压力分散型锚索在官地水电站的应用

摘要：官地水电站缆机平台边坡地质情况复杂，特别是EL1490m以上覆盖层边坡和下游滑坡体区域，用于锚固边坡的预应力锚索成孔困难、灌浆量大，因此要求其必须具备独特的结构及施工工艺，以满足设计的边坡稳定要求。

关键词：压力分散型锚索施工技术

中图分类号： TU74 文献标识码： A

1官地水电站左岸缆机平台地质状况

左岸缆机平台开挖涉及的地层主要为二叠系上统玄武岩组（P2β），表层第四纪覆盖层分布较为广泛。

根据官地电站坝区勘探资料，岩体风化卸荷较强。总体而言，岸坡全强风化水平深度12～50m，弱风化20～90m。强卸荷深度一般7～35m；弱卸荷深度一般15～80m。坝肩地基全强风化、强卸荷、弱风化上段岩体完整性差，多张开、松弛，充填大量次生夹泥，宽1～10cm。呈散体、碎裂或块裂结构，为Ⅴ类或Ⅳ类岩体。

第四系覆盖层主要为现代河床冲积物以及分布于两岸谷坡的崩坡积，坡残积、少量冲沟内的洪积物，两岸的Ⅰ～Ⅴ阶地堆积物零星分布。河床覆盖层厚1.0～35.8m。纵向上厚度较稳定，横向上以河床左侧最厚，向两岸逐渐减薄。岸坡覆盖层主要为崩坡积及残坡积块碎石土，分布比较广泛，一般厚5～10m，局部厚可达到50～60m。

2岩锚支护设计

官地水电站左岸缆机平台1334m高程以上开挖支护边坡最大高度188m。其中，1522~1490层全部为覆盖层边坡，夹杂崩坡积体孤石，设计采用1000KN压力分散型预应力锚索结合锁口锚筋束、系统锚筋束、钢筋砼框格梁和网喷砼复合支护型式；1490m以下主要为岩石边坡，设计采用2200KN压力分散型预应力锚索结合系统锚杆、锚筋束、钢筋砼框格梁和网喷砼复合支护型式；下游侧开口线附近区域边坡以覆盖层为主，表层存在较多的孤石、危石等，多处于极限平衡状态，其自稳能力较差，设计采用1000KN压力分散型预应力锚索结合锚筋束、钢花管排水孔、钢筋砼框格梁和网喷砼复合支护型式以保证开口线附近区域的稳定。各种规格锚索总计617根。

3压力分散型预应力锚索结构型式

根据工程锚固需要及设计要求，锚索型式选用自由式压力分散型单孔多锚头防腐型预应力锚索。主要由导向帽、单锚头、锚板、注浆管、高强低松弛无粘结钢绞线等组成。具有克服锚固段应力集中、有效防腐、有效减小孔径、全孔一次注浆、可进行二次补偿张拉等特点。其结构是在不同长度的无粘结钢绞线末端套以承载板和挤压套，当锚索体浆体固结后，以一定荷载张拉对应于承载体的钢绞线时，设置在不同深度部位的数个承载体将压应力通过浆体传递给被加固体，这样对在锚固段范围的被加固体提供被分散的锚固力。锚索结构详见图1-1。

图1-1自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索结构示意图

3.1锚索结构特点：

3.1.1基本（防腐）单元：

单锚头。单锚头由无粘结钢绞线、挤压套及其密封套组件组成（图1-2），具有良好的防腐性能。

图1-2单锚头

3.1.2单孔多锚头结构：

一根锚索由多组锚头构成，锚头组间距0.6m，每组锚头包括锚板、单锚头，锚头数目及组合结构根据工程地质特性和锚索吨位大小进行选择。

3.1.3整体性锚头结构：

各组锚头连接成为一个整体。

3.2钢绞线

自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索所用钢绞线为按照《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224-2003及《无粘结预应力钢绞线》JG161-2004标准生产的高强度低松弛无粘结钢绞线。钢绞线裸线用7根Φ5钢丝捻制，公称直径为Φ15.24mm，抗拉强度为1860MPa。

本工程采用的压力分散型锚索锚固段长10m，1000KN型为四级压力分散（四组锚头），2200KN型为六级压力分散（六组锚头），自由段为自由式锚索体结构。与拉力型相比较而言：

1）受力均匀可以提供可靠的锚固效果，适于承载力低的边坡；

2）不存在无效锚固段；

3）边坡产生位移时有很好的适应变形能力；

4）同样的内锚固段长度能提供更大的锚固力。

4压力分散型锚索施工技术

4.1锚索施工程序

锚索型式为自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索，使用无粘结钢绞线，采用全孔一次注浆，施工工艺流程如下图：

4.2锚索孔造孔

在岩石边坡结构比较完整时，直接采用锚固钻机常规钻进施工；覆盖层边坡或岩石破碎时，根据官地电站地质状况等特点，采用偏心跟管钻进工艺、组合螺旋钻具和固壁灌浆后扫孔钻进的方法施工。

4.2.1设备选型

根据官地水电站左岸缆机平台地质结构特点，钻机选择YG-80型全液压锚固钻机。该型钻机主要由动力系统及油箱、动力头、操纵台、桅杆及下滑轨、机架及支撑杆等五大部分组成，整体性能稳定、可靠，分体好搬运，安装迅速方便，可远距离操纵。钻机技术参数见表3。

设备性能参数表3

名称 性能简述 备注

锚固工程钻机

YG-80 钻孔直径(mm)：220

钻孔深度(m)：100

钻孔倾角()：0～120

转速(r/min)：5～180

扭矩(N.m)：3500

额定提升力(KN)：45

额定给进力(KN)：30

给进行程(mm)：1800

电机功率(KW)：30

空压机选用美国寿力750型中风压空压机，风压1.2MPa，风量21.2m3/min。

钻杆采用Ф89高强度钻杆； CIR150，DHD350Q风动冲击器（配Ф150钎头）；Φ178偏心跟管钻具；Ф178套管；另外，选择粗径长钻具，螺旋钻具，扶正器，防卡器，反振器，喷射灌浆钻具；开孔钻具采用CIR150冲击器配Φ190钎头开孔。

拔管机：50T液压拔管机，振动拔管机。

4.2.2偏心跟管钻进工艺

偏心跟管钻具由风动潜孔锤、偏心钻头、套管和套管靴组成。钻进时偏心锤头在套管靴前偏出，通过与花键导向体内置嵌卡机构带动回转切削岩石，同时锤头体利用冲击器的冲击能力，冲击破碎岩石，钻出比套管靴外径大的钻孔，潜孔锤同时锤击套管靴，使连接套管随钻孔加深同步进行，达到保护已钻出的钻孔孔壁的目的，当跟管到所需深度后或钻孔施工完毕后，偏心钻具收缩从套管内孔中提出孔外。

偏心跟管钻进工艺如下示意图，施工过程中应注意关键的一些操作过程：

图3偏心跟管钻进示意图

⑴开孔采用CIR150冲击器配Φ190常规钎头先造孔1m左右，为跟管钻进提供定位和导向作用。开钻前，将连接好的潜孔锤及钻头放入带有套管靴的套管内，让偏心钻头伸出套管靴，将组装好的钻具就位于预先凿好的导向浅孔内。开动钻机，正转速度达到一定时，偏心钻头张开，方可进行钻进。

⑵跟管钻进过程中，随着钻孔的延伸，边加钻杆边加接套管。每钻进0.3～0.5m强风吹孔排粉一次，保证孔底清洁，遵循“短进尺、强排渣”的基本原则；每钻进2～3m，提钻检查钎头与冲击器的联接状况、偏心钻头联接机构及锁紧机构状况，更换销子等；在跟管过程中，如遇到大孤石难以穿过时，采用小口径潜孔锤超前钻孔穿过大孤石，为后续跟管钻具钻进提供阶梯临空面，再下入跟管钻具继续跟套管。

⑶跟管钻进至预定深度后，即可将跟管钻头、冲击器、钻杆提升出孔外，换用Φ150钎头继续钻进直至设计深度。

4.2.3组合螺旋钻钻孔

组合螺旋钻是在普通钻杆的外表面增加螺距为10cm、高2cm、厚6mm的钢板制成特殊的钻杆，其余与普通冲击钻相同，比普通钻杆有更好的对中性，孔斜更容易控制。采用普通冲击钻钻进在遇大的裂隙破碎带，因跑气漏风及无法解决排渣而使成孔非常困难，通过对钻杆的改进，使其在旋转时利用螺旋片的旋转功能对石渣进行挤排，使其排出孔外。改变普通冲击钻需用高压风从孔底向孔口吹渣的排渣方式。

图4钻进示意图

4.2.4围岩固壁灌浆

左岸缆机平台风化卸荷严重、节理裂隙发育的岩质边坡，在造孔过程中经常出现蹋孔、漏风、卡钻及无法排渣现象，严重影响质量和施工进度。为了加快钻孔进度，提高成孔率，遂采取固壁灌浆后再扫孔的办法，灌浆压力取0.3Mpa～0.5MPa，浆液水灰比为0.5：1～0.4：1。为了减少固壁灌浆量，控制工程投资，岩锚要求实行间歇、待凝措施控制灌浆。

为有效保证超前固结灌浆护壁效果以及减少灌浆量，本工程采取自制的对心旋喷钻具进行固壁灌浆，待凝等强后扫孔继续钻进。

① 对心喷射灌浆钻具可向四周进行喷射灌浆；自带钻头，可钻入塌渣内进行灌浆。因此，可有效地利用水泥浆液进行灌浆护壁，起到提高施工工效、降低水泥总耗量的作用。

② 采用对心旋转、高压喷射灌浆方法。采用高压灌浆泵或风泵、喷灌钻具等设备机具，射浆管采用Φ50钻杆。

③ 喷灌钻具设对中装置，防止喷射孔堵塞，影响喷灌效果。

④ 在喷灌过程中，低速旋转、前后活动喷灌钻具，确保灌浆效果

4.3预应力锚索体制作与安装

4.3.1钢绞线规格及束数

⑴钢绞线母材使用经检验符合《预应力混凝土用钢绞线》GB/T5224-2003和ASTMA416-90a的Φ15.24mm的1860MPa高强度低松弛无粘结钢绞线，主要指标见表5。

钢绞线规格表 表5

设计承载力（KN） 钢绞线

使用标准 级别 直径（mm） 根数

1000 GB/T5224-2003；ASTMA416-90a 270 15.24 7

2200 16

⑵钢绞线应有出厂合格证书，钢绞线运到现场后，按要求对钢绞线进行抽样送检，检验合格后方可使用。

4.3.2预应力锚索体制作

⑴ 下料及内锚头组制作

① 根据锚索的设计尺寸及张拉工艺操作需要，使用砂轮切割机下料，同组锚头钢绞线等长，相邻组锚头钢绞线不等长。下料长度为：

Ln=钻孔深度Lk-距第1组锚头距离L+锚墩厚度Ld+锚具及测力计厚度Lj+张拉长度L1

② 将钢绞线清洗干净，顺直排列在加工平台上。

③ 在XJ-600型挤压机上用不低于36MPa的压力将每根钢绞线与锚头嵌固端牢固联结，底部嵌固端钢绞线端头采取密封防腐措施。

④ 按照锚索结构要求装配单锚头、锚板、托板等进行锚头部分的制作。

⑵ 编索

① 锚索根据设计结构进行编制，采用隔离架集束，隔离架按设计要求设置。

② 锚索进出浆管按要求编入索体。靠近孔底的进浆管出口至锚索端部距离不大于200mm。

③ 编索中，钢绞线要排列平顺、不扭结，两隔离架中间用黑铁丝绑扎牢固，绑扎间距2.0m左右。

④ 导向帽按要求制作，与锚索体牢固可靠连接。

⑤ 锚索编制完成并经检验合格后，进行编号挂牌。合格锚索整齐、平顺地存放在距地面20cm以上的间距1.0m～1.5m的支架或垫木上，不叠压存放，并进行临时防护。

⑶ 钢绞线编号

对自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索体每根钢绞线予以编号、记录并标记，以便分组张拉检查。示例：M1/1-1（其中，“M1”表示锚索孔编号；“1-1”表示第1组锚头中的第1根钢绞线，锚头组编号自孔底开始向孔外顺序编号）。

4.3.3锚索运输与安装

⑴ 锚索运输过程中，采取措施防止损伤锚索及防护层PE套。

⑵ 锚索入孔前，无明显弯曲、扭转现象；损伤的防护层已修复合格；进出浆管位置及通畅性检查合格。

⑶ 锚索安装采取人工缓慢均匀推进。

⑷ 锚索安装完毕后，对外露钢绞线进行临时防护。

4.4锚索注浆

4.4.1浆液及材料

锚固浆液为水泥净浆，浆液水灰比一般为0.35:1，通过试验确定，水泥结石体强度要求：R7d≮35MPa；水泥采用新鲜普通硅酸盐水泥，强度等级不得低于P.O42.5R；水选用符合拌制水工混凝土用水；外加剂按设计要求，在水泥浆液中掺加的速凝剂和其它外加剂不得含有对锚索产生腐蚀作用的成分。

4.4.2制浆

使用ZJ-400高速搅拌机，按配合比先将计量好的水加入搅拌机中，再将袋装水泥按量倒入搅拌机中，搅拌均匀，搅拌时间不少于3min。制浆时，按规定配比称量材料，控制称量误差小于5%。水泥采用袋装标准称量法，水采用体积换算重量称量法。本工程根据地形布置两级泵站，将制备好的浆液通过一级泵站送到二级泵站，再通过二级泵站送至灌浆工作面。

4.4.3浆液灌注

采用孔口阻塞、全孔一次有压注浆法进行锚索注浆，灌浆压力控制在0.3～0.5Mpa。

注浆设备采用TTB180/10泵。灌注前先压入压缩空气，检查管道畅通情况，在设备一切完好情况下进行注浆。注浆时浆液从注浆管向孔内灌入，气从排气管直接排出。在注浆过程中，观察出浆管的排水、排浆情况，当排浆比重与进浆比重相同时，方可进行屏浆。当回浆压力达到0.6～0.8MPa，再屏浆30min即可结束。

3.4.4控制注浆超灌量的措施

⑴ 采用无粘结锚固灌浆

由于岩石破碎或在覆盖层边坡施工时，各孔串风严重，堵漏固壁各孔互串。若采用粘结锚索，在送索完成后需进行内锚段、张拉段灌注。当同一区域已完成多处穿索时，进行其中某一根锚索灌浆，浆液很可能会串入别的孔内。如串至内锚段，则会堵塞内锚灌浆管，即使未堵塞灌浆管也会因有两次灌浆，内锚段水泥结石的整体性受到很大影响；如串至张拉段可能使内锚段增长而张拉段变短。以上两种原因都将使锚索失去其应有的作用。

本工程采用无粘结锚索，因内锚段剥除PE套部分，不存在内锚段增长时张拉变短问题，串浆后影响不大。无粘结钢绞线为外用PE 套包裹、内用防腐油脂敷裹，使得钢绞线裸线不直接与水泥结石接触，张拉时钢绞线裸线在PE套里能自由伸缩不受影响，可在全孔一次注浆后再进行锚索张拉，并可进行重复张拉。既保证了注浆质量，又简化了工序、提高了注浆功效。

所以采用无粘结锚索有效控制了灌浆量，并保证了锚索施工质量。

⑵ 锚索外包土工布

锚索采取外包土工布和细帆布的办法来减少灌浆量，通过对无粘结锚索自由段外包土布和细帆布隔离浆体流失，既保证了水泥结石对锚索的的保护作用，又有效控制了超灌量。

为解决无粘结锚索张拉段注浆量大并存在注不满、锚索质量无保证的问题，进行自由段包裹土工布的试验。

对无粘结锚索张拉段包裹土工布，材料采用每平米400g长丝土工布，包裹直径为孔径的1.2倍，包裹前端增设一止浆包。与普通全长粘结式锚索所用止浆包相同，仅采用一根灌浆管，在止浆包后部15cm处割断，当内锚段注满后直接注包土工布部分，土工布内割断的管子用来检查浆体所到位置并可进行后期注浆。此办法多孔试验发现注浆量仍然比较大，通过分析认为存在以下几种可能：

1、止浆包未撑起来，浆液从土工布外流入裂隙。

2、止浆包磨破，浆液从土工布外流入裂隙。

3、止浆包前端裂隙发育，浆液绕过止浆包进入裂隙。

于是对锚索注浆工艺进行改进，首先改变灌浆管路系统，将一根灌浆管改为两根，其中一根直接插入锚索导向帽作为内锚段灌管，增设止浆包，在止浆包内将灌浆管割开成楔形口，一根穿过止浆包置于止浆包前10～15cm处，在止浆包后20cm处割断（或割成大的楔形口），如设三根灌浆管则第二根不割断，第三根作自由段灌浆管。

3.5锚墩浇筑

3.5.1钢筋制安

锚墩钢筋制安时，先用风钻在锚索孔周围坡面上对称打孔4个，插入Ф25骨架钢筋并固定；将钢绞线束穿入导向钢管并把导向钢管插入孔口50cm左右，导向钢管与孔轴、锚索同心；然后按照图纸要求焊接钢筋网或层并固定于骨架钢筋上，焊接过程中不得损伤钢绞线。

3.5.2钢垫板安装

钢垫板牢固焊接在钢筋骨架上，其预留孔的中心位置置于锚孔轴线上，钢垫板平面与锚孔轴线正交，偏斜不得超过0.5。

3.5.3锚墩立模及砼浇筑

在钢垫板与基岩面之间按照图示锚墩尺寸立模浇筑，采用C35混凝土，砼泵入仓，边浇筑边用振捣棒振捣密实。浇筑时须现场取砼样，给锚索张拉提供依据。

3.6预应力锚索张拉

3.6.1张拉程序

先进行试验锚索的张拉，试验锚索由监理工程师指定。在进行锚索试验时，记录力传感器读数、千斤顶读数以及锚索在不同张拉吨位时的伸长值。

锚索张拉按分级加载进行，由零逐级加载到超张拉力，经稳压后锁定，即0m稳压10～20min后锁定（m为超载安装系数，最大值为1.05～1.1，为设计张拉力），相应的张拉工艺流程如下：

穿锚初始荷载(钢绞线调直)分级循环张拉至设计工作荷载超张拉

⑴ 穿锚

1）根据锚索钢绞线规格、数量选择符合要求的锚夹具。锚夹具符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T14370-2000）的规定。

1000KN级锚索由7束Φ15.24mm的钢绞线编成，锚具选用ESM15-7。

2200KN级锚索由16束Φ15.24mm的钢绞线编成，锚具选用ESM15-16。

2）锚夹具在安装时方可从防护包装内取出，以确保锚夹具表面，尤其是夹片及锚具锥孔的清洁。锚夹具安装时，清理干净锚具、工作夹片及钢绞线表面，夹片及锚具锥孔无泥砂等杂物。

3）根据锚具外径，在锚墩钢垫板中心孔（或测力计中心孔）周围设置对中标志，确保锚具安装符合对中要求。

4）将钢绞线按周边序和中心序顺序理出，穿入锚具。

5）推锚具与钢垫板（或测力计）平面接触。

⑵ 初始荷载（钢绞线调直）

1）采用单根张拉千斤顶进行钢绞线调直，钢绞线调直时的伸长值不计入钢绞线实际伸长值。

2）张拉设备仪器

① 电动油泵：ZB4-500S。

② 单根张拉千斤顶：ESYDC25T。

3）初始荷载：为设计工作荷载的/5。

4）按照先中间后周边对称分序张拉的原则用单根张拉千斤顶将钢绞线逐根拉直，并按要求记录钢绞线伸长值。钢绞线调直时的伸长值不计入钢绞线实际伸长值。

5）钢绞线调直完毕，套上夹片并推入锚具夹片孔，用尖嘴钳、改刀及榔头调整夹片间隙，使其对称。

⑶ 分级循环张拉至设计工作荷载

1）自由式单孔多锚头防腐型预应力锚索采用单孔多锚头防腐型结构，一根锚索由多组锚头组成，各根钢绞线长度不等，须采用单根张拉方式，确保各根钢绞线平均受载。

① 每循环分组张拉。一组锚头张拉完后接着张拉下一组锚头。

② 先张拉锚具中心部位钢绞线，然后张拉锚具周边部位钢绞线，按照间隔对称分序进行；一个张拉循环完毕，进行下一个张拉循环，直至达到设计荷载（图6）。

图6 单根张拉的间隔对称分序图

2）张拉设备仪器

张拉设备根据锚索吨位及锚索结构进行选择使用，见表7。

张拉设备选择使用表

表7

设备 适用锚索 张拉方式 备注

名称及型号 规格 编号 吨位 型式

电动油泵

ZB4-500S 50MPa 全部

单根张拉

千斤顶

ESYDC25T 25t 全部 2200KN 单孔多锚头型 单根调直

全部 2200KN 单孔多锚头型 单根张拉

3）分级荷载：分别为0.25、0.5、0.75、1.0倍设计工作荷载。

4）伸长值测记

① 分级同步测量记录钢绞线伸长值、压力表（测力计）读数。

② 每组锚头钢绞线实际伸长值与相应的理论计算伸长值进行对照校核。理论伸长值计算参见式1（直线型锚索伸长值计算公式）。

（式1）

式中：L——钢绞线理论计算伸长值，mm；

P——施加于钢绞线的载荷，为锚索总荷载除以钢绞线根数，KN；

E——钢绞线弹性模量，未注明时可取19510KN/mm2；

A——钢绞线截面积，140mm2；

L——钢绞线计算长度，m。

5）循环张拉

① 第一循环张拉：/5/4（稳定2min）。

② 第二循环张拉：/4/2（稳定3min）。

③ 第三循环张拉：/23/4（稳定3min）。

④ 第四循环张拉：3/4（稳定3min）。

6）以上张拉参数将根据实际情况做适当调整。

⑷ 超张拉

1）超张拉根据设计要求执行。

2）在设计工作荷载基础上继续加载至m锁定，即m（稳定10～20min）。超载安装系数m按要求取1.05～1.1。

⑸张拉成果资料整理

张拉完成后，及时整理张拉成果资料。

⑸ 补偿张拉

1）锚索应力损失基本稳定后，若监测到锚索的锁定张拉力低于规定设计值的10%，对锚索进行补偿张拉，以满足设计永久赋存力的要求。

2）补偿张拉是在锁定值的基础上一次张拉至超张拉荷载，即“实际张拉力超张拉力m”。

3）补偿张拉根据锚索预应力监测情况确定。

⑹ 外锚头保护

锚具外的钢绞线除留存15cm外，其余部分切除，并据此预留砼保护层，采用C25混凝土封锚（40×40×20cm）。

3.6.2 质量检查与验收

⑴质量控制

预应力锚索施工过程中，进行下列项目的质量检查和检验：

1）钢绞线到货后材质检验。

2）预应力锚索安装前，进行锚孔检查。

3）锚索制作质量检查。

4）锚索注浆浆液抽样检查。

5）锚墩混凝土抽样检查。

6）预应力锚索张拉工作结束后，对每根锚索的张拉力及补偿张拉效果进行检查。

4结束语

压力分散型锚索在官地水电站左岸缆机平台的成功应用，解决了覆盖层、土夹石及其滑坡体边坡预应力锚固的难题，其控制超灌量的工艺也节约了成本，为以后此类地质条件的锚固施工积累了宝贵经验。

（作者简介：李立军，1978年8月生，中国水利水电第四工程局有限公司第四分局永定桥项目部总工兼副经理）