基岩锚固施工

第十三章基岩锚固施工锚固技术是将一种新型受拉杆件的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，这种新型受拉相件的固定端称为锚固端（或锚固段），另一端与工程建筑物联结，可以承受由于土压力、水压力或风力所施加于建筑物的推力，利用地层的锚固力以维持建筑物的稳定。在20世纪50年代以前，锚固技术只是作为施工过程中的一种临时性措施，如临时的螺旋地锚与采矿工业中的临时性木锚杆或钢锚杆等。50年代中期以后，在国外隧道工程开始广泛采用小型永久性灌浆锚杆和喷射混凝土代替过去的隧道衬砌结构。60年代以后，锚固技术迅速发展并广泛应用到土木工程许多领域。作为轻型的挡土结构，锚杆挡土干部代替了笨重的重力式坛工挡土墙，可以节省大量坛工材料和经费，广泛应用于铁路、公路、码头护岸和桥台。以后又大量应用于基坑护壁、地下厂房、隧洞、船闸、大坝加固和边坡加固等工程。锚固技术有各种不同的类型。在天然地层中的锚固方法以钻孔灌浆的方式为主；其受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝束和钢绞线等三种不同类型。其施工工艺有简易灌浆、预压灌浆、化学灌浆以及许多特殊的专利锚固灌浆技术。在人工填土中的锚固方法有锚定板和加筋土两种方式。单层锚定板应用于码头板桩墙，已有近百年历史。我国铁路于20世纪70年代研究采用的多层锚定板结构则将锚定板的应用技术发展到一个新阶段。60年代法国开始采用加筋土，它不同于一般锚固技术，但在原理和所解决的问题两方面都有相似之处。第一节锚固分类锚固按结构型式分为四大类即：锚桩、锚洞、喷锚护坡及预应力锚固（锚索）等。一、锚桩也叫抗滑桩，是利用刚性桩身的抗剪、抗弯强度防治滑动，使用此法应是：有明显的滑动面，并且其下盘坚强稳定。按所用材料不同可分为以下三种。1．钢盘混凝土桩：通过滑动面在上、下岩盘中打一桩孔，然后在孔中浇筑钢筋混凝土即成。桩身埋入盘的深度，为桩全长为21～41。桩孔成孔法分人工挖孔和大直径钻机钻孔两种。人工挖孔直径一般为：2m×2m,2m×3m，桩长10～20m。采用大口径钻机，钻成lm以上的孔径后，浇注钢筋混凝土。2．钢管桩：即先用大口径钻机成孔，然后将钢管下入孔在管内浇筑混凝土，或先在管内插入大型工字钢后，再在管的内外，同时浇灌混凝土。3．钢桩：用钻机钻孔，孔径130mm左右，成孔后，浇灌水泥砂浆并立即插入型钢组或钢棒组，有进在桩孔之间做固结灌浆，使桩与桩之间联结成为整体，以提高锚固效果。二、锚洞它是锚桩的一种特殊型式，即在上下盘之间的滑动面内，开挖一个水平向岩洞，或者利用已有的洞浇筑的混凝土形成卡在上下盘之间的抗滑键，一般不需配钢筋。利用此混凝土键抗滑。我国实际工程中有成功的例子。如陈村水电站的右坝肩，利用地质探洞，回填混凝土做成锚洞，其抗滑阻力为14415.7kN。三、喷锚护坡喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护、喷混凝土与锚杆支护、钢筋网等不同支护的统称，喷混凝土锚杆支护是岩石开挖后，紧随开挖面，立即喷上一层混凝土(3～5cm)，必要时加设锚杆以稳定岩石。以后再加喷混凝土至设计厚度作为永久支护。锚杆的锚固是在设计位置钻孔，把锚杆插入孔中，先使其根部固定或者在孔内灌浆，使全锚杆与岩石固结为一本，然后把露出岩体外的锚杆（称为锚头）预以固定并封住孔口。锚杆的类型按不同标准可以有不同的分类。(1）按材料分类有：木锚杆、金属锚杆（钢筋、钢丝绳、钢绞线、高强钢丝、竹锚杆等）。(2）按作用分类：局部锚固、系统锚固及拉杆支架。(3）按受力状况分类：普通锚杆、预应力锚杆或锚索。(4）按锚固部位分类：集中锚固和全长锚固。四、预应力锚索是利用高强钢丝束或钢绞线穿过滑动面或不稳定区深入岩层深层，利用锚索体的高抗拉强度增大正向拉力，改善岩体的力学性质，增加岩体的抗剪强度，并对岩体起加固作用，也增大了岩层间的挤压力。在选用锚固措施时，可根据其不同的特性和适用条件，因地制宜地选用其中一种，或联合使用几种锚固措施，以期获得最佳的加固效果。第二节预应力锚固技术的应用在采用减载、压坡、排水等手段尚不足以保证边坡的长期稳定性时，使用预应力锚固技术，通常是施工方便、效果明显的一种手段。我国水利水电工程建设中，很早就使用预锚技术来加固岩体。例如1962年为提高梅山大坝（高88.2m）的抗滑稳定，曾施加110根锚固力为77140kN的预应力锚索。而后，又曾对麻石、双排、丰满、安康水电站的大坝采用了预应力锚索加固措施。在我国，首次对水电站岩石边坡进行大规模系统的预应力锚索加固，是在漫湾水电站。从该电站左岸坝肩到下游溢洪隧洞出口约300米延伸长度上，在1990年至1991年期间共施加了1583根预应力锚索。近年预锚技术在小浪底、三峡、十三陵等工程的边坡加固中已得到了广泛的应用。表13－1为近期水电工程使用预应力锚索的有关情况。第三节预应力锚索结构预应力锚索结构可分为三部分，即内锚头、锚索和外锚头。内锚头置于稳定岩体中，通过水泥浆材和岩体紧密结合，对不稳定岩体提供锚固力。预应力锚索通常由高强度钢索组成，它一端连接内锚头，一端连接外锚头。外锚头是对岩体施加张拉力实现锚固的机械装置。图13－1为三峡工程采用的预应力锚索结构。按锚索的结构分，预应力锚索又分为有黏结和无黏结锚索两种。无黏结锚索的钢绞线周围带有胶套，中有防腐油剂，钢绞线可以在胶套中自由滑移。同时，在锚索体外还增加了一个塑料护套。在施工时内锚头和钢绞线周围的水泥浆材是一次灌入的，待浆材凝固后再行张拉，这样，可以减少一道工序，提高工效。图13－2为小浪底工程采用这类锚索的结构图。无黏结锚索不仅可是重复张拉，而且使得大部分钢绞线都能获得防腐油剂和护套的双重保护，但此类锚索造价较高。近期一些工程采用了对拉锚索，将内锚头直接放在山体内的排水廊道中，如三峡船闸边坡工程［图13－1（a）和图13－3］。内锚头不再是灌浆锚固端，而是置于廊道内的墩头锚或双向施加张拉的预应力锚。这类加固方案减少了约占锚索长度1/3～1/4的内锚固段，同时将排水和锚固结合起来。是一种理想的加固形式。一、内锚头内锚头结构分为机械式和胶结式两种。机械式仅适用于小吨位的锚固中。对于胶结式的内锚头，为了加强胶结合效果，通常作成“枣核”形［参见图13－2（b）］。内锚固段的胶结材料通常采用纯水泥浆或树脂材料。要求具有快凝、早强、对钢材无腐蚀等性能。胶结材料的强度不低于30MPa。水泥胶结材料是对内锚头进行自由回填的主要材料。由于火山灰水泥含有较多的硫化物和氯化物，会导致钢绞线腐蚀，因此，建议不予使用。改善水泥浆材的稳定性和力学特性是胶结材料设计的主要内容。降低水灰比是提高胶结材料强度的最直接的方法，但水灰比降低将导致水泥浆流动性降低，因此，可掺入减水剂、早强剂、增强剂、膨胀剂等以满足工程实际要求。表13－2和表13－3为三峡工程船闸边坡预应力锚索浆材配比试验的主要成果，根据该成果推荐的浆材配比如表13－4所示。内锚固段长度是预应力锚索设计的一个重要指标，直接影响工程造价。我国规范规定，内锚固段长度按下式确定RcqmKL（13－1）式中：L——那锚固段长度，cm；qm——单束锚索的锚固力，KN；R——锚索孔直径，cm；C——胶结材料同孔壁的黏结强度，MPa，参见表13－5和表13－6；K——安全系数二、预应力钢材的主要类型当前，预应力钢材的发展趋是热高强度、粗直径、低松弛和耐腐蚀，可分为钢丝和钢筋两大类。国家标准GB5233－35《预应力用钢丝》对预应力钢丝的外观与力学性能作出了规定，其抗拉强度一般要求到150～280MPa。我国水利水电规范则要求钢丝或钢绞线的极限抗拉强度不小于1400MPa。钢绞线一般用7根钢丝在绞线机上以一根钢丝为中心螺旋拧合而成。在水电工程中，常用的钢绞线及其力学特性如表13－7所示。这类钢绞线通常用于1000、1200kN和3000kN的预应力加固工程中。水利水电工程中常用的钢筋包括热处理钢筋和精轧螺钢筋，后者锚头大直接采用螺母，具有连接可靠、锚固简单、施工方便和无需焊接等优点。规范规定，钢材的强度利用系数就安0.60σ选取，考虑超张拉荷载时，钢材强度利用系数不宜大于0.75σ，其中σ为钢材的抗拉强度。为了防止锚索材料锈蚀，规范规定使用的灌浆材料及其附加剂中不得含有硝酸盐、亚硫酸盐、硫氰酸盐。氯离子含量不得超过水泥重量的0.02％。锚索防腐剂的选用应符合JB3007－93《无粘结预应力筋专用防腐润滑脂》的要求。施加防腐的等级，视介质和锚索的服务期限而定，我国规范有关规定见表13－8。三、外锚头外锚头包括锚具和夹具，是为保持预应力并将其传递到加固体上的永久性锚固装置。我国目前常用的锚夹具可分为螺杆式、墩头式、锥锚式、夹片式四种。在大吨位的预应力锚索中，多用墩头式和夹片式。水工预应力锚固设计规范建议的外锚头型式如表13－9所示。第四节锚固施工一、设备工具1．钻孔设备(l)钻机。国产钻机有锚杆钻机MD－50型、CZ－150型全液压双动力头、QDJ-1全液压动力头、DK－1型水平锚索钻机等。进口钻机有瑞典阿特拉斯A66型钻机、美国英格索兰KLEMM803－02型钻机。这两种钻机是具有世界先进水平的多功能钻机。(2）潜孔锤。选用宣化一英格索兰公司生产的DHD360型和DHD340型或其他型号潜孔锤。(3）空压机。常用空压机型号有以下几种：VY－9/7、ZV－6/8、ZV2A－5.5/12、XH－20/12等。(4）钻杆。国产钻机采用φ89mm、φ73mm、φ50mm钻杆，进口钻机采用小φ114mm钻杆。2．灌浆设备(l)灌浆泵。有BW250型、BW200型、BW150型、BW100型等泥浆泵。(2）搅拌机。有WJG80－1型、Jl－250型、JJS－ZB型等搅拌机。3．运输设备主要是各种不同载重的汽车；l.5t、5t、汽车吊8t。4．锚固设备(l）千斤顶。可选用YC25－93#、YC400－264#、YCD－4000等型号。(2）油泵。可选用ZG－900型、ZB2×2－500型或ZB4－800型。(3）锚具。1000kN级锚索张拉的锚具选用0VM15－7型，3000kN级锚索张拉的锚具选用0VM15-19型。5．胶结标准(1）水泥。根据设计要求，可选用普通硅酸盐525#水泥，不得使用矿渣水泥、火山灰水泥。其目的在于限制水泥中硫化物、氯化物等有害成分的含量。(2）减水剂。可选用GYA型早强高效减水剂或DM-100型高效减水剂。其氯离子含量不得大于水泥质量的0.02%，并不得产生气泡，或降低浆材的pH值。(3）膨胀剂。可选用AEA型膨胀剂。(4）观测设备。可采用钢弦式反力计对无粘结锚索预应力变化规律进行观测。二、施工流程1.普通端头锚施工工序造孔—测斜穿束内锚段灌浆垫座混凝土浇筑张拉封孔灌浆外锚头保护编束2.无粘结端头锚索施工工序造孔—测斜穿束内锚段灌浆垫座混凝土浇筑封孔灌浆张拉外锚头保护编束3.对穿锚索施工工艺造孔—测斜穿束两端垫座混凝土浇筑张拉封孔灌浆二次张拉（无粘结锚索）编束外锚头保护此外，在破碎地层造孔，应增加“压水试验”和“固结灌浆”两道工序。三、施工工序（一）造孔和测斜1．造孔每层孔位的高程用经纬仪测定，具体孔位用钢卷尺测量确定，实际孔位与设计孔位偏差不大于10cm。钻孔方位角及倾角用地质罗盘仪测量确定，误差不得大于2％。钻孔的孔深、孔径均不得小于设计值，有效孔深的超深必须小于0.2m。终孔后必须用高压风、水冲洗，直到孔口返出清水为止。经检查合格后，才可转入下孔钻进。当锚固段处于破碎地层时，锚孔应加深，使锚固段处于完整岩体内。为保证工程锚固质量，尽量减少预应力沿孔壁的摩擦损失，部颁标准SL46－94《水工预应力锚固施工规范》要求孔斜率不得大于3%，有特殊要求时，孔斜不宜大于0.8％。应采取有效的防斜措施，防止孔斜，并及时测斜，采用合理的纠斜措施，保证孔斜精度达到规定要求。2．测斜锚索孔孔斜精度要求高，现有侧斜仪精度难以满足要求。端头锚可采取将灯光置于孔底利用经纬仪施测钻孔的方位角与倾角，对穿锚钻孔也采用经纬仪两点交会法测出进、出口端孔中心的坐标和高程，从而算出孔斜率。3．压水试验在破碎地层造孔完成后，对锚索孔锚固段应进行吕荣法压水试验。如果透水率q1Lu，