巴塘水電站強(qiáng)卸荷破碎巖體錨索施工技術(shù)

張 偉, 王 旭 輝, 張 剛， 張 棟， 梁 政

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；3.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 況

巴塘水電站位于川藏交界的金沙江干流上，以發(fā)電為主，總裝機(jī)容量750 MW。

受地形條件限制，電站樞紐建筑物均布置在左岸，具有典型的強(qiáng)卸荷破碎巖體特征，山體巖層傾向山里，走向近SN向，傾角近直立，巖性為黑云母石英片巖，裂隙節(jié)理發(fā)育以層面為主，多呈張開-微張開狀，強(qiáng)中等透水。其中表層為強(qiáng)卸荷帶，水平深度一般為20～40 m，卸荷帶內(nèi)結(jié)構(gòu)面多呈張開狀，整體松弛，拉張裂縫寬度一般10～30 m，弱卸荷水平深度一般40～70 m，局部可達(dá)150 m以上。除此之外，邊坡還有多條斷層分布，寬度為10～20 m不等。

設(shè)計最大坡高約200 m，每 15 m 設(shè)一級馬道，馬道寬度一般為3 m，坡頂兩級開挖坡比1∶1.5，以下各級開挖坡比均為1∶0.8。開挖邊坡采用掛網(wǎng)噴混凝土及錨桿、鎖口錨索(1 000 kN，長35 m/45 m)+錨筋樁+網(wǎng)格梁的支護(hù)形式。其中錨索原設(shè)計結(jié)構(gòu)為全黏結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索，布設(shè)在各級邊坡上部的網(wǎng)格梁節(jié)點處，分上下兩排布置，長度分別為35 m和45 m，間排距4 m，下傾15°。

根據(jù)開挖后揭露的的地層情況以及施工情況，左岸邊坡地層特點可以概括為：(1)散，裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂塊狀，造孔時孔壁容易坍塌、掉塊，發(fā)生卡鉆；(2)硬，較一般風(fēng)化碎裂地層，巖石硬度要大，鉆具磨損大；(3)漏，邊坡卸荷程度深，裂縫發(fā)育較寬，且連通性好，造孔漏風(fēng)、注漿漏失情況嚴(yán)重；(4)夾，斷層破碎帶發(fā)育，地層軟硬相間表現(xiàn)明顯。

針對地質(zhì)特點，工程技術(shù)人員通過多次優(yōu)化調(diào)整，形成了一套適合強(qiáng)卸荷破碎巖體邊坡的錨索施工工藝，有效解決了錨索施工中存在的造孔塌孔、鉆具磨損、卡鉆、漏漿、串漿、張拉松弛卸荷等問題，為電站按期建設(shè)及安全運行奠定了基礎(chǔ)。

2 前期施工存在的問題

2.1 錨索造孔一次成孔率低

邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，使用常規(guī)直釬鉆頭無法直接成孔。開工之初便采用了跟管造孔工藝，鉆機(jī)選用哈邁YXZ-50A、哈邁YXZ-70A型號，鉆頭使用雙擺葉偏心跟管鉆頭和三翼同心擴(kuò)孔鉆，跟管為146×5 mm的無縫鋼管。在造孔過程中卡鉆情況頻繁出現(xiàn)，跟管鉆進(jìn)至孔深20～30 m左右便無法繼續(xù)鉆進(jìn)，跟管套管也無法拔出。后改用同心靴管中心套鉆頭，造孔可以達(dá)到設(shè)計孔深要求，但廢孔率居高不下，一次成孔率較低，僅約64.2%。工程技術(shù)人員對廢孔率偏高的情況進(jìn)行了分析，該強(qiáng)卸荷破碎巖體中硬質(zhì)巖石占比較大，加之?dāng)鄬悠扑閹Оl(fā)育、山體呈軟弱相間夾層狀，鉆頭鉆具磨損嚴(yán)重是成孔率較低的主要原因，傳統(tǒng)的偏心鉆頭、同心擴(kuò)孔鉆頭均不能較好地適應(yīng)該地質(zhì)條件下的錨索成孔。

2.2 錨索注漿漏漿、串漿嚴(yán)重 無法達(dá)到設(shè)計壓力要求

邊坡卸荷程度深，裂縫發(fā)育較寬、連通性好，注漿時吃漿量極大。根據(jù)邊坡錨索注漿情況統(tǒng)計，22束錨索平均消耗水泥21.647 t，其中最大一束錨索消耗水泥量達(dá)到了132.929 t。由于裂隙連通，串漿情況也十分嚴(yán)重，邊坡數(shù)根錨索下索后，由于相臨錨索注漿時發(fā)生串漿，造成錨固段進(jìn)漿管阻塞、無法進(jìn)行錨固注漿。錨固段注漿漏漿情況嚴(yán)重，采取間歇、限流、待凝、灌注砂漿等一系列控制措施后，卻始終無法將錨固段注滿，更無法滿足設(shè)計要求的錨固段注漿壓力0.3-0.5 MPa、閉漿時間30 min的注漿結(jié)束要求。

2.3 錨索一次張拉合格率低 一次張拉力不足情況嚴(yán)重

(1)實際伸長值較理論伸長值偏小，超出規(guī)范要求，存在這種情況全部為全黏結(jié)錨索，由于全黏結(jié)錨索自由段無PE管包裹，當(dāng)錨固段灌注漿液沿裂隙繞過制漿塞灌至自由段時，就造成自由段長度變短，出現(xiàn)張拉伸長值偏小的情況。

(2)錨索卸荷比較嚴(yán)重，張拉力穩(wěn)定值低于設(shè)計最小允許值，主要原因是錨墩基礎(chǔ)承載力不足，錨墩基礎(chǔ)發(fā)生了較為明顯的沉降變形，二次補償張拉仍然存在同樣的問題。

(3)個別錨索一次張拉不能達(dá)到設(shè)計值，原因是錨固段注漿不飽滿，錨索錨固體無法較好地鑲嵌在巖體中；間接原因是邊坡裂隙發(fā)育、漏漿造成的。

3 錨索施工工藝的改進(jìn)

3.1 錨索施工工藝改進(jìn)技術(shù)路線[1-4]

(1)針對邊坡巖體裂隙節(jié)理發(fā)育、硬質(zhì)巖石占比較大的問題，該選用合適的造孔機(jī)具、設(shè)備，改進(jìn)錨索成孔工藝，減少鉆具磨損，切實解決錨索造孔廢孔問題。

(2)調(diào)整錨索索體結(jié)構(gòu)，避免串漿、漏漿影響；調(diào)整錨墩體結(jié)構(gòu)，提高基礎(chǔ)承載力。

(3)采取控制性注漿措施，對錨索不同階段注漿采取不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，在確保錨索注漿質(zhì)量的同時，盡量減小錨索的注漿成本，縮短注漿時間。

(4)從施工組織方面入手，減小錨索各道工序所占用的直線工期時間，充分利用錨索注漿、錨墩混凝土待強(qiáng)時間。

3.2 造孔工藝方法選擇及操作要點

3.2.1 造孔工藝方法及鉆具選擇

錨索常用的造孔工藝方法有常規(guī)成孔、固壁灌漿和跟管，三種工藝方法各有優(yōu)缺點，具體情況見表1。

基于表中分析，針對本工程強(qiáng)卸荷破碎巖體散、硬、漏、夾的地質(zhì)特點，并借鑒類似工程的錨索施工經(jīng)驗，經(jīng)試驗最終確定采用跟管+固壁+預(yù)注漿的造孔工藝，跟管穿過表層強(qiáng)卸荷松散體及斷層破碎帶，直至較為堅硬的巖體為止。鉆具選擇Φ150 mm偏心鉆頭+,147 mm厚10 mm跟管，跟管材質(zhì)為P110級鋼，絲扣經(jīng)淬火處理，以提高跟管的抗拉強(qiáng)度。跟管造孔結(jié)束后改用直釬鉆頭，鉆頭Φ127 mm。[5]

表1 三種錨索造孔方法適用性分析表

3.2.2 造孔設(shè)備

采用90A履帶式鉆機(jī)，該鉆機(jī)具有造孔效率高、移動方便的特點，每臺履帶鉆機(jī)可同時負(fù)責(zé)單排3～5個錨索孔施工，利用錨索固壁待強(qiáng)時間，穿插錨桿施工作業(yè)，大幅度提高了系統(tǒng)支護(hù)、錨索造孔功效，大大縮短了分層開挖支護(hù)的時間。采用移動式履帶鉆機(jī)還節(jié)省了傳統(tǒng)搭設(shè)腳手架的時間和挪移鉆機(jī)的時間。

3.2.3 操作要點

(1)測量放點，對開孔位置進(jìn)行定位，矯正開孔方位角、傾角，傾角偏差不大于1°，孔位偏差不大于10 cm。

(2)注意孔斜撓度控制，穿越斷層破碎帶時，應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)情況對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，軟弱巖石采用中低速鉆進(jìn)，堅硬巖石采用中高速鉆進(jìn)，及時調(diào)整鉆進(jìn)方式?？仔毙杩刂圃?%以內(nèi)，否則需加扶正器。[6]

(3)根據(jù)孔壁塌孔情況確定直釬鉆頭的循環(huán)進(jìn)尺深度，一般控制在2～5 m，拔出鉆頭后用砂漿進(jìn)行固壁，以灌注流動性低的砂漿為宜，如吃漿量大，摻加一定的速凝劑，砂漿摻加早強(qiáng)劑縮短待強(qiáng)時間，掃孔后孔壁不坍塌即可進(jìn)行下一環(huán)節(jié)，直至設(shè)計深度為止。

(4)造孔至設(shè)計孔深后，對錨固段進(jìn)行孔內(nèi)攝像，根據(jù)孔壁裂隙發(fā)育情況確定是否需要進(jìn)行預(yù)注漿。如果需要，則用注漿塞對錨固段進(jìn)行預(yù)注漿，重新掃孔后下錨索；如不需要進(jìn)行預(yù)注漿，則直接下錨索。

3.3 錨索編制

為應(yīng)對碎裂地層，避免串漿影響錨索自由段的長度，借鑒全黏結(jié)錨索結(jié)構(gòu)，對無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，具體操作如下[7]：

(1)在錨固段設(shè)置一進(jìn)一回兩個注漿管，錨固段注漿管深入至距離孔底30 cm，錨固段回漿管布置在錨固段與張拉段分界位置以內(nèi)50 cm處。設(shè)置回漿管主要用來檢查錨固段注漿密實情況，同時兼做補灌灌漿管。進(jìn)漿管在錨固段范圍內(nèi)開1 m間距的花孔，便于漿液的擴(kuò)散。

(2)在錨固段與自由段分界處設(shè)置止?jié){包：①錨固段與張拉段分界處鋼絞線用防水膠帶包裹，防止水泥漿進(jìn)入PE套；②止?jié){包安裝前每根鋼絞線、進(jìn)(回)漿管用棉絮纏緊，外包裹土工布并綁扎緊密，確保止?jié){包不漏漿、并能承壓；③錨固段的進(jìn)漿管在止?jié){包段開兩個小口，錨固段注漿時止?jié){包先充填水泥漿液。

(3)錨索張拉段包裹土工布，目的是防止?jié){液四處擴(kuò)散，減小注漿量。

(4)張拉段設(shè)置一進(jìn)一回兩個注漿管，進(jìn)漿管深入至自由端、錨固段分界處，中間開花孔，間距2 m；孔口設(shè)回漿管，用來排氣和自由端補注漿。

調(diào)整后的錨索結(jié)構(gòu)詳見圖1。

3.4 錨索注漿控制方法

灌注漿液由設(shè)置的集中制漿站制拌，凈漿直接從集中制漿站灌注至孔內(nèi)，砂漿則先將制拌的水泥漿輸送至臨近工作面的砂漿攪拌機(jī)內(nèi)，現(xiàn)場摻砂攪勻后，通過砂漿泵灌注至錨索孔內(nèi)。注漿共分為固壁注漿、錨固段預(yù)注漿、錨固段注漿、張拉段注漿四個階段，具體控制要求如下：

(1)固壁注漿：

①漿液為砂漿，摻入一定量的速凝劑、早強(qiáng)劑，縮短待強(qiáng)時間；

②如漏漿嚴(yán)重，可間歇灌注，必要時摻加速凝劑，確保復(fù)掃孔孔壁不坍塌即可。

(2)錨固段預(yù)注漿[8,9]：

①錨固段預(yù)注漿開始采用高濃度的水泥凈漿，注漿量超過3～5倍的孔徑體積，改用水泥砂漿。如漏漿嚴(yán)重，采用間歇灌注方式，摻加3%速凝劑。

圖1 無黏結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)

②下止?jié){塞注漿，注漿壓力達(dá)到0.1～0.3 MPa，待吃漿量明顯減少，可結(jié)束注漿。

(3)錨固段注漿：

①采用水泥漿進(jìn)行灌注，28 d抗壓強(qiáng)度不低于35 MPa，7天強(qiáng)度應(yīng)不低于30 MPa。

②注漿前，應(yīng)對流動性測定，漿液在黏度計流出時間以不超過6秒為宜；還應(yīng)進(jìn)行泌水性測定，在量筒中注入500 cm3漿液，3 h后泌水量不得超過2%。

③漿液中應(yīng)摻入一定量的膨脹劑和早強(qiáng)劑，不得摻加速凝劑、水玻璃等任何有腐蝕作用的外加劑。

④錨固段灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，回氣管回濃漿后即以0.5 MPa的壓力閉漿，閉漿時間30min。

⑤錨固段注漿飽滿度檢查，采用吹氣法看注漿管、回漿管是否暢通，如不暢通則在管內(nèi)穿鋼絲，在管內(nèi)的位置，確認(rèn)錨固段灌漿是否飽滿。次日再次用同樣的方法進(jìn)行檢查，防止?jié){液流失或者泌水性導(dǎo)致錨固段漿液包裹不密實。

(4)張拉段注漿：

采用水泥砂漿灌注，28 d抗壓強(qiáng)度不低于30 MPa，孔口反漿結(jié)束。

3.5 錨墩施工

由于邊坡巖體較為破碎，造孔、拔管過程中對錨墩基礎(chǔ)破壞較嚴(yán)重，張拉時錨墩沉陷情況較為嚴(yán)重，為此，錨墩施工采取了以下措施：

(1)對孔口基面澆筑砂漿或混凝土以提高基巖承載力，預(yù)埋直徑120 mm鋼管套在孔口鋼絞線上，鋼管應(yīng)與錨索孔在一條直線上。

(2)調(diào)整錨墩尺寸，根據(jù)錨墩基礎(chǔ)承載力確定錨墩尺寸、內(nèi)部配筋和錨桿型號及數(shù)量，確保錨墩有足夠大的受力面積，減少張拉時可能發(fā)生的沉降變形。

(3)按設(shè)計要求施工錨墩插筋，檢驗合格后綁扎鋼筋，安裝錨墊板、孔口管。嚴(yán)格控制錨墊板、孔口管垂直度，確保錨墊板、孔口管垂直，錨索孔與孔口在一條直線上。

(4)如邊坡有網(wǎng)格梁，錨墩應(yīng)預(yù)留與網(wǎng)格梁連接的插筋，確保錨索網(wǎng)格梁整體持力。

3.6 錨索張拉

錨索張拉施工前應(yīng)有針對性的選擇幾個錨索開展張拉工藝性試驗，在錨墩周邊設(shè)置固定的樣架作為參照點，每一級張拉后對錨索沉降值、張拉力值進(jìn)行觀測，檢查錨索是否存在卸荷狀況。如錨索出現(xiàn)錨墩沉陷、拉力卸荷情況，應(yīng)研究應(yīng)對措施，查找問題原因。張拉試驗無問題，則按照規(guī)范及設(shè)計要求對其余錨索逐級張拉、鎖定。

4 工藝方法應(yīng)用效果

巴塘水電站左岸邊坡開挖支護(hù)工程共有錨索2 300余根，總長約90 000 m，從2018年5月施工至今已完成錨索1 000余束。從開工之初使用雙擺葉偏心鉆頭、三翼同心擴(kuò)孔鉆頭、同心靴管中心套鉆頭進(jìn)行全長跟管造孔到改為“跟管+固壁+預(yù)注漿”的造孔施工工藝，從腳手架+錨固鉆機(jī)作業(yè)到移動式履帶式鉆機(jī)穿插作業(yè)省去腳手架搭設(shè)。工程技術(shù)人員通過不斷的優(yōu)化調(diào)整施工工藝，最終形成了一套適合巴塘電站強(qiáng)卸荷破碎巖體的錨索施工工藝方法，每級邊坡支護(hù)下挖時間從之前2個半月縮短到了目前的1個月，應(yīng)用效果明顯。

5 結(jié) 語

針對巴塘水電站散、硬、漏、夾的地質(zhì)特點，工程技術(shù)人員經(jīng)過反復(fù)試驗，形成了一套適合強(qiáng)卸荷破碎巖體邊坡錨索的施工工藝。該工藝較好的克服了強(qiáng)卸荷破碎巖體中錨索施工的不利因素，有效解決了施工過程中存在的塌孔、鉆具磨損、卡鉆、漏漿、串漿、張拉松弛卸荷等問題，錨索施工進(jìn)度、施工質(zhì)量方面實踐效果明顯。通過實踐可以得出以下結(jié)論：

(1)采用“跟管+固壁+預(yù)注漿”的造孔施工工藝可以較好的適應(yīng)強(qiáng)卸荷破碎巖體錨索造孔工作，該方法同時克服了固壁灌漿循環(huán)進(jìn)尺周期時間長、費用高以及全跟管造孔卡鉆、鉆具、管靴磨損嚴(yán)重，廢孔率高的缺點，在保證工期的同時又節(jié)省了費用。

(2)充分利用移動式履帶式鉆機(jī)造孔效率高、移動方便、動力強(qiáng)的特點，縮短了錨索造孔時間以及各工序的銜接時間，利用錨索固壁待強(qiáng)時間，穿插錨桿施工作業(yè)，大幅度提高了系統(tǒng)支護(hù)、錨索造孔功效。該方法還減少腳手架搭設(shè)時間，節(jié)省了人力物力，也是以后邊坡支護(hù)的發(fā)展方向。

(3)根據(jù)錨索注漿部位、注漿階段采取不同的注漿控制方式，使用孔內(nèi)攝像技術(shù)對錨固段巖體完整情況進(jìn)行鑒定，在保證錨索注漿質(zhì)量的同時縮短了各階段的注漿耗時，提高了錨索施工進(jìn)度，又節(jié)約了注漿材料。[10]

(4)對錨索結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，將全黏結(jié)錨索調(diào)整為無黏結(jié)錨索，并對注漿管、制漿包進(jìn)行改進(jìn)，張拉段外包土工布，較好的克服了強(qiáng)卸荷碎裂地層裂隙聯(lián)通、漏漿、串漿造成質(zhì)量問題，節(jié)省了不必要的材料消耗。

(5)對錨固段基礎(chǔ)進(jìn)行處理，采取澆筑墊層、增大錨墩尺寸兩項措施，克服了錨墩基礎(chǔ)承載力不足、張拉沉陷的問題。

該工藝方法可為類似工程借鑒參考。