巖體錨固施工技術分析

周志炎，張漢華，張鳳姚

（1.中國水電建設集團 四川電力開發(fā)公司，四川 成都 610017；2.開封黃河河務局，河南 開封 475000；3. 云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650228）

0 引言

巖體錨固是利用錨桿或錨索穩(wěn)定裂隙巖體的一項工程技術。它把錨桿或錨索埋置于巖體中，依靠與周圍巖體之間的抗剪強度傳遞結構物的拉力， 或使巖體自身得到加固，以保持結構物與巖體的穩(wěn)定[1]1。由于巖體錨固技術施工簡單、成本較低，能在施工后迅速提供支護力，有利于發(fā)揮巖體的固有強度，并能限制巖體的變形發(fā)展， 從而進一步提高施工的安全性， 提高巖體中軟弱結構面、 潛在滑動面的抗剪強度，改善巖體的力學參數(shù)及應力狀態(tài)，使其向有利于穩(wěn)定的方向轉化，因此，巖體錨固技術廣泛應用于礦山巷道、鐵路隧洞和電站地下廠房等工程。

1 巖體錨固技術的發(fā)展情況[2～3]

1.1 巖體錨固技術在國外的發(fā)展情況

1911 年， 美國首先用錨桿支護礦山巖石巷道。1934 年， 在阿爾及利亞切爾伐斯壩的加高工程中，首先采用承載力為1 萬kN 的預應力巖石錨桿來保持加高后壩體的穩(wěn)定。 之后，印度的坦沙壩、南非的斯登布拉斯壩、 英國的亞格爾壩和奧地利的斯布列希壩也同樣采用預應力錨桿加固。 1957 年， 法國Bauer 公司采用土層錨桿。 20 世紀60 年代，捷克斯洛伐克的Lipno 電站主廠房（寬為32m）、聯(lián)邦德國的WaldeckⅡ地下電站主廠房（寬33.4m）等大型地下洞室采用高預應力長錨桿和低預應力短錨桿 （張拉錨桿）相結合的支護形式。 20 世紀70 年代，英國在普萊姆斯的核潛艇綜合基地干船塢的改建中，廣泛應用了地錨，用以抵抗地下水的上浮力。1974 年，紐約世界貿易中心深開挖工程（開挖21 m）采用錨固技術，950 m 長、0.9 m 厚的地下連續(xù)墻穿過有機質粉土、沙和硬土層直達基巖，由6 排錨桿背拉，錨桿傾角45°， 工作荷載為3 000 kN。 20 世紀80 年代， 英國、 日本等國研究開發(fā)的一種新型錨固技術——單孔復合錨固，改善了錨桿的傳力機制，能大大提高錨桿的承載力和耐久性。 英國采用單孔復合錨固技術，在軟土中使錨桿的承載力達到1 337 kN。1989 年， 澳大利亞在Warragamba 重力壩加固工程中采用由65 根15.2 mm 的鋼絞線組成的錨桿，最大承載力達16 500 kN。 澳大利亞對Nepean 重力壩和Burrinjuck 重力壩分別采用承載力為16 500 kN 和16 250 kN 的錨桿加固。 為了檢驗錨桿防腐蝕系統(tǒng)的完善性， 瑞士開發(fā)應用了電隔離錨桿(電阻測定法)技術，該法已列入瑞士和全歐的錨桿標準。 瑞典和日本開發(fā)的帶膨脹端頭的土中錨桿 （膨脹體的直徑可達0.8 m），改變了摩擦作用的傳力機制，大大縮短了固定段長度，具有多方面的優(yōu)點。

1.2 巖體錨固技術在我國的發(fā)展情況

20 世紀60 年代， 巖體錨固技術開始在我國工程中應用。 1964 年，安徽梅山水庫采用設計承載力為2 400～3 200 kN 的預應力錨桿加固壩基。20 世紀80 年代，北京的京城大廈、王府飯店、上海太平洋飯店等大型基坑工程采用預應力土層錨桿背拉樁墻結構。1993～1999 年，我國在深基坑和邊坡工程中的預應力錨桿用量每年約為2 000～3 500 km。 近20 年來， 我國的巖體錨固工程技術獲得了明顯的發(fā)展和進步，在各相關行業(yè)部門發(fā)展速度較快，尤其是在礦山巷道、 鐵路隧洞和電站地下廠房中錨桿支護的應用技術得到迅速發(fā)展， 取得了大量的成功經驗和研究成果。

2 巖體錨固機理和力學效應

2.1 巖體錨固機理

巖體錨固的基本原理就是依靠錨桿周圍地層的抗剪強度來傳遞結構物的拉力或保持地層開挖面自身的穩(wěn)定，主要功能是：（1）提供作用于結構物上以承受外荷的抗力，其方向朝著錨桿與巖體相接觸的點。 （2）使被錨固巖體產生壓應力，或者對被通過的地層起加筋作用。 （3）加固并增加地層強度，改善巖體的相關力學性能。 （4）當錨桿通過被錨固巖體時，能使這部分巖體內部產生預應力。

當然，錨桿的這些作用是相互補充的，對于某一特定的工程而言，可能是某一個或者幾個方面一起聯(lián)合發(fā)揮作用，從而保持巖體的穩(wěn)定。

2.2 巖體錨固的加固力學效應

從加固的力學效應上看，巖體錨固技術一方面提高巖體強度、減少巖體變形的力學效應，另一方面加固變破損區(qū)的力學效應。 中科院巖土所朱維申等人通過大量的實驗研究表明[1]9：加錨巖體的單軸抗壓峰值強度提高約17%，殘余強度提高了一倍，抗變形能力顯著增加，抗拉強度亦提高一倍；國內許多研究者通過數(shù)值計算，論證了錨桿支護對改善圍巖應力狀態(tài)和減少圍巖塑性區(qū)，拉應力范圍的顯著效果。

3 巖體錨固施工技術要點

編制可行的錨固施工方案， 是保證錨固效果的關鍵。錨固工程施工工序主要包括施工準備、錨孔鉆造、錨筋制安、錨孔灌漿、鋼筋混凝土施工、張拉鎖定封錨等關鍵工作流程。

3.1 施工準備

（1）施工組織設計。施工組織設計要求明確施工方法、施工工藝、工序流程、勞動力組織和施工設備、材料、試驗、監(jiān)測安排及安全、質量管理。

（2）開工條件檢查。必備的開工條件包括開工報告、錨筋材料試驗、漿體材料試驗、配合比試驗以及相關機械設備等。

（3）按設計要求進行預應力錨索（桿）基本試驗，即抗拔拉破壞試驗。 基本試驗的目的在于研究和驗證設計采用的工作錨索的性質和性能、施工工藝、設計質量、設計合理性以及所提供的安全儲備，并著重研究錨索的抗拉承載能力、荷載與變形、松弛和蠕變等問題，同時考慮有關搬運、儲存、安裝和施工過程中抗物理破壞的能力。若發(fā)現(xiàn)問題，及時采取變更和完善等應對措施。

高福高速公路[4～5]路塹邊坡錨固工程中所布置的預應力錨索基本試驗(抗拔拉破壞試驗)，受施工場地和施工進度等多種因素影響， 設計基本試驗錨索與工程錨索同步進行， 即在基本試驗錨孔施工完成后(緊接施做試驗錨墩，并在錨固漿體達到28d 齡期且錨墩強度達到80%后進行基本試驗工作，及時向業(yè)主、監(jiān)理和設計部門提交基本試驗報告)，同步開始工程錨孔施工，故也稱驗證性試驗。

3.2 錨孔鉆造

根據(jù)錨固設計，用白灰或油漆在相應位置上標出錨孔的位置，經檢驗無誤后，方可進行鉆孔工作。鉆機施工在鋼管腳手架作業(yè)平臺上進行， 腳手架應穩(wěn)定、牢固，平臺架板應滿鋪，并拉設相關護欄或護網。鉆機就位時，利用地質羅盤對傾角和方位角進行校驗， 鉆機導軌傾角誤差在±1°之間， 方位角誤差在±2°之間，校驗無誤后才能開始鉆孔。 鉆孔時，采用無水干鉆法，以確保施工不惡化巖土工程地質條件和保證孔壁的黏結性能。 進尺速度根據(jù)鉆機性能和巖層情況嚴格控制，防止孔道扭曲變形。鉆進達到設計要求的深度后，要穩(wěn)鉆1～2min，以防止孔底“滅尖”，然后利用高壓空氣穩(wěn)壓2～3min，將孔內沉渣吹出孔外。 鉆孔結束后，要復查錨孔孔徑、深度、孔位、傾角和方位角，全部合格后方可進行下道工序。

3.3 錨筋制安

常用的錨固方法有預應力錨索、 預應力錨桿和非預應力錨桿3 種。鋼絞線采用砂輪切割機下料，要求每根長度誤差小于5 cm，不得有機械損傷、死彎或銹坑。 沿錨桿體軸線方向每隔1.0～2.0 m，應設置一個對中支架，必要時設排氣管，并與錨桿體綁扎牢固。錨桿體自由段應用塑料布或塑料管裹套，與錨固段連接處應當用鉛絲綁牢、封扎嚴實，并按設計要求進行防腐處理。

錨筋制作完成后，應按有關規(guī)范、標準對其進行檢查。在水平運輸時，各支點間距不小于2m，且轉變半徑不宜太小。 垂直運輸時，除主吊點外，其他吊點應使錨筋體快速安全脫鉤， 一切合格后即可進行安裝。 錨筋安裝由人工進行操作。 安裝前，用鐵絲在錨筋上固定對中器和導向帽，不能使用電焊連接。安裝時，要均勻平穩(wěn)地將錨筋推入孔內，盡量避免碰撞孔壁，如遇障礙，無法繼續(xù)穿入，應將錨筋拔出，重新進行清孔后再安裝。

3.4 錨孔灌漿

（1）注漿材料須符合設計要求和有關規(guī)劃要求。在注漿作業(yè)開始和中途停止較長時間再作業(yè)時，應當用水或水泥稀漿潤滑注漿泵及注漿管路。（2）注漿液應嚴格按照配合比攪拌均勻，隨攪隨用。 注漿漿體強度應不低于40 MPa，并按批次備制試件。（3）錨孔鉆造完成后，應及時進行錨筋體安裝和錨孔注漿，原則上不得超過24 h。 （4）錨孔注漿必須采用孔底返漿方法(注漿壓力一般為210 MPa 左右)，直至孔口溢漿，嚴禁抽拔注漿管或孔口注漿。 如發(fā)現(xiàn)孔口漿面回落，應在30min 內進行孔底壓注補漿2～3 次，確保孔口漿體充滿。 （5）當采用二次劈裂注漿提高地層錨固力時，要求以漿體強度控制開始劈注時間(一次漿體強度為5MPa)，并在二次注漿管之錨固段內設花孔和封塞。 （6）注漿作業(yè)應認真做好現(xiàn)場施工注漿記錄，每批次注漿都應進行漿體強度試驗，且不得小于兩組。 漿體未達到設計強度的70%時，不得在錨筋體端頭懸掛重物和拉綁碰撞。

3.5 錨具支承體混凝土施工

（1）基槽開挖。 基槽的開挖由人工進行，深度按與工程線的垂直距離控制，遇局部架空時采用漿砌片石嵌補（用M10 沙漿）。 基槽開挖結束后，要用2～5 cm 厚的水泥沙漿找平， 防止雨水沖刷和污染鋼筋，確?；炷翆嶓w的幾何尺寸。（2）鋼筋安裝。當基槽開挖結束后，即可進行縱橫肋梁框架的鋼筋安裝。鋼筋可在坑槽內現(xiàn)場拼裝，當錨筋與框架鋼筋相互干擾時，可適當移動鋼筋的位置。（3）模板安裝?？蚣芑炷聊０蹇刹捎娩撃?、后背方木，以增加剛度和保持線形直順。 模板要支設穩(wěn)固，防止漏漿，其頂面標高在支模時須嚴格控制，以滿足設計要求。 （4）混凝土澆筑。 在鋼筋、模板驗收合格后宜盡快澆筑混凝土。 混凝土坍落度在1～3 cm，由人工挑抬入模，用插入式振動器進行振搗施工。 澆筑時，要注意錨具周圍混凝土的振搗質量, 并防止碰撞錨具和錨具內漏漿, 必要時可輔以人工振搗。 框架混凝土宜分片施工，澆筑梁肋時必須安裝頂模，以確保振搗質量。 在相鄰框架的接觸處， 可先以2 cm 厚泡沫板相隔，最后再以瀝青麻絮或瀝青木板填塞。 混凝土施工結束后，應及時覆蓋，并與試塊進行同體養(yǎng)生，為張拉施工提供條件。

3.6 張拉鎖定封錨

預應力施工采用張拉力為150 t、 最大行程為200mm 的穿心式千斤頂進行。 在正式施工前，千斤頂與油泵油表要進行標定， 并換算出相應拉力時的油表讀數(shù)。 錨桿按設計荷載的25%、50%、75%、100%、110%分級張拉，每級觀察時間不少于10 min。錨索則應根據(jù)每束預應力筋長短情況的不同， 采用先長束后短束、每兩根為一張拉單元的順序進行，每單元的張拉程度同錨桿相同。

錨筋在鎖定后48h 內， 如發(fā)現(xiàn)有明顯的應力松弛現(xiàn)象， 應立即進行補償張拉。 對未發(fā)現(xiàn)異常的錨筋，應當用砂輪切割機切除多余部分，隨后使用C25混凝土進行封錨。

4 結語

（1） 巖體錨固工程施工是一項地質條件變化復雜、 關鍵工程隱蔽和施工技術難度較大的特殊施工作業(yè)，應由受過專業(yè)訓練、具有豐富施工經驗的專業(yè)施工隊伍承擔， 各主要施工工序應由相關專業(yè)技術人員進行指導和監(jiān)督。

（2）錨固工程施工總的原則要求按照錨孔鉆造、錨筋制安、錨孔灌漿、鋼筋混凝土施工、張拉鎖定封錨等主要工序依次進行， 一般采用地表簡易觀測法和重要工程專業(yè)儀器監(jiān)測法，必要時開展動態(tài)預報，以指導動態(tài)設計、確保施工安全，并檢驗工程效果。各工序在保證主要施工順序和工藝要求的條件下，可以統(tǒng)籌安排。

（3）重點復雜的防護加固工程，由于其地質條件復雜， 應結合實際地層信息及坡體結構條件進行必要的調整與完善，即進行動態(tài)設計和信息化施工，從而達到經濟合理和安全可靠的目的。

[1] 程良奎. 巖土錨固[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2] 程良奎. 巖土錨固的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 土木工程學報，2001（3）：7-12.

[3] 宋海濤,張益東,朱衛(wèi)國. 錨桿支護現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 礦山壓力與頂板管理,1999(01):2-5.

[4] 成永剛, 王煥霞, 吳少漢. 巖土錨固工程設計施工問題[J].地質災害與環(huán)境保護，2006，17(01)：104-107.

[5] 劉克文,吳蔚. 錨固工程施工技術要點[J]. 西部探礦工程，2005(04)：47-49.