弱風(fēng)化強(qiáng)卸荷巖體1 000 kN級無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索造孔與灌漿技術(shù)研究

曾 鐵 鋼

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

巴塘水電站位于四川省和西藏自治區(qū)的界河金沙江上游河段，右岸為西藏昌都地區(qū)芒康縣，左岸為四川甘孜藏族自治州巴塘縣。巴塘水電站為金沙江上游河段十三級開發(fā)中的第九級水電站，上游為拉哇電站，下游為蘇洼龍電站。該工程以發(fā)電為主，為Ⅱ等大(2)型工程。正常蓄水位高程為2 545 m，總庫容1.41億m3，裝機(jī)容量750 MW，多年平均發(fā)電量為33.75億kW·h，裝機(jī)年利用小時4 500 h。

電站左岸出口邊坡(高程2 669～2 500 m)高差為169 m，按平均15 m一級邊坡考慮，共分為11級邊坡。本次全段注漿技術(shù)研究試驗(yàn)區(qū)域主要集中在五、六級邊坡，坡比為1∶0.8，邊坡按開挖體型分區(qū)為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)，坡面支護(hù)形式為錨噴+錨索+錨筋樁+錨桿+網(wǎng)格梁，其中A區(qū)布置兩排錨索(第一排為45 m長錨索、第二排為35 m長錨索)，B區(qū)布置一排錨索(第一排為35 m長錨索)，C區(qū)布置一排錨索(第二排為35 m長錨索)，間排距為4 m×4 m，45 m和35 m錨索錨固段長均為7 m，剩余段為自由段。

邊坡揭露的地質(zhì)情況顯示整個山體巖石多為黑云母石英片巖，呈弱風(fēng)化、強(qiáng)卸荷，巖體裂隙發(fā)育，錨固段處巖體亦為破碎巖體，錨索吃漿量大。因此，如何改善錨索孔身段裂隙的數(shù)量及大小，分析判定巖體破碎程度以及控制巖體吃漿量已成為巴塘水電站1 000 kN級無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索全段灌漿需要解決的首要技術(shù)難題。筆者介紹了為解決該技術(shù)難題進(jìn)行的技術(shù)研究。

2 錨索造孔與灌漿施工

2.1 施工工藝

本次技術(shù)研究通過三種試驗(yàn)方案，采用不小于120 mm的孔徑，灌漿設(shè)備采用3SNS型高壓灌漿泵和7.5 kW砂漿泵，灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，灌漿結(jié)束壓力為0.5 MPa，閉漿30 min，灌漿方式采用先錨固段、后自由段、一次灌漿法進(jìn)行。全段灌漿過程中，嚴(yán)格按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5148-2012要求進(jìn)行施工。具體方案為：

(1)試驗(yàn)方案1：1#(45 m)、2#(35 m)錨索開孔即跟管[1]，跟管至設(shè)計(jì)孔深，錨固段預(yù)注漿、掃孔，下索、止?jié){包先注漿、再錨固段注漿；

(2)試驗(yàn)方案2：3#(45 m)、4#(45 m)錨索開孔即跟管，跟管至距設(shè)計(jì)孔深10～20 m，剩余10～12 m孔段采用固壁掃孔施工工藝造孔，成孔后對錨固段進(jìn)行預(yù)注漿、掃孔，下索、止?jié){包先注漿、再錨固段注漿；

(3)試驗(yàn)方案3：5#(45 m)、6#(35 m)、7#(35 m)、8#(35 m)錨索開孔即固壁灌漿[2]，固壁、掃孔循環(huán)至孔底，錨固段預(yù)注漿、掃孔，下索、止?jié){包先注漿、再錨固段注漿。

2.2 試驗(yàn)用漿液

試驗(yàn)所用漿液主要有固壁M30砂漿、預(yù)注M35凈漿、預(yù)注M30砂漿、錨固段M35凈漿、張拉段M30砂漿等。

2.3 鉆 孔

2.3.1 全孔跟管造孔，錨固段封孔預(yù)注漿試驗(yàn)

(1)1#(45 m)錨索：1#錨索采用YXZ-70型錨固鉆機(jī)、146 mm×7 mm套管(二次回爐)、同心鉆具進(jìn)行跟管造孔，跟管至42 m處時管靴斷裂，42～45 m孔段由同心鉆頭裸鉆完成，鉆頭將擴(kuò)孔套帶入孔底，再對孔底錨固段進(jìn)行一次固壁掃孔后將套管拔出，孔內(nèi)套管管底距孔底10.5 m，對孔內(nèi)進(jìn)行攝像，發(fā)現(xiàn)在距離孔底約6 m處的孔壁已出現(xiàn)坍塌，錨固段孔壁裂隙極其發(fā)育，巖石呈塊體，顏色為青色(圖1)。

圖1 鉆孔孔內(nèi)攝像圖

(2)2#(35 m)錨索：2#(35 m)錨索采用φ146×7 mm套管和同心鉆具全孔跟管造孔至設(shè)計(jì)深度35 m。造孔完成后拔出套管，套管管底距孔底10.5 m，對孔內(nèi)進(jìn)行攝像，孔壁巖體呈青色，錨固段整體成孔質(zhì)量良好，局部受裂隙切割影響呈塊體，拔管后未出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌(圖2)。

圖2 鉆孔孔內(nèi)攝像圖

2.3.2 張拉段跟管造孔、錨固段固壁造孔與錨固段預(yù)注漿試驗(yàn)

對3#(45 m)、4#(45 m)錨索進(jìn)行了張拉段跟管造孔、錨固段固壁造孔。對于這兩個孔均采用哈邁HM-90A型履帶鉆車配φ146×7 mm套管和偏心鉆具跟管造孔，采用120直釬鉆頭固壁掃孔工藝造孔。

2.3.3 全孔固壁造孔試驗(yàn)

對5#(45 m)、6#(35 m)、7#(35 m)、8#(35 m)均進(jìn)行了全孔固壁造孔，采用YXZ-70型錨固鉆機(jī)配130直釬鉆頭鉆孔。5#(45 m)、6#(35 m)兩孔均因已固壁過的孔段再次出現(xiàn)塌孔而停止，其中5#孔在掃孔時因塌孔將鉆桿卡死而導(dǎo)致鉆桿、沖擊器和鉆頭全部無法取出成為廢孔。

2.4 預(yù)注漿

2.4.1 全孔跟管錨索

(1)1#(45 m)錨索：采用在孔內(nèi)套管端頭設(shè)置止?jié){塞的方式，當(dāng)止?jié){塞連接好所有管路后將止?jié){塞放在孔口試壓并檢查管路，待其無誤后放入孔內(nèi)套管端頭位置并通過水泵加壓，使止?jié){塞的橡膠套慢慢膨脹，待壓力大于灌漿壓力0.5 MPa的2/3(0.3 MPa)后開始預(yù)注漿。

根據(jù)試驗(yàn)要求，將止?jié){塞設(shè)置于距離孔底10.5 m處的套管管底且將止?jié){塞置于套管內(nèi)，進(jìn)行封孔預(yù)注漿。

先灌注M35的水泥凈漿1 100 L，耗用水泥1 550 kg，此時尚未起壓，改注5%速凝劑的M30濃水泥砂漿(砂灰比1.05，水灰比0.4)，在灌漿壓力達(dá)到0.5 MPa、穩(wěn)壓30 min后結(jié)束注漿，砂漿灌注1 240 L，耗用水泥1 084 kg。

預(yù)注漿完成后，拔出止?jié){塞完成掃孔[3]，孔內(nèi)攝像情況見圖3。

(2)2#(35 m)錨索：考慮到32#孔的止?jié){塞在灌漿后難以拔出，故在34#孔的止?jié){塞上增焊了2個卡環(huán)，下止?jié){塞時同時穿入2根φ6 鋼絲繩以便于注漿結(jié)束后通過手動葫蘆拉拔鋼絲繩將注漿塞拔出。

圖3 鉆孔孔內(nèi)攝像圖

預(yù)注漿首先灌注M35濃凈漿(水灰比為0.37)710 L，耗用水泥1 000 kg后未起壓，改注M30濃砂漿(砂灰比為1.05，水灰比為0.4)；在灌漿壓力達(dá)到0.4 MPa后穩(wěn)壓30 min結(jié)束灌漿，砂漿灌注1 140 L，耗用水泥1 000 kg。

預(yù)注漿且掃孔完成后，對錨索孔進(jìn)行了孔內(nèi)攝像(圖4)，從內(nèi)往外進(jìn)行了拍照得知成孔質(zhì)量良好，完成下索，錨索索體結(jié)構(gòu)同1#錨索孔。

2.4.2 張拉段跟管錨索

5#孔跟管鉆進(jìn)至34.5 m，34.5～45 m孔段采用固壁掃孔工藝造孔，固壁掃孔循環(huán)2次，M30砂漿固壁耗用水泥1 500 kg；6#孔跟管鉆進(jìn)至34.5 m，34.5～45 m孔段采用固壁掃孔工藝造孔，固壁掃孔循環(huán)2次，M30砂漿固壁耗用水泥1 000 kg。固壁完成后，下止?jié){塞對5#、6#孔34.5～45 m孔段進(jìn)行預(yù)注漿，預(yù)注漿完成后進(jìn)行掃孔。

圖4 鉆孔孔內(nèi)攝像圖

2.5 灌 漿

2.5.1 全孔跟管錨索

(1)1#(45 m)錨索：錨固段注漿先灌注止?jié){袋，在止?jié){袋起壓達(dá)到0.5 MPa以上后，采用M35濃水泥凈漿灌注錨固段、M30濃砂漿灌注張拉段。

實(shí)際記錄的錨固段孔口注漿壓力為0.4～0.6 MPa，在錨固段回漿管回濃漿注漿壓力達(dá)到0.6 MPa、穩(wěn)壓30 min后孔內(nèi)未再吸漿，結(jié)束錨固段灌漿。

通過張拉段進(jìn)漿管灌注M30水泥砂漿，待孔口返漿、灌漿壓力為0.3 MPa、穩(wěn)壓30 min，孔內(nèi)不再吸漿后結(jié)束灌漿。

(2)2#(35 m)錨索：對于錨固段注漿，先灌注止?jié){袋，然后采用M35水泥凈漿灌注錨固段，實(shí)際記錄孔口注漿壓力為0.3～0.5 MPa，待錨固段回漿管回濃漿且注漿壓力達(dá)到0.5 MPa后閉漿30 min結(jié)束錨固段灌漿。錨固段灌漿完成后，通過張拉段進(jìn)漿管灌注M30水泥砂漿，在壓力達(dá)到0.5 MPa、孔口返漿、穩(wěn)壓30 min后結(jié)束灌漿。

2.5.2 張拉段跟管錨索

先采用M35水泥凈漿灌注錨固段，實(shí)際記錄孔口注漿壓力為0.3～0.5 MPa，待錨固段回漿管回濃漿且注漿壓力達(dá)到0.5 MPa后閉漿30 min結(jié)束錨固段灌漿。錨固段灌漿完成后，通過張拉段進(jìn)漿管灌注M30水泥砂漿，在壓力達(dá)到0.5 MPa、孔口返漿、穩(wěn)壓30 min后結(jié)束灌漿。

3 錨索造孔與灌漿試驗(yàn)分析

3.1 預(yù)注漿施工工藝分析

本次試驗(yàn)均對孔底約10 m孔深下止?jié){塞進(jìn)行預(yù)注漿[4]，預(yù)注漿采用先灌注約1 000 L的M35凈漿，再灌注加入5%速凝劑的M30砂漿(砂灰比1.05∶1)，通過孔內(nèi)攝像發(fā)現(xiàn)錨固段內(nèi)的裂隙被預(yù)注漿漿液填充，錨索下索后的灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而保證了錨固段的灌漿質(zhì)量。試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案2已完成張拉，鎖定力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 各試驗(yàn)方案造孔工藝分析對比

3.2.1 造孔時間(工效)比對

從已完成預(yù)注漿的各試驗(yàn)孔看，同為長度L=35 m的錨索，試驗(yàn)方案3的施工時間最長，已完成的8#(35 m)達(dá)到了6.5 d，試驗(yàn)方案1的2#(35 m)僅為2.1 d，試驗(yàn)方案1的施工時間最短，施工工效高。

同為長度L=45 m的錨索，試驗(yàn)方案1的1#(45 m)施工時間為3.8 d，試驗(yàn)方案2的3# (45 m)施工時間為3.3 d，4# (45 m)的施工時間為3.2 d。試驗(yàn)方案2略優(yōu)。

經(jīng)綜合比對后得知：試驗(yàn)方案3的施工功效最低，施工時間長，試驗(yàn)方案1較試驗(yàn)方案2的施工時間短，但相差不大。

3.2.2 造孔風(fēng)險(xiǎn)比對

試驗(yàn)方案3采用全孔固壁的方法，若出現(xiàn)固壁未達(dá)到預(yù)期效果時存在已固壁孔段出現(xiàn)塌孔的情況，如5#(45 m)鉆桿被卡死，鉆桿和鉆具均無法取出。

試驗(yàn)方案1采用同心鉆具全孔跟管鉆孔的方法，在套管出現(xiàn)斷裂無法跟進(jìn)時，由于孔內(nèi)管底配套有擴(kuò)孔套，而擴(kuò)孔套內(nèi)徑僅有115 mm，無法采用φ120直釬鉆頭繼續(xù)往前裸鉆，且擴(kuò)孔套無法取出孔外將產(chǎn)生廢孔。前期4級邊坡A區(qū)下游錨索造孔時出現(xiàn)了大量此種情況產(chǎn)生的廢孔。

試驗(yàn)方案2采用張拉段偏心鉆具跟管造孔的方法，錨固段φ120直釬鉆具固壁造孔的方法，鉆孔均完全成孔。

三種試驗(yàn)方案比對結(jié)果表明：試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案2均存在無法成孔和產(chǎn)生廢孔的風(fēng)險(xiǎn)，而試驗(yàn)方案2產(chǎn)生廢孔的概率最低，因此試驗(yàn)方案2最優(yōu)。

3.2.3 造孔經(jīng)濟(jì)分析比對

各試驗(yàn)方案施工成本統(tǒng)計(jì)情況見表1。

從表1中可以看出：各個試驗(yàn)孔的錨固段地質(zhì)情況不同，預(yù)注漿的漿液量存在較大差異，因此，經(jīng)濟(jì)分析比對只考慮預(yù)注漿前的施工工序。根據(jù)單價分析，各試驗(yàn)孔的施工工序成本見表2，各試驗(yàn)孔預(yù)注漿前的造孔成本見表3。跟管拔管和跟管未拔管單價以合同價考慮，未按實(shí)際成本分析單價。

根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，試驗(yàn)方案3造孔成本最高。對于長度為45 m的錨索，試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案2的造孔成本相差不大。造孔施工方法應(yīng)在試驗(yàn)方案1和試驗(yàn)方案2中進(jìn)行選擇。

表1 各試驗(yàn)孔工作內(nèi)容統(tǒng)計(jì)表

表2 各試驗(yàn)孔施工工序成本統(tǒng)計(jì)表

表3 各試驗(yàn)孔預(yù)注漿前的施工成本統(tǒng)計(jì)表

3.3 造孔設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過試驗(yàn)方案2，驗(yàn)證了履帶鉆車配偏心鉆頭跟管鉆孔工藝可行，其工效高于常規(guī)的錨固鉆孔設(shè)備，可減少挪移鉆機(jī)的時間。但其缺點(diǎn)在于鉆機(jī)成本過高，且開挖邊坡時需為其預(yù)留每層的作業(yè)平臺，對邊坡開挖的干擾較大。不宜大規(guī)模進(jìn)行施工，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況合理安排施工。

4 錨索造孔與灌漿

4.1 造孔工藝

根據(jù)本次錨索的試驗(yàn)過程分析和3種造孔方案的比對得知：采用“跟管加固壁”的造孔工藝是現(xiàn)有地質(zhì)條件下的最佳施工工藝，后續(xù)施工應(yīng)按此法進(jìn)行施工。

4.2 預(yù)注漿措施

本次試驗(yàn)錨索成孔后，下索前對孔底10～12 m下止?jié){塞進(jìn)行了預(yù)注漿，索體編制時在錨固段與張拉段之間增設(shè)了止?jié){袋，下索后錨固段灌漿達(dá)到了設(shè)計(jì)灌漿標(biāo)準(zhǔn)，所張拉的4束錨索均滿足設(shè)計(jì)要求。筆者建議：后續(xù)錨索施工均按此措施進(jìn)行。

4.3 造孔設(shè)備

本次對履帶鉆車鉆孔進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了其跟管鉆錨索孔的可行性，其優(yōu)點(diǎn)在于減少了排架搭設(shè)和拆除的施工工序，但因其施工成本高、對開挖影響較大，后續(xù)施工中應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃合理安排施工，以加快邊坡的施工進(jìn)度。

4.4 混凝土、漿液材料及配合比

本次試驗(yàn)1# (45 m)、2# (35 m)、3# (35 m)、4# (35 m)錨索的錨墩混凝土和錨固段凈漿取樣的7 d強(qiáng)度均已達(dá)到設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，并按設(shè)計(jì)要求完成了張拉和鎖定。試驗(yàn)所用的凈漿、砂漿、錨墩混凝土施工配合比均滿足設(shè)計(jì)要求[5]；同時滿足錨索7 d快速張拉的需求，通過錨索測力計(jì)的張拉跟蹤監(jiān)測，試驗(yàn)所用的張拉設(shè)備滿足質(zhì)量要求。

4.5 其 他

從成孔后的孔內(nèi)攝像圖像看，孔內(nèi)顆粒殘?jiān)^多，無法吹出，筆者建議：由規(guī)范要求的超鉆0.4 m改為超鉆1 m，以便將孔內(nèi)殘?jiān)等肟椎? m加深段。

采用最佳工藝固化后，按照本次試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)、結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)要求和控制節(jié)點(diǎn)工期，安排邊坡施工進(jìn)度和施工設(shè)備。

5 結(jié) 語

該電站通過弱風(fēng)化強(qiáng)卸荷巖體1 000 kN級無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索造孔與灌漿技術(shù)的研究，造孔灌漿施工經(jīng)過施工前科學(xué)組織、精心施工及造孔灌漿控制措施得當(dāng)，根據(jù)邊坡巖體的特殊性，通過使用不同的造孔設(shè)備、造孔方法、灌漿工藝，篩選出最優(yōu)的造孔灌漿施工技術(shù)，形成了經(jīng)濟(jì)可行的鉆孔方法、孔內(nèi)電視攝像、鉆孔長度、灌漿水灰比、灌漿壓力、過程觀測等控制措施，保證了造孔及灌漿質(zhì)量，所實(shí)施的具體控制措施為：

(1)所形成的錨索造孔工藝為：跟管加固壁或預(yù)注漿的施工工藝，具體施工方法如下：

跟管造孔，張拉段采用φ146套管配合偏心鉆具跟管鉆孔至距離孔底10～12 m，鉆孔設(shè)備為YXZ-70型錨固鉆機(jī)和履帶鉆車；距離孔底10～12 m范圍孔段采用φ120直釬鉆頭鉆孔(簡稱裸鉆)固壁。為保證固壁效果，固壁前，均在套管底部下止?jié){塞止?jié){，以孔口注漿壓力達(dá)到0.3 MPa以上、孔內(nèi)不再吸漿為結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

固壁漿液采用加5%速凝劑的M30砂漿。為避免漿液滲透對拔管產(chǎn)生不利影響，在每次固壁后，及時采用液壓拔管機(jī)松動套管；跟管造孔無法鉆進(jìn)至距離孔底10～12 m時，后續(xù)孔段均采用固壁造孔工藝鉆孔以確保成孔；跟管結(jié)束后的后續(xù)孔段，若采用裸鉆可直接鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度時無需再進(jìn)行固壁，孔內(nèi)攝像后進(jìn)入預(yù)注漿工序施工以加快錨索施工進(jìn)度；在固壁漿液待凝過程中，均采用鉆桿向孔內(nèi)送入高壓風(fēng)以加速漿液凝結(jié)，控制注漿結(jié)束8 min后即可掃孔。

(2)經(jīng)孔內(nèi)攝像判定錨固段裂隙發(fā)育時，下索前應(yīng)對錨固段進(jìn)行預(yù)注漿；經(jīng)孔內(nèi)攝像判定錨固段成孔質(zhì)量好、錨固段巖體完整(或裂隙已全部被固壁漿液填充)時，可不進(jìn)行預(yù)注漿；采用加入5%速凝劑的M30砂漿作為預(yù)注漿漿液，砂灰比為1.05∶1。

(3)為使錨固段的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在錨固段與張拉段交接處增設(shè)了80 cm長的止?jié){袋，錨固段和張拉段分開灌注凈漿和砂漿以確保錨固段的注漿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。