摘要：白鹤滩水电站地下厂房洞开挖尺寸为438.00m×31.00m（34.00m）×88.70m（长×宽×高），超大洞室在开挖过程中强度高，难度大，交叉影响严重，对各工序的衔接非常重要，为防止厂房随开挖变形，系统支护及时跟进，特别是预应力锚索深层支护对防止厂房持续变形起到至关作用，针对压力分散锚索在施工过程的锚索张拉锁定进行分析，制定了一套质量控制及检测方法，结果表面锚索锁定吨位均符合设计要求。
关键词：厂房支护；压力分散型锚索；张拉锁定；预应力
1.工程概况
白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，上游距乌东德坝址约182km，下游距溪洛渡水电站约195km，控制流域面积43.03万km2，占金沙江以上流域面积的91%。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，电站正常蓄水位为825.0m，水库总库容206.27亿m3。
枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、二道坝及水垫塘、泄洪洞、引水发电系统等建筑物组成。混凝土双曲拱坝坝顶高程834.0m，最大坝高289.0m，坝身布置有6孔泄洪表孔和7孔泄洪深孔；泄洪洞共3条，均布置在左岸；电站总装机容量16000MW，左、右岸地下厂房各布置8台单机容量1000MW的水轮发电机组，地下厂房采用一字型布置，从南到北依次布置副厂房、辅助安装场、机组段和安装场。机组间距38.00m，机组段长304.00m，安装场长79.50m，辅助安装场长22.50m，副厂房长32.00m。主副厂房洞的开挖尺寸为438.00m×31.00m（34.00m）×88.70m（长×宽×高）。
2.工程地质情况与分析
左岸地下厂房布置在拱坝上游山体内，洞室水平埋深800～1050m，垂直埋深260～330m，主副厂房洞和主变洞平行布置，洞室轴线方向为N20°E。围岩主要由P2β23和P2β31层新鲜的隐晶质玄武岩、斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩等组成，以Ⅲ1类、Ⅱ类围岩为主，层间错动带C2斜穿厂房边墙中下部，在厂房顶拱整体位于第一类柱状节理玄武岩P2β33和第二类柱状节理玄武岩P2β32中，P2β31，N35°E，SE∠26°，整体倾向上游偏右岩，受地层结构和地形影响，左岸为顺向坡，岩层缓倾上游，从地形特征分析为泄水地形，不利于地下水汇聚，形成左岸层状顺倾泄水系统。
3.施工情况简述与设计布置
按照设计要求，厂房锚索支护分别为顶拱布置2000KN对穿锚索，拱肩布置2000KN压力分散型锚索，边墙布置2500KN压力分散锚索，厂房基坑布置2000KN对穿锚索及2500KN端头锚索，局部设置1000KN端头锚索及2500KN对穿锚索，锚索类型比较多施工强度大，施工过程中各工序包括开挖、挂网喷护、锚杆施工、锚索施工等相互交叉影响，增加了施工难度。其中锚索施工包括锚索造孔、锚索编制、锚索安装、锚索注浆、锚墩浇筑、锚索张拉、锚头防护等，锚索工序多施工周期较长，为发挥锚索最大锚固作用，保证锚索施工质量及最终锚索锁定吨位对防止厂房持续变形起到至关重要的作用。
4.压力分散型锚索施工
4.1 施工工艺流程
孔位放样（测量放样）→锚索造孔→锚索编制→锚索安装→锚索注浆→锚墩浇筑→锚索张拉→补偿张拉→孔口回填灌浆→锚头防护。锚索安装、锚索注浆及锚墩浇筑的施工顺序应根据现场实际情况灵活安排，对于上倾孔锚索必须考虑锚索安装后下坠风险，在做好锚索固定的前提下，施工顺序宜采用先安装锚索再进行锚索注浆最后进行锚墩浇筑。
4.2 孔位放样
严格按照设计图纸、施工技术要求，编制锚索施工参数表（包括孔号、桩号、孔深、钻孔角度、孔径等），采用全站仪对锚索孔进行现场放样，并按一定规律用红色油漆在边墙上做好标识（位置、孔号），保证开孔孔位偏差小于10cm。钻孔角度采用地质罗盘或角度测量仪进行顶角及方位角的控制放样和校核，再将钻机固定可靠，防止钻机移动以致钻孔角度发生变化。
4.3 锚索造孔
（1）造孔方法：采用YXZ-70A型锚固钻机或HM70A型履带钻机，配备潜孔锤钻孔，电动空压机供风，利用压力水随风进入孔内除尘，并根据地层的变化，随时调整钻孔参数和钻孔工艺，以提高工效。
（2）造孔孔径：根据设计蓝图要求，预应力锚索2500 KN级预应力锚索，钻孔孔径为Φ165mm，同一孔径钻至设计孔深。
（3）钻孔孔深：设计孔深为30m的锚实际钻孔深度至少大于设计孔深0.4m。若孔深已达到预定深度，而锚固段仍处于破碎带或断层等软弱岩层时，向监理工程师、设计单位申报建议增加孔深，设计、监理同意后继续钻进，直至监理工程师认可为止。
（4）孔斜控制：①采用加长粗径钻具及加设平衡器和扶正器保证孔斜，在钻进过程中，每钻进5m 用测斜仪检测孔斜，如果有偏差及时采取措施纠正，如果无效，则用高标号砂浆回填待凝，重新钻孔。②保证孔斜偏差不大于孔深的2%，方位角偏差不大于2°。③为保证钻孔孔向、孔斜符合设计要求，开钻前采用地质罗盘校正钻孔孔向及倾角，确保开孔角度满足要求，校正钻孔孔向及倾角后将钻机固定，防止在施工平台上发生位移，保证钻机倾角和方位角准确。④钻进时，尽量使用长、粗的钻具，在钻进过程上，要正确地控制钻进压力、转速的关系，特别是孔口段采用低压、慢速进行造孔施工。
（5）钻孔冲洗：钻孔完毕，利用有压风进行风水联合冲洗，直至孔内岩屑清洗干净为止，并做好孔口保护。
4.4 锚索编制及安装
（1）钢绞线：公称直径d=15.24mm（7φ5），强度等级1860Mpa（即1×7-15.2-1860-GB/T 5224-2003），其直径、强度、延伸率均满足设计规定要求。
（2）锚索编锚：①根据设计蓝图进行锚索编制，钢绞线用型材切割机按施工图纸所示尺寸下料，2500KN 级截取17根钢绞线。各组钢绞线下料长度Ln =设计孔深L0-（n-1）*1.2+找平砂浆垫层厚度Ld+钢锚墩厚度Lg+辅助张拉长度Lf；②按锚索施工细部结构图制作内锚头和无粘结自由段，锚固端每隔1.2m 设置1 组承载板，自由端沿锚索轴线方向每隔1.5m 设置对中隔离架，同组钢绞线对称分布；③锚索挤压锚具在挤压时挤压套内应加专用弹簧，挤压后挤压套的长度为80mm左右、直径应不大于Ф30.5mm，钢绞线在挤压套外露5mm 左右，在内锚头防护罩内填满防腐油脂，并在各级承载板与钢绞线之间均涂上玻璃胶，保证预应力锚索的防腐性能；④锚索灌浆管为Φ20mm 聚乙稀管（聚乙稀管壁厚3mm～3.5mm，耐压强度1.5Mpa左右）排气回浆管与锚束体一起埋设至锚索底部，进浆管埋设在孔口；⑤锚束体编制完成后，每根钢绞线均应平顺、自然，不得有扭曲、交叉的现象，锚索制作完毕后应登记编号，并采取保护措施防止钢绞线污染或锈蚀，经检查验收合格后方可使用。
（3）锚索安装固定：经检验合格后的锚索方可下入孔内，采用人工、机械卷扬结合钻机的方法保证索体平顺、安全地安装锚索孔道内，过程保证锚索整体结构完好，钢绞线PE套及注浆管通畅完好，锚索安装好后要用专门的夹具固定锚索索体，防止锚索体坠落。
4.5 锚墩安装及浇筑
（1）钢锚墩制作：2500KN级锚索钢锚墩采用两层Q235C 方形钢板重叠满焊连接而成，下层钢垫板600mm×600mm×45mm（边长×边长×厚度），上层钢垫板400mm×400mm×45mm（边长×边长×厚度），中间开Φ165mm 的孔，孔口导向钢管（外径Φ159mm，壁厚3.5mm，长度800mm）与钢垫板焊接连接成一整体，且保证导向钢管与钢垫板平面垂直，并在导向管上安装Φ25mm的进浆钢管。
（2）钢锚墩安装：按设计图纸要求，安装钢锚墩。锚垫板与4 根Φ22 螺栓锚杆（L=1m）连接一体，以加强锚垫板的稳定性、对中性，螺栓锚杆孔灌注M25 水泥浆；钢锚墩固定后，利用M40 干硬性预缩砂浆填充锚垫板与边墙间隙，并充分捣实；在砂浆垫层施工过程中，按设计要求预留注浆管与回浆管，垫层内引出部分采用相同口径的钢管，同时做好进浆管与回浆管的保护。
4.6 锚索灌浆
（1）材料及浆液：①水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不得低于P.O.42.5；
②水泥按规定每批次200t取样一组，作原材料抽样检测，一个批次不足200t时也要取样一组；③施工用水符合拌制水工混凝土用水；④锚索浆液为纯水泥浆添加减水剂和膨胀剂，浆液配合比通过室内试验确定；⑤纯水泥浆液的水灰比采用0.38～0.45，浆液中可掺入膨胀剂、早强剂，选用的外加剂不得对钢绞线有腐蚀作用；⑥灌浆施工时按一批次取试件一组，送入室内作标准养护，要求浆液7天水泥结石体强度≮35MPa。
（2）制浆配制：按照实验室配合比将各种材料（水、水泥、减水剂、膨胀剂）进行称量，制浆材料进入搅拌机中，高速搅拌机搅拌时间不少于30s；浆液应随用随拌，初凝浆液或超过4小时的浆液必须废弃，浆液应保持5℃～40℃之间，当冬季日平均气温低于5℃或夏季浆液温度高于40℃时，应采取保温或降温措施。
（3）锚索注浆：①锚索注浆前，检查制浆设备、灌浆泵是否正常，检查送浆及注浆管路是否畅通无阻，确保灌浆过程顺利，避免因中断情况影响锚索注浆质量；②灌浆施工采用3SNS泵灌注，通过锚索灌浆管自下而上一次性灌浆，利用与锚索一同安装至孔底的回浆管进行排气和回浆，灌浆过程中，净灌浆压力控制在0.1～0.3MPa 之间，当回浆比重与进浆比重相同时进行屏浆，屏浆压力为0.3MPa～0.4MPa，屏浆时间20min～30min；③锚索灌浆需满足单束锚索应连续不间断灌注至结束，原则上控制在4小时内灌完，不允许中途停灌，灌浆过程中必须采用自动记录仪测记其压力、流量、比重等各项数据；④灌浆后，在浆体强度达到设计要求前，锚索不得受扰动；灌浆后3天内，不允许在锚索周围30m范围内进行任何爆破作业，3～7天内的爆破作业产生的质点振动速度不得大于1.5cm/s。
4.7 锚索张拉
（1）张拉准备：①张拉前先对投入使用的张拉千斤顶和压力表进行配套标定，并绘制出油表压力与千斤顶张拉力的关系曲线图。张拉设备和仪器标定间隔期一般控制在6个月内，如标定后使用次数少于20次，且未经检修或无异常，其标定期可适当延长，但不超过10个月，超过标定期或遭强烈碰撞的设备和仪器，重新标定后方可投入使用；②张拉机具、设备和仪器由专人保管，并定期进行维护和标定。张拉前需要核定找平垫层强度是否达到设计强度，达到设计强度后才可对锚索进行张拉；③安装锚具及千斤顶，连接液压系统，仔细检查各系统的运行情况，确保无误后开始进行张拉；④张拉分序，为减少锚索张拉过程中对相邻已经张拉应力的影响，采用分序跳束进行张拉。
（1）张拉施工：①先对承压钢垫板进行清理，理顺钢绞线防止在孔内交叉，再依次安装测力计（适用于需进行应力监测的锚索）、锚板、夹片、限位板、千斤顶及工具锚等，安装前锚板上的锥形孔及夹片表面应保持清洁，为便于卸下工具锚，工具夹片可涂抹少量润滑剂，工具锚板上孔的排列位置需与前端工作锚的孔位一致，避免在千斤顶的穿心孔中钢绞线发生交叉现象；②锚索张拉按分组单根预紧→差异补偿张拉→整体分级张拉→锁定的顺序进行张拉；③锚索正式张拉前，先对每股钢绞线施加0.1P’的张拉荷载进行预紧张拉，以使锚索各钢绞线受力均匀、完全平直，起到调直对中的作用，并将该荷载锁定在锚板上；④锚索正式张拉按分级整体进行张拉，张拉过程：0.2P’预紧后卸荷→0.25P’→0.5P’→ 0.75P’→P’→1.05P’→稳定锁定荷载1.0P’（P’=1500KN设计锁定荷载）；⑤张拉过程中当达到每一级的控制张拉力后稳定5min即可进行下一级张拉，达到最后一级张拉力后稳定30min，即可锁定。张拉时，升荷速率每分钟不超过设计应力的0.1P’，卸荷速率每分钟不超过设计应力的0.2P’；⑥张拉荷载控制以拉力为主，辅以伸长值校验。当实际伸长值大于理论计算值10％或小于5％时，应暂停张拉，查明原因并采取相应措施予以调整后，方可重新张拉；⑦锚索张拉完成后，以小于0.2P’/min的速率均匀卸载至1.0P’锁定，张拉锁定后48h内，发现锁定力低于设计张拉力的10%时，应进行补偿张拉，补偿张拉应在锁定值基础上一次张拉至1.05P’，补偿张拉次数不能超过2次；⑧张拉锁定后，用金钢石砂轮切断外露钢绞线，切口位置距锚板的距离不小于150mm。
4.8 验收试验和抽样检查
（1）预应力锚索验收试验：预应力锚索施工中，按施工图纸和监理工程师指示随机抽样进行验收试验，抽样数量不小于3束。
（2）完工抽样检查：完工抽样检查的合格标准，以应力控制为准，实测值不大于施工图纸规定值的5％，并不小于规定值的3％。当验收试验与完工抽样检查合并进行时，其试验数量为锚索总数量的5％。
4.9 孔口段补浆
锚索张拉结束经检查合格以后，对孔口段采用砂浆或纯水泥浆液（水灰比采用0.38～0.45）进行灌注，灌浆密实不吸浆后闭浆12～24小时。
4.10外锚头保护
锚头保护前对锚具及钢绞线除绣，浇筑面进行清理，锚头用现浇混凝土保护，混凝土等级C30，过程中振捣密实，保护层厚度不小于50mm，要求外形规则美观。
5.锚索张拉中遇到的问题
锚索在张拉过程中伸长值和吨位偏小，张拉结束在锁定过程中吨位损失偏大。根据对问题针对性的分析和研究，发现锚具、夹片、限位板的匹配关系直接影响锚索张拉及锁定荷载。
5.1张拉力与伸长值对应关系的计算方法
（1）2500KN压力分散型锚索结构及设计参数
锚索长度35m，钢绞线总共17根（2+3+3+3+3+3=17），承载板间距1.2m（L1-L2=1.2m），总共分6组（第一组2根、第二组3根、第三组3根、第四组3根、第五组3根、第六组3根），锁定吨位1500KN.
（2）材料及名称解释
材料强度等级为1860MPa低松弛钢绞线，公称直径15.2mm。
P——为给定最终张拉（设计锁定）荷载作用下的单根钢绞线束荷载。
A——为单根钢绞线束的截面面积，取A=140mm2。
E——为钢绞线的弹性模量，取E=195000MPa。
△L1、△L2、△L3、△L4、△L5、△L6——各组钢绞线在锁定荷载下的伸长量。
L1、L2、L3、L4、L5、L6分别为第一、二、三、四、五、六组钢绞线的自由段长度，且L1＞L2＞L3＞L4＞L5 ＞L6，Ln-Ln+1=1.2m。
△L1-2、△L2-3、△L3-4、△L4-5、△L5-6 为相邻两组钢绞线差异伸长值。
△Pi相邻单元分步补偿张拉差异荷载增值（KN）。
（3）张拉力及伸长值计算
锚索在锁定状态下各组钢绞线伸长值及差异值如下：
第一组钢绞线伸长值 △L1=（P* L1）/（E*A）
第二组钢绞线伸长值 △L2=（P* L2）/（E*A）
第三组钢绞线伸长值 △L3=（P* L3）/（E*A）
第四组钢绞线伸长值 △L4=（P* L4）/（E*A）
第五组钢绞线伸长值 △L5=（P* L5）/（E*A）
第六组钢绞线伸长值 △L6=（P* L6）/（E*A）
相邻两组钢绞线差异伸长值△L1-2=△L1-△L2=（P* L1）/（E*A）-（P* L2）/（E*A）
计算简化△L1-△L2= P*（L1- L2）/（E*A）= P*（1.2m）/（E*A）
相邻两组差异伸长值为固定值△L1-2=（1500*1000/17）*（1.2*1000）/（195000*140）=3.88mm，△L2-3=3.88mm，△L3-4=3.88mm，△L4-5=3.88mm，△L5-6=3.88mm。
5.2 问题分析研究
（1）数据解释
a——为钢绞线张拉锁定后夹片与限位板的间距mm（图5所示）。
b——为钢绞线张拉锁定后夹片外漏长度mm（图5所示）。
c——为钢绞线张拉锁定后工作锚具与限位板的间距mm（图5所示）。
测力计、锚具、夹片、限位板对应关系 张拉力与伸长值的关系
张拉伸长值与a值的对应关系 锚索锁定吨位与a值的对应关系
（2）锚索有效拉力及伸长值负差过大分析
锚索在张拉过程中测量锚索伸长值及锚索有效拉力远小于设计值，经过现场检查钢绞线无交叉，测力计、锚具、夹片、限位板及千斤顶安装均满足要求，对张拉伸长值及拉力有异常的锚索卸掉千斤顶检查发现钢绞线有明显切痕。根据现场张拉实验总结在一定范围内当a值越小钢绞线切痕越深，钢绞线受到夹片束缚的程度越大，a值越大钢绞线切痕越浅或无切痕，钢绞线受夹片的束缚程度越小。对数据进行分析（图7），当a值约为3mm时张拉结束检查钢绞线切痕明显较浅，当a大于等于3.5mm时张拉结束检查钢绞线基本无切痕，根据张拉过程效果a值宜大于等于3.5mm为合适。对大量锚索张拉结束检查夹片，夹片外漏部分b值在3.0mm~3.5mm范围且无明显错牙整体平整，限位板的限位高度b值7.5mm。
（3）锚索张拉后锁定过程中拉力回缩损失过大分析（图8）：锚索在张拉1.05P（1575KN）结束后锁定1.0P（1500KN）的过程中拉力损失过大，通过测定锚索锁定时钢绞线回缩量，采用测力计测定拉力损失，发现当a值约等于4.5mm时钢绞线回缩量略微偏大，拉力损失与a值形成递增关系，造成锚索张拉后“锁不住”现象，且当a值大于5.0mm锚索锁定后夹片会出现错牙现象，当a值在3.5mm~ 4.0mm范围时钢绞线回缩量及锚索拉力损失在设计范围之内且夹片无明显错牙，根据锚索锁定过程效果分析a值在3.5mm~ 4.0mm范围为合适。
（4）数据分析结论：根据5.2.（2）及5.2.（3）可以得出结论，当a值在一定范围内，a值越小钢绞线伸长值越偏小，a值越大锚索在张拉锁定过程中钢绞线回缩量及拉力损失越大，a值在3.5mm~4.0mm范围，锚索张拉结束测定夹片外漏长度b值在3.0mm~3.5mm范围，且限位板限位高度c值为7.5mm比较科学合理，锚索张拉伸长值、张拉力及锁定吨位均能满足要求。一般而言当b值偏大或a偏小时钢绞线会出现明显切痕且伸长值偏小，当b值偏小或a值偏大时夹片会出现错牙且锚索锁定拉力损失偏大（钢绞线回缩量偏大）。
作者简介：
雷舰（1976—），四川彭山人，工程师，本科，主要从事水利水电工程施工
陈军（1986—），四川达州人，助理工程师，大专，主要从事水电水电工程施工
论文作者:雷舰,陈军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第34期
论文发表时间:2019/1/3
标签：钢绞线论文; 拉力论文; 钻孔论文; 浆液论文; 荷载论文; 厂房论文; 垫板论文; 《基层建设》2018年第34期论文;