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锚索施工质量通病控制
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锚索施工质量通病控制
边坡支护岩石锚索施工质量通病的诊断与防治
边坡支护岩石锚索施工质量通病的诊断与防治
李国良
（中国水利水电第八工程局基础工程分局湖南长沙410118）
[内容提要]：
由于小湾水电站边坡地质条件的复杂性，引起锚索施工过程中出现的质量通病较多，对锚索施工质量通病的准确诊断，采取必要措施，提前做好防治工作，防患于未然，对确保锚索施工质量及边坡的长期稳定与安全是大有裨益的。
本文作者通过多年来对多个工程的锚索施工过程中遇到的一些问题进行总结，在文中概略阐述了锚索施工过程中常见的一些质量通病进行的诊断方法及防治措施。
供从事锚索施工的同行参考与商榷。
[关键词]：
边坡支护锚索质量通病诊断防治
1．工程概况
小湾水电站位于云南西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干流河段与支流黑惠江交汇处下游处，系澜沧江中下游河段规划八个梯级电站中的第二级。
小湾水电站工程属大（Ⅰ）型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。
工程以发电为主兼有防洪、灌溉、拦沙及航运等综合利用效益，水库具有不完全多年调节能力，系澜沧江中下游河段的“龙头水库”。
小湾水电站枢纽工程由坝高292m的混凝土双曲拱坝、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞、右岸地下引水发电厂房及尾水洞组成。
大坝建成后水库容量为×108m3，电站安装6台水轮发电机组，装机容量为4200MW（6×700MW）。
2．地质概况
坝址区地处高山峡谷之中，两岸山势陡峻，呈“V”河谷，两岸边坡岩层主要为中深变质系黑云母花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩组成，岩层呈单斜结构，断层构造发育，以顺层面断层为主并分布有变蚀带，岩体表层以均匀风化为主，卸荷作用强烈，分布有陡倾角卸荷张裂缝和顺坡剪切裂隙，强卸荷裂隙发育带分布范围较广，埋藏较深，严重影响着开挖边坡的稳定与安全，为确保两岸边坡的长期稳定与安全，设计布置了大量的预应力锚索对边坡采取锚固支护处理措施。
3．预应力锚索级别
由于小湾水电站边坡岩体节理裂隙发育，裂隙之间相互连通率较高，边坡表面承载能力较低，设计上尽可能地采用小级别的预应力锚索，98%的锚索设计张拉力低于3000KN级。
在覆盖层边坡上采用1800KN以下级别的锚索，在强风化、强卸荷岩石边坡采用3000KN以下级别的锚索。
4．锚索形式
在覆盖层部位、卸荷裂隙发育部位、断层破碎岩体部位、开挖切割较深估计岩体变形程度可能较大的边坡部位采用无粘结式锚索；在除上述部位以外的其余锚索采用全长粘结式锚索，粘结式锚索锚固段顶部设置制浆塞。
5．外锚墩承载体结构形式
在岩体较好的部位，外锚墩承载体采用梯形棱台体型混凝土墩，外锚墩与岩石结合面宽度按相应岩土类别承载能力计算确定，锚墩高度由上下底宽确定锚墩的结构体型尺寸参数。
覆盖层及软弱岩体部位采用钢筋混凝土网格梁与钢筋混凝土结构板墙，以此增大受力面积。
6．常见锚索施工质量通病
锚索施工质量通病有些是可以预测并通过采取补救措施处理后解决好，有些通病则无法预测且无法采取补救措施，只能依靠严格施工工艺要求操作施工，以杜绝人为的原因造成的质量通病。
常见的锚索质量通病有如下几种：
锚索在张拉时钢铰线的实际伸长值小于理论计算值；
锚索在张拉时钢铰线的实际伸长值大于理论计算值；
张拉锚索通过压力表反映的张拉力与应力计反应的张拉力出入较大；
张拉过程中或张拉后混凝土墩出现被压裂；
张拉过程中或张拉后钢铰线被拉断；
张拉过程中或张拉后外锚墩出现下陷；
张拉结束锁定时应力损失过大；
张拉后应力损失过大；
张拉过程中锚固段被拉松；
少数根钢绞线被拉松；
7．质量通病的原因分析及防治措施
锚索在张拉时钢铰线的实际伸长值小于理论计算值的原因分析与防治措施
原因分析
锚索在张拉时钢铰线的实际伸长值小于理论计算值，此种情况主要出现于全长粘结式锚索，究其原因，主要是粘结式锚索的张拉段长减小所致，而导致锚索张拉段长减小的直接原因，是锚固段灌浆时，水泥浆液灌入量远大于锚固段内的需浆量，尤其是在岩石破碎、节理裂隙发育的部位布置的锚索，并要求在锚索的锚固段顶部设置制浆塞，采用压力灌浆，直至排气管出浆为止，致使在对锚固段灌浆时，多灌入的水泥浆液绕塞返浆进入到了张拉段内，导致锚梭的实际张拉段长减小。
水泥浆液绕塞返浆进入张拉段内的途径有以下几个方面：
1）由于风动造孔孔壁粗糟，止浆塞内充浆或充气后与孔壁之间仍然存在着接合缝面间隙，随着往锚固段内不断注浆，当锚固段内注满浆液后，浆液在注浆压力作用下从止浆塞与孔壁之间的间隙内进入张拉段内；2）锚固段内的岩石裂隙与张拉段内的岩石裂隙相连通，随着往锚固段内不断注浆，当锚固段内注满浆液后，浆液通过岩石裂隙通道进入张拉段内；3）上述两种情况兼而有之；
当张拉段内存在宽大裂隙时灌入张拉段内的水泥浆液被漏掉，始终不见孔口排气管出浆，对锚固段的注浆量的多少带有盲目性，灌入张拉段内的浆液握裹住钢铰线，导致锚索实际张拉段长减小，从而出现锚索在张拉时钢铰线的实际伸长值小于理论计算值。
防治措施
1）在岩石破碎、节理裂隙发育部位设置无粘结式锚索；
2）在钻孔过程中，通过灌注浓浆处理堵塞住串、漏浆的岩石裂隙通道，在锚索下入孔内之前，对全孔进行一次灌浆，直至孔内不再存在较大的漏浆或串浆通道；
3）不设置止浆塞，对锚固段定量注浆，以防出现绕塞返浆。
4）通过自由段灌浆管检查锚固段是否已经注满浆液，当发现所灌浆液已经灌入自由段内时，通过自由段灌浆管对自由段进行清洗，以将自由段内的浆液清洗出孔外，不使之握裹住张拉段内的钢铰线，切实保证锚索自由段的长度符合要求。
锚索在张拉时钢铰线的实际伸长值大于理论计算值的原因分析与防治措施
原因分析
1）地质方面的原因，当岩石抗压强度较低、岩石破碎、节理裂隙密集，岩石空隙率大，岩石受压后产生较大的压缩变形量；表层岩石抗压强度低，外锚墩受力后出现位移下陷，致使钢铰线的实际伸长值大于理论计算值。
2）实际张拉段长大于理论段长，由于锚固段内所灌入的水泥浆液干缩下沉，或部分浆液通过裂隙流失，导致水泥浆液对钢铰线的有效握裹长度减小，实际锚固段长小于理论段长，锚固段上部成了自由段，故此出现实际张拉伸长值大于理论计算值。
3）工具锚夹片出现滑移，测量伸长值增大，这是一种假象。
防治措施
1）在锚索孔钻孔阶段，对钻孔进行固结灌浆，以提高岩石的完整性及弹性模量，减小岩体变形。
2）当孔口为强风化岩层或土层，抗压强度较低时，增大外锚墩与强风化岩层或土层的结合面面积，如采取增大外锚墩的体型尺寸，将锚墩设置为钢筋混凝土网格梁或钢筋混凝土板墙，以防止锚墩受力后出现下陷。
3）对锚固段先行灌浆处理，消除漏浆通道。
4）经常清洗工具锚夹片，保持其齿槽内清洁，当夹片出现磨损时及时更换夹片。
张拉锚索时压力表反映出的张拉力与应力计反应的张拉力出入较大的原因分析与防治措施
原因分析
主要是系统误差原因造成的，尽管张拉设备、仪表、测力计均已经过了率定，但其自身误差是始终存在的，也是不可避免的，如当测力计安装不平，未与锚垫板紧密结合，未对中孔口中心，气候温度变化，张拉设备未与测力计配套率定，当多种误差出现叠加时，就会出现测力计反应出的锚索拉力与张拉设备反应的锚索拉力不一致，甚至两者差距较大。
张拉时反应张拉力的压力表安装位置与锚索孔口位置高差较大，高于孔口时实际张拉力就偏大，低于孔口时，实际张拉力就偏小。
防治措施
1）张拉前对张拉设备与所使用的测力计联合率定。
2）精心安装测力计，减小测力计的安装误差。
3）力求使反映张拉力的压力表的安装位置与锚索孔口在同一高程位置上，或尽量减小两者的高差，也可根据压力表与锚索孔口的高差经过换算增大或减小压力表的指示数值。
张拉过程中或张拉后混凝土墩出现被压裂的原因分析与防治措施
原因分析
主要是锚墩混凝土墩的强度偏低或锚墩与岩石结合面不平整出现应力集中所致，如混凝土配合比不当，混凝土强度低于岩石强度，混凝土龄期短，未达到强度要求时就提前进行张拉等。
防治措施
1）对孔口岩石面凿平后浇筑外锚墩混凝土；
2）锚墩混凝土浇筑严格按照试验室配方配料搅拌混凝土；
3）锚墩混凝土浇筑完成后应及时养护；
4）混凝土龄期未达到强度要求不能提前进行张拉。
张拉过程中或张拉后钢铰线被拉断的原因分析与防治措施
原因分析
1）钢铰线在冷拔过程中残留有较高的内应力，容易产生锈蚀，甚至导致应力腐蚀或氢脆断裂；
2）孔内有酸性地下水，对锚索产生腐蚀；
3）钢铰线质量存在缺陷，如表面有点状腐蚀坑或局部夹杂物，在高应力状态下引起应力集中而出现断裂；
4）钢铰线保管防护不善，表面防护层局部破损，造成钢铰线严重锈蚀，两种金属长期直接接触引起电化学腐蚀，强度降低，在高应力作用下产生断裂；
5）整束锚索张拉时，各根钢铰线受力不均匀，受力大的钢铰线大于破断荷载时出现断裂。
防治措施
1）新购钢铰线在试验室做受力性能试验，性能指标符合要求后才用于工程施工；
2）对钢铰线做好防护工作，如不得与其他金属材料或具有腐蚀性的化学材料混堆在一起，露天堆放时，不得与地面直接接触，并遮盖防水雨布；
3）粘结钢铰线下料时注意检查其表面有无宜引起应力集中的腐蚀坑，及其他质量缺陷，确认无质量缺陷后方可用于制作锚索；
4）对含有酸性地下水的锚索孔应认真做好灌浆处理，减少渗水；尽早对锚索进行张拉；在锚索张拉之前往孔内灌注PH值大于12的石灰水或碳酸钠溶液，以对锚索进行临时防护；
5）采用防腐型锚索；
6）锚索整束张拉之前，先用轻型小千斤顶对各根钢铰线进行对称预紧张拉，使之充分绷直，以使锚索在整体张拉时，各根钢铰线能够均匀受力。
张拉过程中或张拉后外锚墩出现下陷的原因分析与防治措施
原因分析
主要是锚索孔口岩层或土层的抗压强度较低，混凝土锚墩与岩石结合面积偏小所致。
防治措施
增大混凝土锚墩与锚索孔口岩层或土层的结合面积，如增大锚墩的体型尺寸或改为钢筋混凝土网格梁、钢筋混凝土板墙等。
张拉结束锁定时应力损失过大的原因分析与防治措施
原因分析
1）夹片夹持紧钢铰线时产生的预应力损失
锚索锁定时，夹片随钢铰线往锥孔内回缩而夹持紧钢铰线，回缩值一般按6mm计算拉力损失量，属于张拉工艺正常损失。
2）锚具与夹片配合公差产生的预应力损失
VM系列锚具的工作原理是靠夹片随同钢铰线的回缩进入锚具锥孔内而将钢铰线楔住，故此夹片也称为楔片，锚具锥孔的锥度为1：
，由此可知，夹片在径向上偏差1丝，则在轴向上便产生10丝的误差，锚具锥孔及夹片在加工制作时不可避免地会存在着加工偏差，两者在配合时也会有配合公差，导致锁定时钢铰线会超量回缩而大于夹片的跟进量，但由此产生的预应力损失甚微。
当锚具锥孔内及夹片不洁净，如附有尘土沙粒时，在径向上产生大的配合公差，则在轴向产生的误差更大，从而会导致锚索在锁定时产生较大的预应力损失。
3）操作方面原因引起的预应力损失
操作人员在操作过程中，操作经验不够丰富或稍有马虎大意，都会不同程度的使锚索在锁定时产生预应力损失，如在安装夹片时，若夹片安装不平或不均匀对称，导致夹片不能够很好的咬合钢铰线和人为增大夹片与锚具锥孔的配合公差，从而在锚索锁定时产生预应力损失。
4）限位板与工作锚具的配合不好，如限位板的腔槽过深，张拉时工作锚具夹片伸出量较大，锁定时不能随同钢铰线及时跟进夹持紧钢铰线，钢铰线的回缩量较大从而导致锁定时的拉力损失较大。
如8#山梁50#锚索所处部位岩石条件较差，孔深20m以上为强风化岩石，孔口为坡积层，张拉到1100KN锁定，测力计反应出锚索锁定后只有，张拉力降低了，夹片随钢铰线往孔内回缩值按6mm计算，损失，属于张拉工艺正常损失。
尚有属于非正常损失，张拉锁定后，经对钢铰线在张拉前、后的测量，钢铰线张拉后的实际回缩值为20mm，即非正常地多往孔内回缩量为14mm，换算为应力损失，其余的为其他次要原因导致的应力损失。
由图1即可看出，锁定时张拉力出现急速衰减，后又呈现出相对稳定的趋势，由此表明，锚索在锁定时，钢铰线的回缩量远大于夹片的跟进长度，即夹片未与钢铰线同步跟进回缩，而是钢铰线先回缩14mm后，夹片才跟进并锁紧钢铰线，经对夹片滞后于钢铰线跟进的原因进行研究分析后认为，置于工作锚具上的专用限位板的空腔槽深度过大，钢铰线张拉时，夹片随同钢铰线伸出量过多，夹片与钢铰线的间隙也就过大，夹片不能及时随同钢铰线回缩跟进，在锁定时钢铰线先回缩，夹片滞后跟进，导致锁定时锚索产生较大的应力损失。
也是锚索应力损失的主要原因。
解决措施
1）减小限位板的空腔槽深度。
4）采取补偿张拉措施，
3）提高超张拉系数，将超张拉系数由提高到，增大超张拉力。
经采取防治措施后的10#锚索张拉情况良好，见图2。
张拉后应力损失过大的原因分析与防治措施
原因分析
1）钢铰线与孔壁之间摩阻产生的预应力损失
由于地层软硬不均，断层、破碎带、钻具重力钻头磨损等诸多方面的原因，钻孔不可避免的会出现不同程度的弯曲或孔径不均，造成锚索预应力部分损失。
2）地质条件原因造成的预应力损失
当对锚固体对象施加预应力后，被锚固对象因受压而会产生不同程度的压缩变形，变形量的大小与地质条件有着直接的关系。
当地层岩石完整且抗压强度较高时，产生的变形量相对较小，相应的锚索预应力损失也就相对较小；强风化岩石、破碎岩石及坡积层的抗压强度低，空隙率大，锚索张拉后受压因变形量较大，产生的预应力损失也就相对较大。
防治措施
1）对锚索孔进行固结灌浆处理，以提高岩石的完整性、抗压强度及弹性模量。
2）适当提高锚索的超张拉系数，即通过提高超张拉力，来弥补部分预应力损失。
3）当预应力损失较大时，待地层充分变形之后，即待锚索预应力损失趋于稳定之后再做补偿张拉。
张拉过程中锚固段被拉松的原因分析与防治措施
原因分析
锚固段被拉松动主要有五个方面的原因：
1）锚固段的浆液结石强度不够，达不到张拉所需的强度，就会将锚固段拉松，因浆液结石强度低而将锚根拉松分为如下两种情况：
①锚根段内的水泥结石与孔壁的粘结力小于锚索的张拉力，当锚索的张拉力大于浆液结石与孔壁的粘结力时，锚根段内的水泥结石产生破坏，锚根便会被拉出；②水泥浆液结石对钢铰线的握裹力小于张拉力，当张拉力大于水泥浆液结石对钢铰线的握裹力时，钢铰线便会从水泥浆液结石内被拉出；从理论计算和实践经验来看，水泥浆液结石与孔壁之间的粘结力远大于水泥结石对钢铰线的握裹力，即钢铰线从水泥浆液结石中被拔出的可能性大于整个锚根被拔出的可能性；
水泥浆液强度偏低的原因有如下几点：
①锚固段灌浆所使用的水泥标号偏低或灌入的水泥浆液未严格按照试验配方配置，实际配置的水泥浆液浓度偏小，②浆液灌入孔内后在凝固之前受到人为扰动；③孔内存在裂隙水，灌入孔内的水泥浆液被裂隙水稀释，被稀释后的水泥结石强度降低，其对钢铰线的握裹力或与孔壁的粘结力小于张拉力时，在锚索张拉时便会将锚索根部拉松；
2）锚固段内存在宽大的裂隙通道，当锚固段内灌浆时，水泥浆液被灌入裂隙内，即出现漏浆现象，所灌入的浆液量不能完全充满锚固段，所形成的锚固段长较小，较小的锚固段长内的水泥结石与孔壁的粘结力也较小，当张拉力大于锚固段长内的水泥结石与孔壁的粘结力时，便可将锚根拔出。
3）锚索下入孔内之后，出现塌孔，碎石及塌落物埋住钢铰线，锚固段内所灌入的水泥浆液，不能完全握裹住钢铰线，即水泥浆液对钢铰线的有效握裹面积减小，水泥浆液对钢铰线的握裹力自然减小，当对锚索施加的张拉力大于水泥浆液对钢铰线的握裹力时，即可将钢铰线从水泥浆液结石中拔出或将整个锚根拔出。
4）锚索孔伸入到完整岩石内的深度不够，甚至还未伸入到完整岩石内，锚根段内的岩石强度偏低，或低于水泥浆液结石的强度时，即可将锚索的锚固段拉松。
5）锚固段钢铰线捆扎过紧钢铰线之间没有间隙或间隙过小，水泥浆液对钢铰线的握裹层厚度较小，水泥结石对钢铰线的握裹力小于张拉力，导致锚固段被拉松。
防治措施
1）使用能够满足张拉所需强度要求的高标号水泥；
2）严格按照试验室提供的配方配置水泥浆液；
3）水泥浆液灌入孔内后，再未凝固之前，不得人为扰动锚索；
4）锚索孔全孔钻完之后，在锚索下入孔内之前，对全孔进行一次固结灌浆，减少孔内渗水，以防止灌入孔内的水泥浆液被稀释；
5）在钻孔过程中，当遇到宽大裂隙或断层破碎带时，应停止钻进，对钻孔固结灌浆之后再行钻进，以防浆液漏掉；
6）在钻孔过程中，当遇到塌孔、掉块时，应停止钻进并对钻孔进行固结灌浆处理，待凝之后再扫孔钻进，既可减小钻孔施工难度，也可避免因塌孔掉块而导致锚索下不到孔底，防止掉块滚落孔底使锚固段钢铰线得不到水泥浆液的有效握裹而起不到锚固作用；
7）锚索孔的锚固段应置于完整岩石内，在钻孔过程中，若钻孔已达到设计孔深而尚未钻到完整岩石或虽已钻到新鲜完整岩石，但进入完整岩石内的深度达不到锚固段长度要求时，应继续加深，直至满足要求为止，确保锚固段置于稳定岩石内才能终孔。
8）锚固段钢铰线不能捆扎过紧，当使用无粘结钢铰线时，锚固段内的钢铰线上的油脂应清洗干净。
少数根钢绞线被拉松的原因分析及防治措施
原因分析
锚索在张拉时，一束锚索内的少数根钢铰线被拉松多出现于小倾角或水平锚索孔内的原因有如下几个方面：
1）同上述条中的第三个方面的原因；
2）在整束锚索张拉之前，未首先对各根钢铰线实施预紧张拉，钢铰线受力不均匀，受力较大的钢铰线容易被拉松。
防治措施
1）同条中的第6）个措施；
2）同条中的第6）个措施。
8．结束语
随着我国水电建设的开发，尤其是西部水电的开发，为水电建设施工企业带来了无限商机与活力，西部是我国水电资源富矿，又多处于高山峡谷之中，电站两岸边坡的长期稳定与安全直接关系到电站及其下游人民生命财产的安全，搞好边坡支护是水电站建设与运行建立的一道安全屏障，通过对锚索施工质量通病的诊断分析，采取预防措施，妥善处理，以预防为主，尽最大可能地杜绝支护质量隐患。
作者简介：
李国良，男，高级工程师，一直从事基础处理工程施工技术工作，工作单位水电八局基础工程分局
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