预应力锚索施工技术研究与应用.docx
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预应力锚索施工技术研究与应用
第5章预应力锚索施工技术研究与应用
5.1概述
永久船闸边坡开挖后岩体应力场重新调整，开挖卸荷不可避免地导致岩体结构面变形并可能产生破坏。
为限制岩体变形、保证岩体稳定，开挖过程中除采取爆破控制、地表截水和地下排水等措施外，还及时进行了大量锚索加固。
预应力锚索是主动加固永久船闸高边坡的最主要手段，对限制岩体变形和保证大规模块体稳定具有重要意义。
永久船闸共布置预应力锚索4600束，主要布置在四面直立边坡上；锚索施工月强度达241束；其中系统锚索2080束，随机锚索2520束。
锚索吨位大、数量多、孔深长、口径大、成孔精度高，在最大高度达68m的直立坡上进行锚索施工具有相当的难度，与此同时，锚索施工还必须兼顾在两个狭长闸槽内的开挖，这给施工技术、施工质量控制提出了很高的要求。
系统锚索长度一般为30～60m，大多数为3000KN级的对穿锚索或端头锚索，少数为1000KN级的端头锚索。
系统锚索因其设计布置的确定性，在施工过程中可以通过合理统筹安排，积极为锚索施工创造有利条件，减少锚索施工与深槽开挖施工的相互干扰。
按照动态反馈设计的指导思想，在深槽开挖过程中针对边坡出现的规模较大、不能满足稳定要求的半定位块体和随机块体布置了大量的随机锚索进行加固处理。
锚索长度根据块体滑移面埋深确定，20～66m不等，为3000KN级的对穿锚索或端头锚索。
随机锚索施工高度大多为20余m或30余m，个别为40余m，需搭设高排架进行施工；除局部较集中的随机锚索施工可与开挖施工统筹安排外，大多数部位的随机锚索布置分散、工序多、工期紧，施工条件差，难度大，难以与开挖相互协调。
工程设计时考虑到船闸特殊的墙后排水结构要求、锚索锚固效应等因素，锚索呈水平布置，并对综合偏斜提出了超现有规范的要求：
对穿锚索孔的综合偏斜控制在1％以内，端头锚索孔的综合偏斜控制在2％以内。
对大量的水平孔锚索采用如此高的造孔精度要求，在国内外尚属首次（现有规范对锚索孔综合偏斜要求：
一般控制在3％以内）。
船闸锚索加固的部位一般为松动――松弛区或不稳定块体，结构裂隙较发育，有各类软弱结构面；尤其是中隔墩部位岩体三面卸荷松弛，锚索高精度成孔条件较差。
如何解决高精度、水平锚索施工技术是实现对船闸直立墙边坡岩体进行适时锚固的关键技术之一。
为此，施工中对选择合适的钻孔机具、钻进控制方法进行了专门研究。
鉴于锚索的重要性，施工中对锚索钢铰线材质、注浆材料进行了严格的试验检测；对注浆和墩头锚固材料的配合比进行了大量试验研究和论证。
由于目前锚索施工质量缺乏完善的验收控制方法，施工中对锚索施工质量进行了专门的检测试验，论证了施工质量，同时验证了施工方法、程序的合理性。
总之，在永久船闸预应力锚索施工中，由于进行了一系列的生产性科学试验，合理地选择和改进了施工机具、确定和优化了生产程序和工艺、严格控制了材料质量和施工质量，确保了锚索达到预期的锚固效果。
5.2钻进机具选择与改造
钻进机具的选择与改造工作结合现场岩锚试验进行，是现场岩锚试验内容之一。
5.2.1锚索钻机类型选择与改造
钻机及机具类型是保证钻孔质量和钻进进度的重要因素，试验过程中选用了日产英格索兰TRG－300S型钻机、瑞典Atlas－A52型钻机、意大利土力SM－400型钻机、北探厂QDG－2型钻机和重庆探矿机械厂MGJ－50型钻机进行对比，试验结果显示，TRG－300S型、QDG－2型、MGJ－50型钻机适合排架作业，但存在钻孔速度较慢，成孔随机性较大，孔斜合格率不很高。
而瑞典Atlas－A52型和意大利土力SM－400型钻机无法在普通钢管排架上作业，且成孔精度都不高。
由此可见，利用现有钻进设备均不能满足永久船闸锚索孔施工钻进要求，需要进行专门的设备改进。
鉴于上述钻机存在的问题以及钻机对确保施工进度和钻孔质量的重要意义，本次研究中对钻机进行了改进，研制生产出了DKM－1型轻便型钻机、MZ165D钻机和MGJ－50D微小型钻机。
DKM－1型轻便型钻机的主要技术指标：
施工口径φ59mm－180mm，推进压力20kN，提升压力40kN，转速20～30r/m，21kW电动液压，重1100㎏，浮动式动力头（长2.75cm）钻机。
该钻机体积小、重量轻、适用于普通钢管排架上施工。
MZ165D型钻机是重庆探矿厂对宣化英格索兰MZ165型钻机的改进型，适合于排水洞内的钻孔施工。
该钻机机身长2.60m，重1900㎏，22kW电动液压钢绳推进提升，压力68kN，可施工口径φ65mm～φ165mm，转速0～100r/m，浮动动力头，底盘可水平推移滑动，配套φ108mm钻杆，φ150mm扶正器，可作水气混合钻进。
MGJ－50D微小型钻机是重庆探矿厂产MGJ－50型钻机的改进型产品，适合于在高边坡普通排架上施工。
该钻机身长2.5m、重760㎏、11.5kW电动液压链条推进提升，压力14.6－22kN，可施工口径φ65mm～φ180mm、转速32－183r/m，卡式动力头。
配套φ108mm钻杆、φ150mm扶正器、造孔50m、投入使用后效果良好。
5.2.2钻具选择与改进
钻头：
随着潜孔锤工艺推广运用，潜孔锤钻头的类型也随着工艺研究的深度出现很多的品种，如平底尖球齿型、平底球齿型、球型、凹心型，考虑到本地区岩石坚硬，存在岩脉、裂隙等不良地质缺陷，导致岩体的各向异性特性突出，而钻孔精度要求高，因此，凹心型球齿潜孔锤钻头将是适合本地区施工的一种类型。
为此，本次选用、研制了φ165mm凹心球齿钻头。
其技术指标：
本体直径φ165mm，齿出刃25mm。
球齿柱直径φ16mm掌面配齿17枚，中心至外缘三圈，齿间夹角度110～150，凹心距30㎜。
试验结果表明，这种钻头结构具有良好的崩剪破岩效果，凹心部位有很强的导向能力，在一定程度上能克服岩石的各向异性造成的造斜力。
冲击器：
国内目前能与φ165mm钻头配套的冲击器，高风压、中风压、低风压三大类，根据永久船闸地质条件和施工进度要求，选择钻进速度快、成孔精度高的DHD－360型和SF－6型高风压冲击器。
导直钻进工艺：
钻孔偏斜主要由两个方面的原因造成，一是钻具与钻杆结构特征造成的自然偏斜、二是钻进过程中长度较大的钻杆在强大钻进压力下造成的弯曲；导直钻进工艺包括对这两方面钻进偏斜的控制。
（1）钻具自然偏斜误差与控制
钻具包括钻头、冲击器，后部接钻杆。
在水平钻孔中具有自然偏斜角，钻进过程中当钻杆达到第一挠曲波长时，自重力作用下，钻杆开始成抛物线下垂，钻进越深，垂曲距离越大。
为克服这种自然偏斜造成的钻孔精度误差，保证钻孔精度，在冲击器后部安装一较大直径的钻具扶正器。
通过试验，对上述钻具，应配备的扶正器配参数为：
长度0.3～0.5m，直径φ160mm～φ158mm，表面刨槽凸棱。
（2）钻杆弯曲与控制
永久船闸锚索孔深普遍在30～50m，使用φ89mm钻杆，其长径比为：
3/100～18/1000，螺旋钻进时导致钻杆自转（绕钻杆中心轴转动）加上轴向压力，造斜力成倍上升，沿重力方向偏斜越来越严重。
控制钻杆弯曲的方法：
加强钻杆刚度，采用φ89mm双壁钻杆和增大直径至φ108mm，来提高钻杆刚度；增加钻杆扶正器，延长钻杆弯曲波长，即在弯曲半波长位置增加扶正器支点。
这样可以使钻杆绕着钻孔轴心，沿孔壁滑动作公转运动，使孔轴心呈直线延伸，减小变曲力，减轻钻机负荷，达到水平成孔效果。
两种措施构成了钻孔导直工艺，如结构示图如下（图5－1）
该钻具组合在永船锚索施工中造孔4000余个，孔斜误差≤1％的成孔保证率达80％以上。
钻进参数：
钻具组合使用必须配合合理的钻进参数，试验选定的相关参数如下：
（1）转速（r）：
根据钻头配齿角和冲击器的冲击频率确定，试验选定的
钻头配齿角为11.5°～13.3°，在气压为1.2MPa时，冲击频率为18次/秒，最优转角为配齿的1/2，即（6°～7°）×18/360＝0.3～0.5（每秒转速），亦即每分钟转速为18～21。
此转速避免球齿重复崩剪，让每次冲击功都运到相邻位置，正好崩剪破岩，产生岩粉颗粒中粗一粗状，粉尘含量相应减少。
（2）钻压：
使用组合钻具的自重较大，相对负荷较大，钻压不易过高，是以孔内钻具的总重量为参考值，在钻进过程中不断调整。
（3）风压：
根据现场压风系统配置，风压稳定在1.0～1.2MPa。
若风压增大时，减小转速和增大钻压，若风压减小时，应增加转速，减小钻压。
所谓合理钻进工艺即“高钻压、慢转速、平稳风压”，进尺效率4～5m/h。
5.3锚索孔孔斜检测技术
锚索孔检测设备主要使用捷创力520全站仪（测角精度为2、测距精度为2+2ppm）、拓普康SL-3测距仪（测距精度为2+2ppm）、蔡司010经纬仪（测角精度为2）和苏光J2-2经纬仪（测角精度为2）进行测量放样，各类仪器的精度均能够满足施工要求。
端头锚索孔传统检测方法主要有罗盘定时定位法和磁方位摄影测斜法。
两种方法都是利用内置罗盘仪测设出水平磁方位角和倾角，结合当地磁偏角计算出待定点的水平角和倾角，求出待定点的孔位偏斜率，并最终求出终孔的孔斜率。
由于永久船闸工程施工的特殊性，现有的这两种方法不能完全满足要求的检测精度。
在实际工作中，我们开发了利用经纬仪测斜法应用于端头锚索孔的检验方法。
在要检测的锚索孔内放置一可见光源（一般采用手电筒），可见光源由每6m（此外还有1m、2m钢管各一根）、直径四分的钢管组成的长杆送到指定的位置，将手电筒和四分钢管固定好，然后将经纬仪架设于离孔口1m左右之处，再由经纬仪寻找出要测设位置的光源（此时光源应为能看得见电珠的光源），并测出在指定位置的方向角、竖角，同时记录下此时该测设位置距孔口的点距，依同样的程序逐次将一个锚索孔内的各位置各项要素测设出来，然后再由架设在附近四等点上的全站仪测量出经纬仪的测站坐标和孔口坐标，从而计算出终孔坐标及终孔方位角偏差、水平向位移、倾角偏差、竖直向偏差、终孔点位误差。
如果在测斜过程中，对可见光源不可见时，可以使用磁方位摄影测斜法进行补充，并将终孔的各项指标联系经纬仪所测得的指标结合在一起作为单个锚索孔的最终验收指标。
采用这种孔斜检测方法满足验收测量的精度要求。
5.4锚索材料检测与配合比试验
5.4.1锚索钢绞线材质检验
钢绞线材料有普通钢绞线与无粘结钢绞线两种。
锚索钢铰线的材质机械性能检验产品对象分别为江西新余、北京建筑工程研究院生产的无粘结钢绞线、无锡金羊、天津金弓、江苏新华等品牌钢绞线。
三峡永久船闸的锚索钢绞线要求是按美国ASTMA416－87a标准检验的1860级高强底低松弛预应力钢绞线，以上钢绞线机械性能检测结果符合ASTMA416－87a质检标准，符合设计要求，但各种品牌的钢铰线存放后外观特征与检验结果不尽相同。
5.4.2锚固材料的选择与检测
三峡岩锚支护现场试验锚固注浆材料涉及的原材料主要包括：
水泥、砂、骨料、外加剂。
在设计文件中，对涉及到的水泥作出了品质和产地限定，对外加剂，根据使用性能、施工工艺和耐久性比选使用。
①水泥选用葛洲坝水泥厂生产的425号和525号普通硅酸盐水泥。
②砂选择南村坪河砂，其技术指标为：
细度模数为3.7，含泥量＜1％。
经2mm过筛后用于浇筑外锚混凝土。
③卵石选用右岸高家溪料场卵石，主要用于浇筑垫座混凝土。
卵石最大粒径小于20mm，含泥量小于0.4％。
④外加剂主要有早强高效减水剂、高效减水剂和膨胀剂，分别用于锚固注浆材料和垫座混凝土。
早强高效减水剂选用广东三水银海化工有限公司提供的GYA型高效减水剂；高效减水剂选用基利土（香港）有限公司北京办事处提供的DM－100型高效减水剂，主要组分为液体萘磺酸缩合物复合外加剂，用于浇筑垫座混凝土；膨胀剂（AEA）选用中国建设材料研究院专利成果（85107101.5），由长城铝业公司水泥厂生产。
5.4.3锚固注浆材料配合比试验
5.4.3.1锚固注浆材料配合比
各种设计条件下锚索注浆用水泥浆标号要求分别为：
R3350号、R7350号、R28350号和R28300号，同时应考虑施工操作性要求。
浆材的拌和、成型、养护及力学、物理性能试验参照《水工混凝土试验规程SD105－82》有关规定进行；水泥净浆流动度按GB8077－87《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。
通过大量配合比试验，推荐施工用配合比见表5－2（将推荐配合比）：
表5－2推荐配合比及相关指标值
编号
水灰比
外加剂掺量
抗压强度
变形（10-4m/m）
流动性
AEA
GYA
3d
7d
28d
7d
14d
初始
15min
60min
SXJ7
0.38
8
0.3
19.5
35.4
67.9
SXJ9
0.35
8
0.7
24.8
37.4
64.5
13.82
22.2
24.8
19.9
17.3
SXJ10
0.35
8
0.7
29.8
48.4
78.2
25.4
23.1
23.0
SXJ14
0.32
8
0.7
37.4
55.4
92.5
23.28
26.93
24.5
20.5
17.8
SXJ16
0.30
8
0.7
45.4
64.9
98.1
22.8
21.0
16.4
5.4.3.2锚固注浆材料性能
表5－1给出了各推荐配合比的强度、变形和流动等性能的试验结果，显然地，它们都符合要求。
试验结果显示，减水剂的掺入具有缓凝效果，GYA的掺入时机对控制凝结时间有良好效果。
GYA先掺，初凝时间8～10h，终凝时间10～11h；GYA后掺，初凝时间14～16h，终凝时间16～19h。
现场试验结果表明各浆材凝结时间均满足施工要求。
在注浆材料中掺入适量GYA，除具有降低水灰比和提高浆材强度的作用外，对浆液流动亦有明显改善。
为解决流动度沿时损失过大的矛盾，满足现场远距离、长时间灌注的要求，经过试验，提出了减水剂后掺工艺。
如水灰比为0.30的浆材，采用减水剂后掺工艺，1h流动度仍大于16cm，满足现场灌浆要求。
掺入AEA有明显的膨胀作用，其膨胀主要发生在7d龄期以内，后期膨胀值增长较小，而未掺膨胀剂的水泥净浆或砂浆均有不同程度的收缩变形。
上述配合比的浆材具备良好的后期强度，90d强度比28d强度增长约20％左右，掺与不掺外加剂的浆材强度具有相似的增长规律。
5.5锚索施工工艺试验
5.5.1止浆环工艺研究
止浆环由隔板、心圈筒、限位环、气囊、胶带五个部分组成。
隔板采用d=10mm的普通钢铰线制成，按锚索的单根布置位置和设计间距打孔，可以穿过所有钢绞线根数和进回浆管，3000KN级外皮直径152mm布孔21个、19个φ18mm、2个φ28mm（如图5－6、图5－7）气囊为厚皮的“小内胎”，外覆一层保护橡胶带。
气囊有轮胎气门可以连接延长充气管，气囊无气状态安在圈筒上时厚度5mm，充气后直径50mm，气囊耐压0.5MPa，在室内钢管模拟试验耐压可达4MPa。
止浆环安装在锚索体上层，须在圈筒内充填环氧凝胶，使钢绞线与止浆环牢固，不移位。
根据以往的施工经验，止浆环因下索过程中被磨擦翻转移位、气囊外露与孔壁岩石磨擦、气囊在充气时偏向膨胀鼓泡等原因易于损坏。
针对这一问题，对止浆环进行了如下改进：
①编制锚索时，先对止浆环外表进行打磨抛光，减少其磨损破坏可能性；
②气囊的安装在架线环安装之前，安装到位后限制环以刚好夹住气囊为好，气囊表面层外表涮胶安装保护胶带并将隔板和限制环两侧用22号扎线扎紧，避免翻转移位；
③在下索前使气囊内空气充分排掉，扎紧进气管口；
④控制灌注环氧凝胶时机，避免烫伤进气管。
在实施上述措施后，锚索灌浆的一次成功率可达97％以上。
5.5.2注浆系统改造
图5－8给出了改进前的注浆系统结构，二次灌浆管从孔中引入锚垫敦孔口管中，从二次注浆管斜支套管中引出，孔口管上方直立焊结回浆管，孔口管与钢垫板直接开孔对焊。
二进管是从大径进入小径，又从直线中走入斜巷中。
在张拉过程中难免要夹住浆管，导致过浆断面减小或阻塞，进而形成二次进浆管不通，施工须对这些锚索全部重新造孔施工，严重影响施工进度，为此，对不合理的二期注浆系统进行了改造。
改造后的孔口回浆管如图5－9所示。
经改进后的架线环能够保证索体的最小保护层厚度，二期注浆管有固定的位置和方向，张拉过程中不会被夹持。
孔口管的改造是在内端口增加锚索体收缩环来约束索体直径，保证二期罐浆管在岩壁引出口有充分的空间和活动余地，同时可增大回浆管回浆口的空间，充分排放孔内空气，孔口管外端口扩成喇叭状与钢垫板焊接，可以除去索体与管壁磨擦，保护索体表面。
通过以上改造，在二次灌浆堵塞后重新施工的200余束锚索中得到了很好的验证，灌浆施工中没有出现堵塞现象，保证了施工顺利进行和施工质量。
5.5.3锚索测力计检测与安装工艺
在现场施工过程中，发现锚束测力计读值与张拉吨位有偏小或偏大的现象，为此，对造成该现象的原因进行了专门的试验检测。
检测中严格模拟现场实际受力条件，将千斤顶、测力计、锚具、传感柱同时配套试验，测试各自的受力状态。
检测结果表明，锚索张拉设备出力与压力机检测值吻合，千斤顶无论是主动出力，还是被动出力，其测值相差很小，千斤顶测力值是正确的。
锚索测力计受外界条件的影响太大，当受力状态稍有改变时，测力计出现数百千牛顿力差异。
造成锚索测力计读数误差的主要原因是钢板厚度不足，使用厚50mm无开孔的钢垫板传感时，测力计受力与压力机一致。
因此，在安装锚索测力计时，必须使用具有足够厚度的钢垫板。
5.6锚索施工质量检验
5.6.1概述
国内水工锚固工程锚索施工质量检验尚没有正式提出相应的实施细则与技术要求，为此，在永久船闸锚索施工中进行了锚索施工质量的试验检验，试验检验随同施工锚索同步进行，即在施工过程中对其相关控制指标进行测定，检验施工机具、方法程序能否使锚索达到如下要求：
锚索施工质量检验的最大一级设计力为3658KN、是标准设计力的133％。
检验中从50％设计力到最终力级之间所测得的锚索钢绞线每级实际伸长值应不大于相应力级理论伸长值的10％，不小于理论伸长值的5％。
每级持荷位移增量＜1mm。
最后一级设计力级的观测时间为持荷位移增量＜2mm。
5.6.2检验结果分析
检验试验随机选择15束锚索进行，检验中使用的施工设备、程序与锚索正常施工中完全相同。
表5－3给出了其中一束锚索的检验结果。
根据试验过程和表5－2可知：
使用的施工机具、程序和施工工艺可以满足设计张拉荷载的加载要求；每级所测得锚索钢绞线的伸长值、每级荷载的蠕变量（持荷位移增量）等指标均满足要求，卸荷过程中没有出现夹片破坏和钢绞线损伤，且后期张拉中无异常情况，卸荷操作过程和工艺是符合要求的。
由此可见，采用上述施工机具、流程进行的锚索施工，其施工质量可以满足要求。
表5－3预应力锚索施工质量检测成果
锚索编号
138-D-7
预紧千斤顶
YKD-18（326）
内锚段长
8.0m
类型
随机端头锚
压力表编号
423
张拉段长
28.44m
吨位
3658KN
张拉千斤顶
YCW-400（7052）
钢绞线截面积
140.51mm2
注浆日期
8.22（内灌）
压力表编号
0132
钢绞线弹模
194GPa
张拉日期
9.10
油泵编号
70618
初始读数
211.4mm
张拉荷载
（KN）
油压表读数（MPa）
钢绞线位移（mm）
蠕变量（mm）
墩头承载位移
（mm）
理论伸长值（L1）
（mm）
实际伸长量（L2）
（mm）
L2-L1/L1
（%）
加载读数
稳压读数
稳压时间min
688
9.7
217.8
217.8
0.0
初始值:
12.01
37.8
38.0
0.5
预紧值12.10
5
12.24
1375
19.3
256.9
257.1
0.2
12.54
△S=0.53
75.5
77.3
2.3
5
2063
28.9
295.8
295.9
0.1
12.697
△S=0.687
113.3
116.2
2.6
5
2750
38.4
336.4
336.5
0.1
12.73
△S=0.72
151.0
156.7
3.8
5
3300
46.1
370.9
371.0
0.1
12.715
△S=0.705
181.2
191.3
5.6
5
3658
51.1
395.5
395.0
0.5
12.715
△S=0.705
200.9
215.9
7.5
5
688
9.7
228.0
228.3
0.3
12.46
△S=0.45
5
570
12.173
△S=0.073
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