江西水利枢纽边坡预应力锚索施工工艺

PAGEPAGE9××水利枢纽厂房边坡预应力锚索施工1工程概况江西省××水利枢纽工程位于江西省吉安市××县境内，坝址地处赣江中游，是一座以防洪、发电、航运为主，兼顾灌溉、供水等综合效益的水利枢纽工程。枢纽主要建筑物有砼泄水闸、砼挡水坝、河床式发电厂房、船闸、左右岸灌溉进水口鱼道等，属Ⅰ等工程。泄水闸位于右岸厂房与门库坝段之间，由18孔（单孔净宽16.0m）开敞式泄水闸组成，泄流前沿总宽度354.5m，堰顶高程为30.00m。泄水闸地基岩性主要为C1z3石英砂岩和C1z4-1炭质绢云千枚岩，该范围内发育有F5、F6及F2断层，陡倾角裂隙发育。闸基下游部分岩体极破碎，岩体风化较深，微风化带顶板埋深大。浅表弱上风化带厚度0.4～6.5m，分布多F2断层上盘，弱下风化带顶板高程一般26～28m，F5、F6等断层部位岩体挤压破碎，弱上风化带较深，一般深5.2～6.5m，弱下风化带顶板与厂房相接的18号泄水闸建基岩体开挖后，岩体陡倾角裂隙因倾倒变形逐渐张开，张开度1～13cm，且变形范围逐渐扩宽，图1为建基面岩体裂缝示意图。图1建基面岩体裂缝示意图设计对18号泄水闸临厂房侧边坡采用预应力锚索进行加固。沿厂坝分界线（坝纵0+533.5）共布置有粘结预应力锚索61束，其中18#泄水闸段30束，护坦段31束，分四排布置，锚索分布图见图2。预应力锚索设计张拉力1100KN，锁定张拉力1000KN，张拉方式为后张拉。图2厂房边坡锚索孔位布置图2施工准备主要劳动力安排如下表1：表1劳动力表工程施工、管理人员锚索制安灌浆管理其它合计943218设备投入情况见表2：表2机械设备表序号设备名称数量备注1锚索钻机1台钻孔孔径130mm2高风压钻机1台钻孔孔径140mm3挖掘机1台施工平台填渣4运输车1台施工辅助平台5砂轮切割机1台6高速制浆机2台一台备份7高压油泵2台8千斤顶2台浇筑面积为40×1.5m的水泥地坪一块，作为锚索制安的场地。3有粘结预应力锚索3.1结构组成图3预应力锚索结构图表3单根预应力锚索材料表项目第一层EL20.52第二层EL17.62第三层EL14.43第四层EL11.44备注锚索长度（m）31.530.027.226.5入岩25.0m低松弛钢绞线（m）（m）34.0×832.5×829.7×829.0×8Ф15.2mm导向帽（个）11112mm厚钢板制成架线环（个）25252222间距1m布置注浆管（m）32.531.028.227.5Ф20mmPVC管锚具（套）1111HVM15-83.2工作原理本工程所使用的预应力锚索根据其结构、构造为有粘结预应力锚索，张拉方式为后张拉。锚索内锚固段长8m（后经设计同意改为12m），内锚固段灌浆结束，水泥结石体达到设计强度后，对锚索进行张拉、锚固，从而给边坡混凝土结构施加预压应力。当锚索张拉完成后对张拉段进行二次灌浆，使钢绞线与混凝土实现全段粘结，形成有粘结预应力混凝土，通过钢绞线和混凝土之间产生的摩擦阻力，给边坡混凝土施加正压力，从而提高18#泄水闸建基面岩体的抗滑稳定性，防止裂隙的进一步发展。4预应力锚索施工工艺为了保证18号泄水闸闸室、闸墩的稳定，18号泄水闸段边坡范围内30束锚索必须全部张拉结束后，方可进行泄水闸闸墩的浇筑。由于前期工程工期滞后，又面临2011年2月28日防洪度汛节点目标，该段锚索施工自2010年1月10日起，要求一月底张拉完毕，工期十分紧张。4.1造孔锚索孔设计方位角为0°，倾角12°（俯角）。钻机倾角采用水平尺控制，开钻时，将钻杆按照设计的倾角和方位角调整到位，启动钻机钻进1-2m后停机，校核倾角和方位角。钻孔深度达到设计孔深后，再钻进40cm，可以保证在孔内有沉渣的情况下，锚索安装依然可以达到设计要求的深度。钻孔结束后，借助高风压钻机往孔内通水、通风，进行清孔作业，清除孔内的岩渣和粉尘，增加锚固效果。由于孔底沉渣难以彻底冲洗干净，本工程要求钻孔孔深应大于设计孔深40cm，以保证锚索的有效长度符合设计要求。锚索孔设计孔径为Ф130mm。造孔设备初期选用锚索钻，成孔直径Ф130mm，进行高处作业时，需搭设脚手架平台，移动不便，造孔效率低下。后选用高风压钻机作业，成孔直径Ф140mm。高风压钻机可自行行走，进行高处作业时，使用高架门机将钻机吊置于运输车上，以运输车作为钻孔平台，方便施工作业。高风压钻机的成孔速度：每孔/2小时，每天可成孔6个，成孔效率较锚索钻大为提高。4.2锚索制作安装4.2.1锚束的制作安装在一块尺寸为40×1.5m的水泥地坪上进行，以保护钢绞线不受损坏。按照设计要求的下料长度，钢尺丈量，砂轮切割，以间距1m的距离使用架线环进行固定，内锚段在两个架线环之间扎铅丝一道，组装成的锚索，其锚固段呈枣核状。本工程锚固段设计长度为8m，为了使张拉力符合设计要求，同时又能将工期提前，经设计同意将锚固段长度更改为12m，锚固段灌浆结束7天后进行张拉，锚固段结石体可以承受1100KN的张拉设计值。锚索锚固段和张拉段的交界处设置止浆环。止浆装置是有粘结预应力锚索的关键组成部分，目前有工程采用气囊式橡胶止浆环。为了加快施工进度，本工程采用自制布袋式充浆止浆环，该止浆环成本低廉，制作工艺简单，可以在现场加工，大大加快了制索进度。4.2.24.2.2本工程中，单束锚索由8根低松弛钢绞线（公称直径Ф15.2mm）、导向帽、隔离架、一次注浆管、二次注浆管、回浆管组成。止浆部分长度70cm，锚固段长度12m。锚索孔孔径140mm，止浆环直径应大于140mm，可保证充浆后膨胀密实。在锚索上量出12m的位置，向自由段量出70cm，为止浆环的起止点。所有钢绞线、一次注浆管、回浆管在止浆环起止点分别包裹10cm宽土工布，缠绕厚度为2-3层，细铅丝扎紧。止浆环所用土工布宽度为120cm，两端各折回10cm，剩余中间长度为100cm，于止浆环起止点对齐将锚索整体缠绕4-5层形成圆筒状结构，两端用铅丝各扎两道，绑扎牢固，形成直径为170mm左右的蓬松囊状空腔，有足够的膨胀空间。止浆环结构如下图图4止浆环结构图4.2.2灌浆时，浆液在压力的作用下，首先从止浆环处流出且在止浆环两端处受阻，无法流出布袋。水泥浆充满布袋后，布袋密实度增大，袋内压力增大，在止浆环处形成一个与孔壁紧密接触的密实体，隔断了内锚固段和张拉段，从而起到止浆的作用。其余水泥浆在压力的作用下，注入锚固段，直至完成锚固段注浆。4.2.3锚索安装采用人工方法安装。安装前，须对锚索孔重新进行检查，保证孔深与锚索长度一致；检查附件、灌浆管及回浆管是否完好、通畅。安装时，保证锚索与钻孔顺直，应一次将锚索安装到位，尽量避免反复的推拉，以防止止浆环的损坏。安装完毕后，检查其是否下到孔底设计位置。否则应拔出，清孔，重新安放。4.3注浆锚固段注浆，浆液材料原设计为P.O.42.5 水泥净浆，后改为P.O.52.5 水泥净浆并掺加早强剂，7天便可达到设计强度的85%，具备张拉条件。注浆设备采用高速制浆机，浆液随伴随用，制浆速度可满足注浆需要。一次灌浆采用反向压浆，即一次灌浆管在接近孔底的部位开口，浆液由孔底向孔口方向反向压浆。反向压浆有明显的优点，能保证水泥浆完全充满锚索孔，在地下水发育无法排干孔内地下水时，反向压浆可以把孔内地下水赶出孔外，保证灌浆质量。使用土工布制作的止浆环，具有结构简单、成本低廉、便于现场制作等优点。然而在初期使用过程中，一次灌浆成功率仅为50%左右，结合本工程实际，分析如下：（1）本工程一次灌浆采用水泥净浆注浆，水灰比为0.4:1，浆液浓度较大，注浆所需的压力较大，对注浆设备、注浆管都有较高的要求。初期使用的普通注浆管常因压力过大发生爆裂，在修复设备的过程中，一次注浆管、回浆管因水泥浆凝固而堵塞，致使一次注浆失败，锚索需拉出重做。后选用高压注浆管，管道接口搭接牢固，爆管现象基本消失，保证了注浆的连续性，发生堵管的现象大大减少。另外，一次注浆管管径Ф20mm、回浆管管径Ф16mm，管径过小，也会导致管道经常堵塞。水泥在搅拌之前，通过双层（2）在下锚索的过程中，土工布可能会因为孔壁的摩擦而发生损坏，造成止浆环破损，失去止浆作用。止浆环损坏时灌浆的表现为：孔口流水孔口冒浆，整个过程注浆压力维持在较低值（为0.5MPa左右）。（3）在下锚索的过程中，土工布并未损坏。一次灌浆后期，锚固段压力飙升（由正常的0.6MPa增加到1.5MPa），由于回浆管管径过小，水泥浆液浓度过高，回浆困难。止浆环内持续的高压会使土工布胀破，导致灌浆失败。灌浆时的表现为：灌浆初期，孔口流清水孔口流水迅速消失，止浆环充满水泥浆回浆管出水，进而出稀浆灌浆压力不断增大，高于正常值，回浆管不出水、不出浆（回浆管堵塞）灌浆后期，孔口再次流水，进而冒浆。经过一段时间的实践，发现止浆环的施工质量成为锚索一次灌浆成功与否的关键。4.3.1为了增加止浆环的韧性，选用帆布作为止浆环的材料，经裁剪缝合后制成长度为100cm的裤筒状结构，套在土工布止浆环上，两端用铅丝各扎两道，绑扎牢固。改进后的止浆环韧性大大提高，在后续锚索的施工过程中，未发生破损情况，止浆效果、耐压性明显提高，结合其他改进措施，锚索一次灌浆成功率接近100%，施工效率成倍提高。4.4张拉张拉反力装置为钢结构锚墩，钢结构锚墩提前制作备用。在锚固段注浆结束7天之后，便可进行张拉。设计张拉力1100KN，锁定张拉力1000KN。钢结构锚墩如下图5：图5锚墩结构图张拉前，安装外锚头、千斤顶及工具锚头。组装完毕后即可张拉。张拉采用两台千斤顶对角同时张拉的形式。按设计要求分5级张拉。每加一级荷载，稳定5~8min，卸荷至前级荷载，再次加荷，直至加到设计荷载1100KN，持荷20min，再卸荷至设计的预应力值1000KN锁定，至此整个张拉过程完毕。张拉时采用以张拉力控制为主、伸长值校核的控制方法。加载及卸载应缓慢平稳，使索体充分调整应力，使之受力均匀。每一级加载后测量其伸长值，与同级荷载下的理论伸长值进行比较，以判断张拉是否正常。张拉理论伸长量对照表如下表4：表4张拉理论伸长量对照表P△LL25050075010001100第一层有效长度18.515.8831.7547.6363.5069.85第二层有效长度17m14.5929.1843.7658.3564.19第三层有效长度14.2m12.1924.3736.5648.7453.62第四层有效长度13.5m11.5823.1734.7546.3450.97备注：△L=PL/EA

L：钢绞线有效长度，mm

P：张拉力，N

E:钢绞线弹性模量，MPa，195

A：钢绞线有效面积，mm2，单根为186.75mm2

△L：伸长量，mm4.5封孔灌浆有粘结预应力锚索封孔灌浆的目的，一是对锚索体进行永久防护；二是将施加的预应力传递至被锚固介质。封孔灌浆采用的是P.O.42.5 水泥净浆，水灰比为0.4:1。为了最大限度的保证自由段胶结体的密实度，同时兼顾经济性考虑，我们采用了先注稀浆，置换孔内积水，再注浓浆，加大灌浆压力的施工方法，保证了施工质量，又避免了不必要的浪费。4.6有关问题处理（1）个别锚索一次注浆返水情况异常，孔口冒浆时间早，冒浆持续时间长，且为稀浆。回浆管返浆比重长时间达不到设计要求。经过观察发现，个别锚索一次注浆管开口过高，在孔内有水的情况下，一次注浆管底端阻力较大，浆液先从锚固段中部流出，与孔内水混合后从回浆管流出，造成锚固段水泥浆浓度长时间达不到设计要求，水泥浆浪费严重。后统一在锚索锚固段端头往上3m范围内（本工程锚固段长度为12m，即锚固段四分之一范围内）开孔，水泥浆与孔内水混合过多的现象基本消失。（2）由于架线环内部空间有限，二次灌浆管布置在架线环外侧，一次注浆管和回浆管布置在架线环内部。二次灌浆时，发生二次注浆管堵