白鶴灘水電站巖壁梁錨桿角度控制技術(shù)研究

王戰(zhàn)新 曹官軍

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都610213)

1 概述

地下廠房巖壁梁作為水電站機組吊裝及檢修的主要承載受力建筑結(jié)構(gòu)，主要利用巖壁梁錨桿將鋼筋混凝土錨固在地下廠房巖體上，將所受荷載與摩擦力通過錨桿均勻地傳遞至巖壁梁巖體上[1]。據(jù)推算白鶴灘電站主廠房巖壁梁最大起吊重量約2400t，因此，巖壁梁均衡承載即要求錨桿施工角度必須精準控制，且?guī)r壁梁錨桿、混凝土配筋及各類埋件等交叉密集布置，任何工序施工偏差過大均會影響下道工序施工難度，作為第一道工序的錨桿角度控制尤為重要。傳統(tǒng)的巖壁梁錨桿角度控制工藝以結(jié)果檢查為主，且受檢查人員操作熟練程度、檢測儀器精度等因素影響很大，不能精準反映錨桿造孔角度的控制質(zhì)量。為保證巖壁梁錨桿角度過程質(zhì)量控制，迫切需要引進一套技術(shù)可行、性能可靠、動態(tài)可測的檢測控制方法。筆者依托白鶴灘水電站左岸地下廠房巖壁梁錨桿施工開展了錨桿角度控制技術(shù)研究。

白鶴灘水電站位于川滇交界金沙江上游，左右岸各設(shè)計安裝8臺1000MW水輪機組，總裝機16000MW。白鶴灘水電站地下廠房開挖尺寸為（長×寬×高）453×34×88.7 m，巖壁梁位于地下廠房第III層，巖臺高3.60 m，長405.60 m，巖壁梁體范圍內(nèi)布置了2排受拉錨桿、1排受壓錨桿及2排系統(tǒng)普通砂漿錨桿。2排受拉錨桿施工參數(shù)：40（IV級鋼），L=12m，間距70cm，入巖9.2 m，上下排錨桿上仰角度分別為25°和20°，梅花形布置；受壓錨桿施工參數(shù)：32（III級鋼），L=9.0 m，間距70cm，入巖7.5 m，下傾角度36.53 °；2排系統(tǒng)普通砂漿錨桿，其參數(shù)為：32（III級鋼），L=9.0 m，間距140cm，入巖8.0 m，上仰角度10°，見圖1。

圖1 巖壁梁錨桿參數(shù)與混凝土配筋位置關(guān)系

2 技術(shù)背景

水電站巖壁梁承載是通過鋼筋混凝土、錨桿傳遞至圍巖體上，以達到共同承載作用。按設(shè)計錨桿參數(shù)施工是確保巖壁梁均衡承載荷載與質(zhì)量檢查驗收的保證。同時，巖壁梁混凝土配筋密集、復(fù)雜，如在錨桿造孔施工過程放松角度控制，那么在對下步混凝土鋼筋與埋件施工將埋下巨大隱患。換言之，提前嚴謹籌劃錨桿造孔角度偏差控制，對巖壁梁均衡受力及混凝土鋼筋與埋件安裝的順利實施皆具重大意義。

從圖1巖壁梁錨桿與混凝土配筋位置關(guān)系分析得出：

（1）巖壁梁混凝土水平箍筋布置形式是影響受拉錨桿、普通系統(tǒng)錨桿橫向角度主要因素。巖壁梁混凝土水平箍筋間距15cm交錯布置，即受拉錨桿、普通系統(tǒng)錨桿外露端頭左右偏差≤5cm（已考慮鋼筋直徑，下同）。

（2）巖壁梁混凝土水平箍筋、斜底面環(huán)向主筋布置形式是影響受壓錨桿方位角度主要因素。巖壁梁混凝土水平箍筋間距15cm交錯布置，即受壓錨桿外露端頭左右偏差≤5cm；受巖壁梁斜底面縱橫鋼筋網(wǎng)及鋼筋保護層（凈保護層5cm）限制，即受壓錨桿外露端頭下傾偏差≤2.4 cm。

3 控制標準與動態(tài)控制原理

3.1 控制標準。為保證巖壁梁錨桿施工角度滿足規(guī)范與設(shè)計要求及混凝土鋼筋與埋件安裝設(shè)計要求，即錨桿造孔施工控制標準見表1。

表1 巖壁梁錨桿造孔施工控制標準

3.2 動態(tài)控制原理。以往工程錨桿造孔施工角度控制主要以結(jié)果檢測為主，主要采用線錘測量法、組合對比測量法、地質(zhì)羅盤測量等，檢測效率低，且受檢測人員的熟練程度與檢測儀器精度影響較大。國外先進鉆機設(shè)備上雖配備了GPS定位定向系統(tǒng)，但在地下洞室往往GPS無信號、靜止條件下無法判別方位，無法使用。電子羅盤是通過重力和地磁導(dǎo)航定向技術(shù)[2]，能迅速準確地判讀方位，適用范圍不受限制。

錨桿造孔動態(tài)控制技術(shù)是通過在多臂鉆臺車操作臂上加裝高精度電子羅盤，操作臂造孔的姿態(tài)動態(tài)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳送到駕駛室內(nèi)讀數(shù)顯示屏[3]上，鉆機操作手根據(jù)顯示屏的實時方位與傾角數(shù)據(jù)調(diào)整操作臂擺臂姿態(tài)，以實現(xiàn)動態(tài)控制造孔角度目的。

4 造孔角度控制方法

4.1 電子羅盤裝置安裝。電子羅盤裝置由專用鋁合金支架、羅盤儀、數(shù)據(jù)線、顯示屏組成。首先將高精度電子羅盤和支架按產(chǎn)品安裝說明進行連接緊固，再將電子羅盤支架系統(tǒng)安裝在鉆機操作臂的側(cè)后方向50cm以外（防止導(dǎo)磁材料干擾），同時將顯示屏安裝在鉆機操作室不影響鉆機操作的位置上，然后通過數(shù)據(jù)線將電子羅盤與顯示屏連接，最后根據(jù)調(diào)校說明對電子羅盤進行角度調(diào)校。電子羅盤的測量精度為：方向角偏差小于0.2 °，俯仰角測量偏差小于0.1 °，電子羅盤防水防塵防震性良好，顯示器在陽光、燈光下可視性好。

4.2 造孔角度定向操作。巖壁梁錨桿角度受巖壁梁承載受力計算及其與混凝土鋼筋、埋件等位置關(guān)系影響，因此巖壁梁錨桿施工精度要求非常高，在造孔前應(yīng)對每根錨桿孔位進行準確定位，要求開孔誤差不超過錨桿直徑，造孔角度誤差不超過1.5 °，在造孔過程中避免鉆桿錯動、偏移。

4.2.1 錨桿點位控制。其施工工藝為：①根據(jù)設(shè)計位置參數(shù)，繪制錨桿點位平面布置圖，準確定位每根錨桿點位。②使用全站儀逐孔放點，點位偏差10mm以內(nèi)，采用反光油漆標記，便于鉆機對點施鉆；在放點過程如遇錨桿點位在巖石尖角等不利下鉆位置，采用榔頭等工具敲擊平整，再放點位。

4.2.2 造孔機具造孔主要工藝要點：①造孔前，首先要將鉆機平臺修整平整，確保鉆機平穩(wěn)行駛與停放。②鉆機移動到指定位置后，通過電子羅盤顯示屏角度數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)操作臂姿態(tài)，在鉆桿盡量接近預(yù)定姿態(tài)的情況下鉆頭對準開孔點位。③根據(jù)電子羅盤角度顯示，依次粗調(diào)方位角和傾角，使兩個角度基本達到設(shè)計值，此時再次復(fù)核鉆頭是否對準開孔點位，如未對準，重復(fù)本步操作，直到滿足設(shè)計角度要求。④根據(jù)電子羅盤顯示屏角度數(shù)據(jù)微調(diào)操作臂鉆桿角度，微調(diào)時先調(diào)方位角，達到預(yù)定角度后再調(diào)節(jié)傾角到設(shè)計角度，兩角度誤差在0.5 °范圍內(nèi)。⑤再次復(fù)核開孔點位、方位角、傾角，如仍不符合設(shè)計要求，重復(fù)以上步驟調(diào)節(jié)，直到三者都達到設(shè)計要求，方可開鉆。⑥開鉆時，首先采用沖擊方式鉆進5～10cm后，保證機位不變，放下操作臂滑架支撐穩(wěn)固，再次修正方位角與傾角，繼續(xù)鉆進。⑦初始鉆進速度應(yīng)盡量緩慢控制，防止鉆機鉆桿跳轉(zhuǎn)。鉆進0.5 m后，停機復(fù)查鉆桿角度，如發(fā)生小角度偏移，則立即進行糾偏，然后繼續(xù)鉆進。⑧在鉆桿鉆進過程中，密切關(guān)注電子羅盤顯示屏數(shù)據(jù)變化，當(dāng)角度數(shù)據(jù)達到預(yù)警角度時及時調(diào)整。

通過以上操作調(diào)整步驟，鉆機操作手很快就能找到調(diào)節(jié)技巧、熟練操作，造孔速度和精度就會得到顯著提高。

5 效果檢查

白鶴灘水電站左岸地下廠房巖壁梁錨桿通過電子羅盤角度控制技術(shù)，錨桿角度得以動態(tài)檢測與調(diào)整，錨桿方向、傾角均滿足規(guī)范及預(yù)設(shè)目標要求，得到了業(yè)主與監(jiān)理單位的一致好評。巖壁梁錨桿造孔角度效果檢查見表2。

表2 巖壁梁錨桿造孔角度效果檢查

6 結(jié)論

通過電子羅盤技術(shù)的應(yīng)用，巖壁梁錨桿角度在造孔全過程得以動態(tài)控制，錨桿孔位偏差在10mm以內(nèi)，方位角、傾角偏差均控制在1°以內(nèi)，錨桿造孔質(zhì)量控制最大化的滿足了規(guī)范與設(shè)計要求，為巖壁梁均衡承載及后續(xù)鋼筋混凝土施工創(chuàng)造有利條件。

通過該技術(shù)的成功應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)方式采用測量放點、人工手風(fēng)鉆造孔，施工人員作業(yè)環(huán)境差、效率低，且地質(zhì)條件復(fù)雜安全事故頻發(fā)等問題。該技術(shù)也可以在有高精度造孔要求、高風(fēng)險地質(zhì)區(qū)域鉆爆作業(yè)中靈活運用，將大大降低鉆爆循環(huán)時間、有力控制超欠挖、降低安全作業(yè)風(fēng)險。在工程機械設(shè)計上也可將相關(guān)的測量控制檢測手段與自動化控制系統(tǒng)相結(jié)合，使工程施工現(xiàn)場像工廠流水線一樣快速精準施工，真正實現(xiàn)設(shè)計目標的精細控制。