高寒地區(qū)低溫條件下錨噴支護(hù)施工技術(shù)

潘新波，岳 偉

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

黑河黃藏寺水利樞紐工程位于甘肅、青海祁連山腹地，壩址位于黑河峽谷進(jìn)口下游約1 km處，壩址區(qū)河谷狹窄，呈“V”型谷。右岸岸坡坡度一般為45°～60°，岸坡陡峭，坡度一般為60°～80°，兩壩肩地形略顯不對(duì)稱。風(fēng)化層水平埋深45 m～50 m，邊坡左岸高257 m，右岸邊坡高256 m，土方開挖總量約176萬m3。邊坡開挖數(shù)量高達(dá)14級(jí)，每級(jí)邊坡開挖高度20 m～15m不等，邊坡支護(hù)形式采用錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴混凝土和錨索框格梁施工等多種形式組合，錨桿支護(hù)總量約19500多根，噴錨面積約16萬m2。

2 錨噴支護(hù)的思路

2.1 砂漿錨桿工藝原理

受本工程地處高寒地區(qū)(年平均氣溫0.7℃，年最低氣溫-31.1℃)，壩區(qū)低溫時(shí)段長，每年的9月～次年5月為冰凍期，冰凍時(shí)間較長。根據(jù)《水利水電工程噴錨施工技術(shù)規(guī)范》(SL 377-2007)[1]，《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[2]，在嚴(yán)寒地區(qū)或冬季錨噴施工氣溫不得低于±5℃。本項(xiàng)目開挖施工要經(jīng)歷二個(gè)冰凍期，由于邊坡地質(zhì)條件較差、風(fēng)化層厚度較厚，多為強(qiáng)卸荷體和不利組合面，邊坡開挖需采用和支護(hù)同步進(jìn)行的原則，才能保證邊坡開挖的穩(wěn)定[3-5]。為保證施工質(zhì)量和施工工期，確保砂漿錨桿和邊坡噴錨能在低溫條件下(-15℃～0℃)能夠正常施工，并符合設(shè)計(jì)、監(jiān)理驗(yàn)收的需要。采用多種方法進(jìn)行低溫條件下砂漿錨桿和噴錨施工的試驗(yàn)及探索，通過常規(guī)試驗(yàn)外部保溫、溫水拌和等措施，達(dá)不到低溫條件施工的需要，通過試驗(yàn)在水泥漿液中摻加高效防凍劑，從而使注入錨桿孔內(nèi)的砂漿產(chǎn)生正常的水化反應(yīng)，在噴錨邊坡中進(jìn)行噴錨時(shí)首先選擇適宜的溫度施工，在噴射混凝土中加入適宜的防凍劑[6]，最后再對(duì)已完成的噴錨面上及時(shí)進(jìn)行保溫覆蓋來進(jìn)行邊坡錨噴支護(hù)施工，從而達(dá)到正常施工的效果。

2.2 砂漿抗凍性能試驗(yàn)

根據(jù)混凝土防凍劑的特性和工作原理，能有效降低砂漿的冰點(diǎn)，大大提高砂漿在低溫下的抗凍性能，對(duì)水泥砂漿進(jìn)行如下試驗(yàn)[7]。

1)監(jiān)理已批復(fù)的砂漿錨桿配合比，見表1。

表1 M25F200砂漿設(shè)計(jì)配合比

2)根據(jù)現(xiàn)場所采購的防凍劑性能指標(biāo)和試驗(yàn)時(shí)段外界的溫度情況，在注漿砂漿摻加防凍劑的用量，見表2。

表2 防凍劑摻量表

3)現(xiàn)場砂漿試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)間：2017年3月17日下午17：30；室外溫度：白天最高溫度0℃，夜間最低溫度：-5℃；防凍摻量：按照-5℃防凍劑摻量3%。砂漿試拌地點(diǎn)：項(xiàng)目部試驗(yàn)室拌制，試塊制作3組。

4)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)狀況：同條件下現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)。

5)摻加防凍劑后砂漿強(qiáng)度報(bào)告。

2.3 抗凍試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場選取2組砂漿試塊進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，并在7天和28天將試塊送至第三方試驗(yàn)室進(jìn)行試塊強(qiáng)度檢測(cè)，檢查結(jié)果見表3和表4。

表3 7天砂漿抗凍試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告

表4 28天砂漿抗凍試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告

由表3、表4可知，7天實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度24 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的96%。28天實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度28 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的112%?，F(xiàn)場摻加防凍劑用于錨桿注漿的水泥砂漿，經(jīng)過28天同條件下的齡期檢驗(yàn)，砂漿強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)監(jiān)理同意現(xiàn)在進(jìn)行砂漿錨桿及噴錨支護(hù)施工。

3 噴錨支護(hù)施工過程

根據(jù)前期的砂漿防凍性能試驗(yàn)結(jié)果，摻加防凍劑后砂漿強(qiáng)度質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)和施工要求，項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場施工條件在2017年3月下旬開始進(jìn)行低溫條件下邊坡噴錨支護(hù)施工[8-10]。

3.1砂漿錨桿施工

施工中錨桿鉆孔采用液壓鉆機(jī)進(jìn)行錨桿孔和排水孔的造孔任務(wù)，利用鉆機(jī)前置吸塵器將孔內(nèi)巖粉進(jìn)行吸出，錨桿安裝前再用高壓風(fēng)將孔內(nèi)殘留的粉末清除干凈，錨桿孔及排水孔清理驗(yàn)收完畢后進(jìn)行錨桿安裝施工。

錨桿施工前用溫度計(jì)測(cè)量現(xiàn)場及錨桿孔內(nèi)的溫度，現(xiàn)場將拌和砂漿所用的水升溫至35℃～45℃之間，利用現(xiàn)有的使用平臺(tái)將錨桿注漿機(jī)和拌制砂漿的平臺(tái)放置在避風(fēng)棚內(nèi)，注漿管外用橡塑海綿進(jìn)行抱箍，拌制砂漿時(shí)根據(jù)室外溫度和水泥用比例摻假高效防凍，水泥砂漿拌制完成后開啟注漿機(jī)向錨桿孔內(nèi)進(jìn)行水泥砂漿的注入；錨桿孔內(nèi)砂漿注滿后接著進(jìn)行下一個(gè)錨桿孔注入施工，同時(shí)已注滿完成的錨桿孔外采用高一標(biāo)號(hào)的防凍砂漿進(jìn)行封孔，并將外露的錨桿頭用橡塑海綿進(jìn)行抱箍并用鉛絲進(jìn)行固定。

采用的砂漿錨桿為先插錨桿后注漿施工的方式，見圖1。

圖1 錨桿注漿施工工藝圖

施工前先用溫度計(jì)對(duì)現(xiàn)場溫度進(jìn)行測(cè)量，確定好室外溫度后再根據(jù)防凍劑的參數(shù)，高效防凍劑摻量：當(dāng)天室外溫度-2.6℃，確定防凍劑摻量水泥量的3%。

3.2 噴錨施工

要保證噴錨料在低溫條件能夠正常使用，噴錨料中最有效的施工方法就是對(duì)骨料提前進(jìn)行保溫措施，為確保噴錨所需的砂子和小石能夠正常使用，對(duì)骨料進(jìn)行保溫處理，對(duì)封閉的骨料倉采用蒸汽加熱的方式，使得骨料內(nèi)部溫度達(dá)到10℃～15℃，同時(shí)在噴錨槍頭前將所需的噴錨用水加熱到30℃～40℃，并根據(jù)施工時(shí)所測(cè)定的現(xiàn)場溫度摻加相應(yīng)的防凍劑用量。噴錨所用的噴混凝土設(shè)計(jì)配合比見表5。

表5 C25噴錨配合比

防凍劑摻量根據(jù)施工時(shí)的溫度和水泥量為準(zhǔn)，用量參考表2。

邊坡錨桿安裝完成后邊坡進(jìn)行鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè)，為提高現(xiàn)場施工效率確保鋼筋網(wǎng)片之間連接點(diǎn)綁扎質(zhì)量，提前將施工所用的鋼筋網(wǎng)片按照設(shè)計(jì)圖紙加工成4.0 m×4.0 m的鋼筋網(wǎng)片運(yùn)至已開挖坡面進(jìn)行現(xiàn)場安裝，施工工藝簡單掛網(wǎng)效率極快，不受溫度條件的限制。網(wǎng)片安裝完成驗(yàn)收后，現(xiàn)場進(jìn)行噴錨作業(yè)施工，錨噴作業(yè)施工受溫度影響極大，由于低溫天氣的原因噴錨施工選擇在11：00～16：30之間進(jìn)行施工，并要求已噴錨面的覆蓋時(shí)間不晚于17：30。

噴錨施工前先檢查拌制噴錨料的骨料預(yù)熱溫度情況和現(xiàn)場噴錨用水的加熱情況，當(dāng)這兩項(xiàng)指標(biāo)符合后現(xiàn)場準(zhǔn)備進(jìn)行噴錨作業(yè)施工(圖2)。首先將已驗(yàn)收合格的網(wǎng)片坡面用高壓風(fēng)對(duì)巖面進(jìn)行清掃并在鋼筋網(wǎng)片做好噴錨厚度的鋼筋頭厚度檢查點(diǎn)，外界溫度測(cè)定好后，現(xiàn)場再拌制噴錨料時(shí)將速凝劑和防凍劑同時(shí)加入噴錨料中，進(jìn)行噴錨作業(yè)，由于外界溫度降低已完成的噴錨面施工完成后立即采用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋，根據(jù)現(xiàn)場條件一般噴錨面積達(dá)到10 m2～15 m2時(shí)，需對(duì)已完成的噴錨面進(jìn)行永久保溫覆蓋，故在已噴錨面外側(cè)再鋪設(shè)2～3層2.5 cm厚度橡塑海綿進(jìn)行保溫防護(hù)。

圖2 掛網(wǎng)、噴錨施工工藝圖

3.3 噴錨支護(hù)施工質(zhì)量檢測(cè)過程及結(jié)果

受工程區(qū)域施工氣候條件因素的影響，3月下旬至4月下旬大壩邊坡開挖錨噴支護(hù)防凍保溫施工的齡期已達(dá)到，根據(jù)《水利水電工程施工質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)定規(guī)程》需對(duì)現(xiàn)場施工的錨桿及噴混凝土進(jìn)行檢查。

3.3.1 砂漿錨桿拉拔力檢測(cè)

砂漿錨桿長度6 m，錨桿直徑Ф=25 mm，錨固深度5.9 m，外露長度0.1 m，檢測(cè)結(jié)果見表6。砂漿錨桿長度4.5 m，錨桿直徑Ф=25 mm，錨固深度4.4 m，外露長度0.1 m，檢測(cè)結(jié)果見表7，砂漿錨桿長度3.5 m，錨桿直徑Ф=22 mm，錨固深度2.9 m，外露長度0.1 m，檢測(cè)結(jié)果見表8。

表6 砂漿錨桿抗拉強(qiáng)度檢測(cè)表(Ф25，L=6.0m)

表7 砂漿錨桿抗拉強(qiáng)度檢測(cè)表(Ф25，L=4.5 m)

表8 砂漿錨桿抗拉強(qiáng)度檢測(cè)表(Ф22，L=3.0 m)

3.3.2 砂漿試塊強(qiáng)度檢測(cè)

施工中通過對(duì)右岸邊坡EL2740～EL2710砂漿錨桿28天試塊，砂漿防凍試塊強(qiáng)度的檢測(cè)見表9。由表9可知，28天實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度27.1 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的108%。

表9 砂漿試塊抗拉強(qiáng)度檢測(cè)表

3.3.3 噴混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

邊坡噴混凝土施工中摻加防凍劑和采取了表層保溫后28天，同條件狀態(tài)下右岸邊坡EL2740～EL2710，同條件狀態(tài)下，噴錨大板抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，見表10。

表10 噴錨大板抗拉強(qiáng)度檢測(cè)表

28天實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度31.7 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的106%。

4 主要施工技術(shù)總結(jié)

本項(xiàng)目處于高寒高海拔地區(qū)，常規(guī)的錨桿施工在11月底～4月中旬，因受溫度影響而暫停施工，由于在低溫條件項(xiàng)目錨噴支護(hù)采用防凍保溫施工措施，低溫月份施工并未受阻，采用砂漿防凍和錨噴保溫防護(hù)措施后，在氣溫達(dá)到最低-15℃時(shí)，還可進(jìn)行錨桿注漿施工，通過對(duì)表11中溫度變化情況分析，當(dāng)氣溫達(dá)到-15℃時(shí)施工時(shí)段可以延長到2～3個(gè)月，節(jié)省了施工工期。

表11 錨噴支護(hù)受溫度影響支護(hù)施工時(shí)段

通過表12進(jìn)行分析，根據(jù)錨桿鉆孔的孔徑和配合比進(jìn)行測(cè)算，摻加防凍的砂漿錨桿，每米錨桿所增加的原材料成本為0.35元，冬季計(jì)劃施工期錨桿施工總數(shù)達(dá)到4500根，折合27000延米，每延米消耗防凍劑成本0.35元，共計(jì)增加防凍劑材料成本9450元。如冬季不進(jìn)行支護(hù)施工，在來年的4月份以后進(jìn)行支護(hù)，所增加的間接成本達(dá)到每月2.65萬元。

表12 常規(guī)支護(hù)和防凍保溫支護(hù)原材料消耗成本測(cè)算分析

5 結(jié)語

在施工過程中項(xiàng)目部工程技術(shù)人員，根據(jù)工程實(shí)際情況，克服項(xiàng)目施工中存在的難題，通過大量的工程試驗(yàn)，最終在監(jiān)理和業(yè)主方的認(rèn)可下，在低溫條件下進(jìn)行錨噴支護(hù)施工，由于在開挖期間及時(shí)進(jìn)行支護(hù)施工，避免了開挖施工中的塌方等現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)將不利與施工的冬季間歇期轉(zhuǎn)化成了有利施工的有效條件，增加了工程進(jìn)度，并在項(xiàng)目實(shí)施過程中施工進(jìn)展和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)達(dá)到雙贏的效果。