔位标识下钻，开孔偏差不应大于50mm，开孔应用小功率缓慢钻进，钻进约500mm后，校正钻孔方向，全功率钻进。孔深5800mm（±50mm）。（3）洗孔，利用两臂凿岩台车洗孔，当孔内不再有浊水流出时，结束冲洗。3）、注高强锚固剂选用郑州兰瑞的MSJK3型高强锚固剂，注装高强锚固剂时，先根据孔内锚固段的长度在注浆管上做出标记，使用GTMQ28型锚枪将高强锚固剂打入孔内，拔管时要缓慢，每次不大于5cm。张拉预应力锚杆内锚固段设计长度以2.0m计，高强锚固剂正常用量40支左右（大约10～10.5kg）。4）、预应力锚杆制作预应力锚杆、垫板、垫圈等加工在专门的加工厂按照设计要求制作成型，然后用汽车运至施工现场。预应力锚杆杆体采用无锈、顺直的整根钢筋加工，不得采用焊接加长。在预应力锚杆杆体上每2.0m处焊接φ6mm的圆环作为对中装置。杆体端部加工为螺栓段，长度为300mm。加工好的杆体按规范要求进行检查验收，验收合格的杆体，及高强螺母必须与杆体丝牙配套。5）、预应力锚杆安装预应力锚杆安装采用人工安装，采用预应力锚杆平台车（自制）或其它登高设备，将杆体缓慢推至要求位置。杆体送至要求位置时，停止推送，然后用木楔临时固定杆体。在安装垫板前，撤出木楔。为了防止二次注浆浆液流失，孔口应采用棉纱封闭保护。预应力锚杆必须在高强锚固剂初凝前安装到位。MSJK3型高强锚固剂的理论初凝时间为30min。6）、安装托板、垫筋和螺帽高强锚固剂初凝后，开始安装预应力锚杆托板、垫圈和螺帽，并调整托板位置使之与预应力锚杆轴线垂直。采用高强锚固剂快速垫平，每次约需要3～5卷锚固剂处理垫板。7）、张拉锁定在内锚段锚固剂灌浆完毕后24小时左右开始进行锚杆张拉。张拉设备采用TG－1000型扭力扳手。锚杆张拉前，对扭力扳手进行率定。张拉前将钢垫板套入锚杆，调整垫板与锚杆垂直后紧锁螺帽。锚杆正式张拉前，取20％的设计张拉荷载（即1.2t），对其预张拉1～2次，使其各部位接触紧密。张拉力施加值顺序依次为：第一次张拉力为设计值的50％（3t），持荷5～10分钟后进行第二次张拉，张拉力为设计值的100％（6t），最后一级张拉力达到设计值后稳压30min结束张拉平锁定。每张拉一次均应量测锚杆杆体的伸长值，并作好原始记录。张拉工效为1根/20～25min左右。锚杆锁定后48小时内，若发现预应力损失大于锚杆拉力设计值的10%时，应进行补偿张拉。预应力锚杆的张拉锁定应在高强锚固剂强度达到20Mpa进行。根据选用的锚固剂的初、终凝时间以及张拉预应力锚杆生产性试验结果。最早张拉时间为高强锚固剂注装后6小时。张拉前应对扭力扳手进行率定，然后根据率定得出的换算曲线或换算表格将扭力扳手的读数（N·M）换算成对应的张拉力（KN）。张拉时一次加载到张拉力的100%（60KN，扭力扳手读数约为580，），然后锁定杆体。8）、自由段灌浆张拉结束后开始对锚杆自由段回填灌浆施工，灌浆采用纯水泥浆，浆液采用水灰比为0.5:1，灌浆压力为0.5～1.0MPa。预应力锚杆注浆采用2SNS型注浆泵进行灌注，注浆时将注浆管管口锯成45度坡口并插至距孔底50～100mm，随浆液的注入缓慢匀速拔出，保证注浆饱满。注浆开始或中途停止超过30min，用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路。灌浆前确认排气管畅通后，才能进行孔内自由段注浆，自由段注浆应饱满，当排气孔不再排气，出浆浓度与进浆浓度一致时，可结束自由段注浆。浆体凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔杆体。自由段灌浆应在锚杆张拉完成后尽早进行，一般为一批（30～50根）锚杆张拉完成后集中进行，可实现规模化施工。五、质量检查1、无损检测预应力锚杆验收方式主要有无损检测试验。预应力锚杆无损检测：按不同作业分区在每300根预应力锚杆中随机抽查1组（3根）进行无损检测，无损检测是通过测试得到的波形图来判断预应力锚杆注浆的密实度（饱满程度）。无损检测应在预应力锚杆注浆14天后进行。根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）的规定，依据规范要求，并参照国内其它工程的标准，将预应力锚杆的注浆密实度检测结果按如下标准进行分级评价：注浆密实度质量等级表注浆质量等级优良（A）合格（B）不合格（C）不合格（D）注浆密实度≥90％75％～89％50％～75％＜50％金康隧道K3+100m～K3+148m段预应力锚杆无损检测成果表序号锚杆桩号距底板高度(m)锚杆位置(m)设计长度(m)实测长度(m)锚固长度(m)缺陷位置砂浆密实度质量等级1K3+1006.5左边墙6.06.05.7基本满浆93％优良2K3+1043.4右边墙6.06.05.73.8m处欠密实85％合格3K3+1088.5顶拱6.05.945.754.1～4.5m处欠密实80％合格4K3+1124.1左边墙6.05.955.68饱满100％优良5K3+1166.0右边墙6.06.05.71基本满浆94％优良6K3+1208.0顶拱6.06.05.7饱满100％优良7K3+1242.5左边墙6.05.935.71.2处欠密实82％合格8K3+1283.5右边墙6.05.965.685.1处欠密实88％合格9K3+1327.9顶拱6.06.05.75.0～5.2处欠密实87％合格10K3+1364.6左边墙6.06.05.7基本满浆90％优良11K3+1401.8右边墙6.06.05.7饱满100％优良12K3+1488.2顶拱6.06.05.77基本满浆91％优良金康隧道K3+100m～K3+148m段预应力锚杆共完成1130根，无损检测抽检12根，查明了其密实度和长度，各桩号抽检比例满足施工检测要求，抽检锚杆质量全部合格。2、监控量测金康隧道K3+100m～K3+148m段布设了K3+110m、K3+130m两个监测断面，根据规范和要求进行了严格的观测，收敛成果及分析，岩层均处于稳定状态。测点布置示意图及收敛观测成果如下：测点布置示意图AA参照位移顶拱A点右边C点左边B点监控量测收敛变化量统计表序号监控断面观测时间顶拱A点顶拱A点左边B墙右边C墙BC相对位移沉降位移位移相对位移ΔAA(mm)ΔA(mm)ΔB(mm)ΔC(mm)ΔBC(mm)1K3+1102008-11-120.00-0.020.17-0.120.052008-11-180.15-0.131.48-1.080.40累计变化量0.15-0.111.31-0.960.352K3+1302008-11-120.05-0.05-0.03-0.02-0.052008-11-180.50-0.25-0.10-0.75-0.85累计变化量0.45-0.21-0.08-0.72-0.80金康隧道K3+110断面收敛变化过程线-1.25-0.500.251.001.7508-11-1108-11-1208-11-1308-11-1408-11-1508-11-1608-11-1708-11-18日期收敛(mm)顶拱A点顶拱A点左边墙右边墙BC金康隧道K3+130断面收敛变化过程线-1.20-0.90-0.60-0.300.000.300.6008-11-1108-11-1208-11-1308-11-1408-11-1508-11-1608-11-1708-11-18日期收敛(mm)顶拱A点顶拱A点左边墙右边墙BC六、结束语预应力锚杆在长河坝水电站金康隧道K3+100～K3+148段隧道开挖支护中的应用，通过锚杆的无损监测和收敛监控量测，完全满足设计和规范要求。该预应力锚杆加工制作方便，工效高，施工质量易得到保证，且施工工期短，适用于强卸荷、破碎以及渗水较大岩层等不良地质地段，同时在开挖过程中或开挖到位后，当发现潜在的不稳定岩体或拉裂蠕变岩体时可采用预应力锚杆处理方案。参考资料：1、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）2、《水电水利工程预应力锚索施工规范》（DL/T5083-2004）3、《长河坝水电站场内交通工程两阶段施工设计文件》（金康段K0+858～K4+400）注：谢长平，男，1968年生，高级工程师，道路桥梁工程专业，从事监理工作。建议：命题是“预应力锚杆在隧洞开挖支护中的应用”，是“实例介绍”。由于“隧道开挖支护中应用很少”，结论自然应该是推荐在隧洞工程中应用。但是，结束语则是广泛推荐“适用于强卸荷、破碎以及渗水较大岩层等不良地质地段……、潜在的不稳定岩体或拉裂蠕变岩体时可采用预应力锚杆处理方案。”前后呼应不够。并且，“事物是相比较而存在的”，“没有比较就没有鉴别”。所谓“该预应力锚杆加