中空式注浆锚杆在乌江渡电站扩机工程中的应用.docx
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中空式注浆锚杆在乌江渡电站扩机工程中的应用
中空式注浆锚杆在乌江渡扩机工程中的应用
1、概述
乌江渡水电站位于贵州省中部遵义市境内，乌江中游，原电站装机630MW，为坝后全封闭式厂房，拦河坝为混凝土拱形重力坝，最大坝高165m，坝顶全弧长350m。
乌江渡水电站扩建工程主要任务是发电，扩大装机容量2×250MW，扩机工程电站厂房采用地下式厂房布置方案，引水发电系统布置在坝下左岸山体内。
扩机工程主要建筑物包括岸边坝式进水口、引水隧洞、尾水洞、尾水出口、发电厂房、主变洞、开关站、出线平台、进厂交通洞、厂区防渗排水设施等。
扩机工程布置于对称的“V”形河谷左岸山体，山顶高程850.0~900.0m，谷坡30~60°，河谷基岩裸露，多悬崖峭壁，扩机工程主要建筑物位于岩溶发育的下三迭统玉龙山灰岩内。
进水口位于沙堡湾页岩及玉龙山东省灰岩中，强风化深度较深；引水洞、尾水洞灰岩均穿过九级滩页岩，岩石极为破碎，成洞条件较差~差；进厂交通洞工程地质条件较复杂，从上游至下游依次经过的地层为下迭统夜郎组玉龙山灰岩T12-2、下迭统夜郎九级滩页岩T13、下迭统茅草铺组灰岩T14-1~T14-4和下迭统松子坎组T21-1层，页岩洞段岩石软弱，强度低，岩体节理裂隙发育，完整性差，属于Ⅳ类不稳定围岩，尤其是f129小断层裂隙密集带，岩体呈碎裂结构，属Ⅴ类极不稳定围岩。
因扩机工程地质条件复杂，而主要建筑物均为地下工程，锚杆工程量相当大。
在前期施工中采用的均是普通锚杆，但因大部分部位岩石均破碎，经常性卡钻甚至无法成孔，施工难度大，劳动强度高，工作效率低且灌浆难以保证良好的施工质量，施工进度也受到子很大的影响。
经过大量认真仔细的调查和研究分析，决定采用GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆和WT中空式注浆锚杆，以进一步提高工程的施工进度和质量。
2、可行性研究分析阶段
在投入使用之前，对该种材料和施工工艺从技术和经济两方面进行了可行性分析。
2.1技术上的可行性
2.1.1GMC中空自进式注浆锚杆
中空式自进式锚杆采用良好的厚壁无缝钢管材料，完善快捷的表面螺纹成形工艺，实现了自进式锚杆钻孔、注浆、锚固等功能的统一，其具有如下特点：
1）锚杆前有穿透力强的钻头，在一般凿岩机械的作用下，可以轻易穿透各类岩石（采用YT28或7655型手风钻最大钻孔深度可达9m）；
2）锚杆具有连续的国际标准波形螺纹，可以作为钻杆配合钻头完成钻孔成锚孔；
3）作为钻杆的锚杆体无需拨出，其中空可作为注浆通道，从里至外进行注浆。
4）高效能的止浆塞使注浆能保持较强的注浆压力，充分地填充空隙，固结破碎岩体，高强度的垫板、螺母可以将深层围岩就力均匀地传递到周壁围岩上，达到围岩与锚杆互为支护的目的。
5）采用机械切削工艺加工的高强度联结套，使自进式锚杆具有边钻进边加长的特性。
6）由于该锚杆三位一体的功能使得它在各类围岩条件下施工时，都能形成锚孔并保证锚固与注浆效果。
2.1.2WT中空式注浆锚杆
中空式注浆锚杆相对传统的锚固工艺，它具有如下特点：
1）安装方便；
2）注浆饱满，并可实现压力注浆，提高工程质量；
3）由于各配件的作用，杆体的居中性很好，砂浆可以将锚杆体全长包裹，避免锈蚀的危险，达到长期支护的目的。
4）可以方便地根据需要主动或被动地施加一定吨位的预应力，作成预应力锚杆改良洞室的受力情况。
2.1.3力学性能及技术参数
在锚杆试用前，委托贵阳施工科研所采用测试材料抗拉强度的万能材料试验机对该两种锚杆进行了检测，其实测力学性能如表1。
表1中空式锚杆实测力学性能表
试验
编号
材料名称
直径/壁厚
（mm）
试验机
表盘
（KN）
拉伸试验
抗拉荷载（KN）
抗拉强度（Mpa）
破坏特征
钢－11
WTD中空注浆锚杆
25/5.5
300
163
485
脆性断裂
164
485
脆性断裂
钢－12
GMC自进式中空注浆锚杆
27/6.0
300
271
685
脆性断裂
277
700
脆性断裂
钢－13
GMC自进式中空注浆锚杆连接件
27/6.0
300
200
505
连接套管处滑出
235
595
连接套管处滑出
GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆和WT中空式注浆锚杆施工设备和材料已形成系列，能满足施工需要，其技术参数如表2和表3。
表2GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆技术参数表
型号
GM25
GM27
GM32
直径/壁厚（mm）
25/5.5
27/6.0
32/6.0
抗拉强度（Mpa）
680
680
680
抗拉力（KN）
220
260
300
重量（kg/m）
2.5
3.0
3.6
齿高（mm）
1.5
螺距（mm）
12.7
螺纹方向
左旋
标准长度（m）
2.03.04.0
长度误差
1%
最大钻进深度
12米以上
表3WT中空式注浆锚杆技术参数表
规格
WTD25（WT25）
WTD27（WT27）
WTD32（WT32）
外径（mm）
25
27
32
抗拉力（T）
＞12
＞14
＞18
螺纹方向
左旋
齿高（mm）
1.5
螺距（mm）
12.7
标准长度（m）
2.533.54
长度误差
1%
2.2经济上的比较
按照定额进行单价分析，GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆费用最高，WT中空式注浆锚杆次之，普通锚杆最低，详细比较结果见表4。
表4几种锚杆单价估算（以Φ25，L=5m锚杆为例）
种类
GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆
WT中空式注浆锚杆
普通锚杆
单价
550.30
285.92
132.08
从表中可以看出，普通锚杆单价相对两种中空式锚杆较低，但随着地质条件变差，钻孔难度增大，甚至无法成孔，往往影响施工计划的正常进行，而且采用传统的灌浆工艺施工质量也得不到保证，三种锚杆的性能比较详见表5。
表5三种锚杆性能比较表
项目
GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆
WT中空式注浆锚杆
普通锚杆
工作效率
高
较高
低
操作难度
容易
较难
难
灌浆质量
好
好
差
最大钻进深度
12m以上
安全隐患
小
小
大
2.3分析结果
根据乌江渡水电站扩机工程的实际情况，引进中空式注浆锚杆在技术（质量）上和经济上均是可行的，可以明显地加快施工进度，提高施工质量，具有明显的经济社会效益。
3、锚杆结构
3.1吉迈（GMC）自进式锚杆
在各类地下工程中普遍存在着软弱围岩、断层破碎带、高地应力等复杂地质条件，给岩锚施工带来了极大的困难，特别是在坍孔严重和需要特长锚杆的情况下，普通的锚杆无能为力。
吉迈自进式锚杆将钻孔、注浆及锚固等功能一体化，在隧道超前支护、径向支护及各类边坡处理，高应力大变形等病害整治工程中均能很好地改良围岩，达到理想的支护效果。
1）球形螺母：
能将围岩应力集中传递到图1：
吉迈自进式锚杆
垫板上。
2）拱形垫板：
能承受更大的围岩应力。
3）止浆塞：
使注浆保持一定压力以充分填充围岩空隙。
（未示）
4）锚杆体：
全长国际标准波形连接螺纹，便于安装钻头、联结套、紧固螺母，并能任意切割和连接加长。
5）锚杆联结套：
使锚杆能边钻进边加长至设计的深度。
6）钻头：
具较强穿透力，使锚杆能穿过各类岩石。
3.2万通（WT）中空式锚杆
WT中空式锚杆由锚头、中空全螺纹锚杆体、注浆排气环、止浆塞、垫板、螺母等组成，它的每一个部件都是为了最大限度地保证注浆时砂浆充填饱满、密实，砂浆可在高达数十公斤的压力作用下渗透进围岩裂隙，并且可以方便地安装垫板、螺母。
4、锚杆施工设计
4.1超前锚杆施工设计
因部份岩石软弱，强度低，岩体节理裂隙发育，完整性差，属于Ⅴ类不稳定围岩，尤其是f129小断层裂隙密集带（属Ⅴ类极不稳定围岩），岩体呈碎裂结构，而且有地下水活动，页岩易软化、坍塌，为加快施工进度，改良围岩强度，确保施工安全，在围岩条件十分差、钻孔无法成孔的情况下，超前锚杆及系统锚杆采用GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆，具备成孔条件的围岩部位采用WT中空式注浆锚杆，其设计参数如下：
1）锚杆规格：
Φ25或27，L=4.5m（锚固深4.3m）；
2）锚杆间距：
沿顶拱四周间距50~60cm布置；
3）锚杆排距：
沿洞轴线3.5~4.0m布置；
4）锚杆方向：
仰角15°；
5）锚杆起始位置：
距掌子面20~30cm处开始钻设；
6）锚杆安装好后，锚杆尾端与钢支撑采取焊接方式连接好（钢支撑在扩挖过程中及时跟进）。
4.2在塌方体处理中的施工设计
在进厂交通洞施工过程中，厂交0+714~0+737段发生了严重的冒顶事故，将进厂交通洞进堵塞中断，基本上造成了进厂交通洞6＃支洞上、下游工作面的瘫痪。
为加快塌方体处理施工进度，该部位采用双排GMC全螺纹自进式注浆锚杆进行超前支护施工。
1）锚杆规格：
Φ27，L=9m；
2）锚杆间距：
沿顶拱四周间距40cm布置，开口线部位内外圈间距25cm；
3）锚杆排距：
沿洞轴线方向排距7m布置；
4）锚杆方向：
内圈仰角5°，外圈仰角18.5°；
5）锚杆起始位置：
距掌子面20~30cm处开始钻设。
6）锚杆安装好后，锚杆尾端与钢支撑采取焊接方式连接好。
（钢支撑在扩挖过程中及时跟进）。
该处塌方体全部由松散石碴夹泥组成，稳定性较差，为保证施工安全，该处超前锚杆施工时每排均钻进9m深，超前锚杆采用专用自进式中空注浆锚杆连接套管进行连接。
为改善塌方体段的围岩条件，保证在开挖施工中的稳定安全，在锚杆杆身上钻φ6mm孔，间距100cm，利用锚杆本身对塌方体顶拱进行灌浆加固。
5、锚杆施工工艺
5.1GMC全螺纹中空自进式注浆锚杆施工工艺
1）钻进：
采用台车或手持式凿岩机将安装好钻头的锚杆钻进至设计深度。
（锚杆如需加长，可用联结套进行联结，然后通过钻机钻进）
2）卸下钻机，安装止浆塞，将其安装在锚孔内离孔口25cm处。
特殊情况如注浆压力较大或围岩太破碎，也可用锚固剂封孔。
3）通过快速注浆接头将锚杆尾端与注浆泵相连。
4）开动机器注浆，待注浆饱满且压力达到设计值时停机。
注浆压力根据设计参数和注浆机性能确定。
5）根据设计需要，安装垫板和螺母。
5.2WT中空式注浆锚杆施工工艺
1）钻进：
用普通手持式凿岩机凿孔并清孔。
2）插入锚杆：
将安装好锚头的WT中空注浆锚杆插入锚孔，锚头上的倒刺立即将锚杆挂住。
3）安装止浆塞、垫板、螺母：
在锚杆尾端安装止浆塞、垫板和螺母。
4）连接注浆机：
通过快速注浆接头将锚杆尾端与所选注浆机相连。
5）注浆：
开动机器注浆，如需有压注浆改良围岩结构，那只需待压力表上指针升至设计压力即可
5.3施工设备
1）钻孔设备
采用7655型或YT28手持式凿岩机进行钻孔。
2）注浆机
采用NZ130A型锚杆专用注浆泵进行注浆。
浆液采用纯水泥浆，水灰比为0.4~0.45，浆液中掺入0.005%的商品级铝粉（或加膨胀剂），（NZ130A注浆机灌砂浆时要求砂的粒径1mm，工地上无原料而且灌砂浆时，注浆机增压仓极易损坏），浆液中添加适量的速凝剂中按施工要求调整初凝和终凝时间。
6、质量检查
6.1材料强度试验
委托贵阳施工科研所采用测试材料搞抗拉强度的万能材料试验机对该两种锚杆进行检测，其检测结果均满足强度标准。
6.2注浆效果及抗拨力测试
根据现场锚杆注浆情况来看，中空式注浆效果比较理想，经过现场抗拨力测试，结果均达到设计要求。
后来以通过无损检测，密实度达到96%以上，未达到100%可能是由于灌注纯水泥浆收缩所致，准备改用加膨胀剂以满足100%的密实度。
7、评述
7.1中空式锚杆技术优势
根据GMC全螺纹自进中空式注浆锚杆和WT中空式锚杆在乌江渡扩机工程中的应用效果，其与普通锚杆相比较具有以下优点：
1）GMC全螺纹自进式注浆锚杆钻杆及锚杆合二为一，用同等横切面积的中空管及实心体作比较，中空管能承受更大的弯矩力、剪力及有更大的表面粘结阻力。
所以GMC全螺纹自进式注浆锚杆的中空管能够承受更大的荷载。
2）快捷省时，减少工序，GMC全螺纹自进式注浆锚杆可用作钻进及灌浆，省却了传统锚杆施工的拆卸钻杆及护壁的程序。
3）高效能灌浆，使锚杆与岩体产生榫合作用，普通锚杆施工时，需要加上灌浆管及气管，但GMC利用全螺纹自进式注浆锚杆可更有效地将砼注入钻孔及孔壁泥土的裂缝，产生榫合作用，增加杆体摩阻力。
4）在坍孔严重和需要特长锚杆的情况下，普通的锚杆无能为力，而GMC自进式锚杆可以利用专用联结套能使锚杆边钻进边加长至设计的深度。
5）由内外螺母和止浆主体形成的专利旋进式止浆塞，可更好地达到止浆效果，保证注浆时堵塞锚孔，不使浆液溢出，同时止浆塞内孔与锚杆体表面形成一螺旋通道，通过此通道可实现将锚孔内空气顺利排出，避免注浆时锚孔中的空气形成气泡致使注浆不密实。
6）WT中空式注浆锚杆采用先锚后灌法施工，在锚头和止浆塞的共同作用下，可使水泥砂浆充分充填锚孔，后随注浆压力的升高，水泥砂浆可大量地渗透进围岩裂隙，达到固结、改良围岩的效果。
7）WT中空式注浆锚杆可以方便地根据需要主动或被动地施工加一定吨位的预应力，改良洞室的受力情况。
8）WT中空式注浆锚杆可在杆体的前部相隔一定距离钻一些注浆孔，防止锚头上注浆孔被岩屑堵塞，保证砂浆流动顺畅。
7.2工程应用范围
中空式锚杆作为一种有效的锚固手段，可以大量地应用到隧道的超前支护、径向支护、边坡加固、路基加固以及隧道病害整治工程。
不但可以彻底地解决传统工艺的诸多缺陷，确保工程质量，而且工艺简单、成本低廉，可实现压力注浆，改良围岩条件。
8、结束语
经过各方面的努力和业主、监理单位的支持，自引进中空式锚杆技术以来，在乌江渡水电站扩机工程中发挥了重要作用，取得了良好的经济效益和社会效益，并加快了施工进度，确保了施工质量。
YF2315D预应力注浆锚杆
前言
随着地下工程技术的逐渐发展，采用中空注浆锚杆对隧道围岩进行支护和边坡加固已得到了广泛的接受和认同。
隧道围岩支护和边坡加固的目的都为了控制围岩变形。
现代支护技术由于充分利用了围岩的自承能力，所以较传统支护技术更好地控制了围岩的变形，而采用锚杆则是充分利用围岩自承能力的主要途径。
对于硬岩隧道，由于其变形以岩块松弛为主，失稳变形量小，发生突然，征兆不明显，难以察觉，所以必须主动施加足够的预应力，以防止围岩因变形而导致失稳，从而保持隧道的稳定；对于软岩隧道，系统锚杆通过围岩变形而受力，从而被动地给围岩施加相应的反作用力以保持隧道围岩的稳定。
大量的实践表明，隧道围岩的变形主要集中在其变形的初期。
因此，如果能在系统锚杆中施加相应的预应力，有效的控制隧道围岩的初期变形，锚固支护将取得更好的效果。
所以，对软岩隧道也应当施加一定的预应力，更充分保证隧道围岩的稳定。
在此基础上，我公司为了解决锚杆预应力施加的问题，经过大量的研究和试验提出了YF2315D预应力注浆锚杆的设计方案。
一、适用环境
YF2315D预应力注浆锚杆适用于各种隧道围岩支护或者边坡加固工程。
二、系统结构
1．YF2315D预应力注浆锚杆总体结构
YF2315D预应力注浆锚杆按杆体结构区分，主要由内锚段L1、张拉段L2和外锚段L3组成，各段又带有相应的功能配件，如下图所示：
图1YF2315D预应力注浆锚杆系统结构图
（1）内锚段L1
为锚杆的张拉快速提供足够的抗拔力。
其长度根据设计所须预应力的大小确定，主要结构和配件包括：
a）内锚段杆体，通过沙浆锚固剂同锚孔粘接，为锚杆提供足够的抗拔力，从而提供足够的预应力；
b）居中环，防止砂石堵塞锚杆；并保证锚杆安装时杆体良好的居中性，是注浆饱满和浆液均匀包裹锚杆杆体，从而最终防止锚杆受腐蚀失效的前提。
（2）张拉段L2
受张拉能自由伸张，为锚杆提供设计需要的预应力，同时能为注浆提供顺畅的通道，使注浆浆液充分包裹杆体，以防止杆体锈蚀。
其长度应根据围岩不稳定层的厚度来确定，主要结构和配件包括：
a）张拉段杆体，受拉自由伸展，通过弹性变形为锚杆提供设计需要的预应力；
b）套管，防止张拉段杆体同锚杆孔孔壁粘接，保证张拉段杆体受拉能自由伸展；
c）止浆塞，防止浆液溢出，并配合居中环保证锚杆杆体的居中性。
（3）外锚段L3
安装张拉机具，对锚杆进行张拉，提供足够的预应力；张拉后，安装锁紧装置，防止预应力失效。
主要结构和配件包括：
a）外锚段杆体；
b）垫板；
c）螺母
三、设计参数
预应力：
60～150KN
杆体抗拉力：
≥230KN
锚固剂配合比（水泥:
砂:
水）：
1:
1～1.5:
0.45～0.5
注：
使用硫铝酸盐水泥，可根据设计需要确定浆液的配合比，并可掺入1～3%的早强剂。
锚孔直径（mm）：
φ51
内锚段长度L1（mm）：
根据设计所选用的水泥砂浆来确定，一般不应小于1500～2000mm
止浆塞：
YF32S
张拉段长度L2（mm）：
根据围岩不稳定层厚度确定，应保证内锚段位于围岩稳定层，一般不应小于1000mm
垫板（mm）：
120×160×6（带肋）
螺母：
YF32N
外锚段长度L3（mm）：
200
锚杆总长度L（mm）：
L1+L2+L3（最后结果增加到500的倍数取整）
锚孔深度（mm）：
L-L3
四、YF2315D预应力注浆锚杆的安装
YF2315D预应力注浆锚杆的安装同普通中空注浆锚杆的安装基本一致，不同于前者还须进行张拉。
首先在锚杆内锚段杆体的端部戴上居中环；将锚杆装入锚孔；再将止浆塞装上锚杆，并将其送入锚孔孔口以内；然后进行注浆；待24小时后即可进行张拉。
五、注浆设备及注浆工艺
1．注浆要求
YF2315D预应力注浆锚杆通过锚固剂（砂浆）使其内锚段与锚孔粘接，为张拉提供足够的抗拉力，从而为锚杆提供足够的预应力；同时，锚杆杆体如果暴露于恶劣的围岩地质条件下，长期受腐蚀必将导致锚杆预应力失效。
因此，必须保证注浆饱满，浆液完整、均匀地包裹住锚杆杆体。
另外，通过高压注浆还可以充填裂隙，改善围岩地质情况，有利于隧道加固或边坡支护。
2．注浆设备
通过YF2315D预应力注浆锚杆中空的杆体注浆，要实现注浆饱满均匀甚至进行高压注浆，必须使用配套的专用注浆设备。
公路和铁路隧道规范规定，注浆浆液的配合比即水泥:
砂:
水宜为1:
1～1.5:
0.45～0.5。
试验证明这种浆液收缩率小，符合注浆要求，但稠度高，常见注浆泵不便灌注；较稀的浆液收缩率大，凝固收缩后将导致注浆不饱满，形成工程隐患。
大量的工程实践表明，NZ130A型锚杆专用注浆泵是目前国内唯一能真正满足以上要求的注浆设备，同时应配备专用的注浆接头。
因此，为YF2315D预应力注浆锚杆注浆必须使用NZ130A型锚杆专用注浆泵以及专用注浆接头。
3．注浆工艺
注浆应由经过培训且合格的操作者严格按要求进行。
在装好止浆塞后，连接好注浆泵、注浆管以及专用的注浆接头；按设计规范要求的配合比配好注浆浆液，最好选用专业厂家按一定配合比生产的注浆材料以保证工程质量；然后开始进行注浆，注浆时应严密监视注浆设备以及锚杆等的现场情况，具体的详细程序可以见注浆泵的锚杆的相关指导说明书。
六、张拉机具及张拉工艺
我公司研制开发的新型预应力锚杆张拉机具已申请国家实用新型专利技术，采用这各张拉机具可非常容易地实现锚杆预应力的施加，工艺简单，操作方便。
七、综述
试验表明，YF2315D预应力注浆锚杆及其配套的张拉机具和张拉工艺完全可以解决如何对锚杆施加预应力的问题，为硬岩隧道破碎围岩的支护和边坡加固提供了一条有效的途径；而NZ130A型锚杆专用注浆泵及其配套的专用注浆接头和注浆工艺也为YF2315D预应力注浆锚杆的抗拔力、防腐以及防止失效提供了充分的保证.
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