大洞徑導流洞出口高邊坡錨索錨固質(zhì)量優(yōu)化控制研究

張金龍

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

錨索技術(shù)主要由英國、澳大利亞等發(fā)達國家率先用于巷道防護工程，對于支撐較差的圍巖條件，具有很好的效果[1]。通常通過提高支護強度和剛度，來達到拉力鎖住鎖死效果，在山體斷層帶、破碎帶以及各類水工構(gòu)筑物通道口兩側(cè)（如水電站導流洞）邊坡支護方面開始大規(guī)模應用[2]。中國自20世紀60年代引進該項技術(shù)以來，已經(jīng)在港航、邊坡治理、建筑基坑支護、隧洞開挖支護等工程領(lǐng)域廣泛應用[3]。錨索與錨桿的共同使用，也為在更大規(guī)模工程實體上采用該技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，該文將從質(zhì)量控制方面對錨索在大洞徑導流洞高邊坡施工中的應用進行分析。

1 預應力錨索錨固及優(yōu)化措施

1.1 出口高邊坡巖體破裂機制

旭龍水電站采用兩條高低分布的導流洞進行江水導流，導流洞出口邊坡開挖底板高程2131m，開口線頂部最高高程約為2270m，最大坡高約139m，開挖坡比1∶0.3，由現(xiàn)場探明導流洞出口高邊坡共分布12個小型危巖體。為更好地控制錨索錨固質(zhì)量，需要結(jié)合工程地質(zhì)分析導流洞出口高邊坡的巖體破裂機制。通過該破裂規(guī)律，應用該規(guī)律減小對錨索施工時對巖體產(chǎn)生的擾動[4]。由上述分析已經(jīng)知道，旭龍水電站導流洞出口高邊坡分布有12類小型危巖體，危巖體由于其穩(wěn)定性較差，主要以碎石、塊石為主構(gòu)成整體巖面結(jié)構(gòu)，其破裂性質(zhì)較為活躍，當出現(xiàn)較大含水量時，容易降低整體巖體相互嵌擠作用發(fā)生破裂，滑移風險較大[5]。

此外，對高邊坡大量發(fā)育的弱卸荷巖體，由于風化嚴重，其力學性能極低，處于極易破裂狀態(tài)，當向巖體內(nèi)施加錨索錨桿時，滑動風險顯著提升[6]。在巖體內(nèi)部不斷運動過程中，逐漸會形成變形的蠕滑效應[7]，即緩慢的積蓄動能，在瞬間突然爆發(fā)的結(jié)構(gòu)崩塌或破裂的巖體運動行為。通過對出口高邊坡的該特性進行分析。得到巖體可能產(chǎn)生的破裂機制，主要是緩慢形成蠕滑效應，對于錨索施工最為核心的關(guān)鍵技術(shù)點就是對錨索鉆孔時最大限度的減輕對巖體的擾動，避免出現(xiàn)蠕滑效應。

高邊坡的破裂圍巖應力分布主要有塑性、彈性和破裂3個部分，對于錨索錨固，將直接與圍巖密貼接觸，其擾動所產(chǎn)生的應力服從破裂應力分布形態(tài)，因此根據(jù)Hoek-Brow準則，可以得到高陡邊坡的圍巖破裂應力的力學模型如公式（1）所示。

式中：mc、sc為巖石的強度參數(shù)；σs為巖石抗壓強度；σθ為圍巖破裂應力；σr為巖石基本應力。

另一個指標是確定破裂區(qū)半徑，用Rc表示。利用彈性應力在破裂形態(tài)下具有塑性屈服狀態(tài)，整個圍巖彈性應力與塑性應力趨于一致。如公式（2）所示。

公式（2）說明了高陡邊坡圍巖在破裂區(qū)范圍內(nèi)的應變值的影響關(guān)系，εr為破裂形態(tài)下彈性應變；而εθ為破裂形態(tài)下的塑性應變。二者范圍通過破裂區(qū)半徑影響下的屈服達成統(tǒng)一，G、μ、λ分別為剪變模量、泊松比以及塑性應變參數(shù)。在破裂狀態(tài)下，也即錨索在進入邊坡巖體后發(fā)生擾動，產(chǎn)生蠕滑效應后，λ取0。公式（2）轉(zhuǎn)化為彈性范圍應力應變關(guān)系方程。而α為錨索進入巖體后的擾動半徑，定義P0為在該錨索打入后完全不受擾動的圍巖應力交界點應力。從理論上考慮，高邊坡發(fā)育的大量弱卸荷巖體容易出現(xiàn)彈塑性的形變，公式（2）能夠解釋并分析該形變，而實際工程施工中，圍巖形變并不會真的發(fā)生塑性變形。也即塑性應變參數(shù)λ通常為0，從而出現(xiàn)εr=εθ。因此，無須考慮塑性和破裂兩個階段的應力狀態(tài)。

1.2 內(nèi)外雙錨錨索錨固技術(shù)

在考慮巖石上進行高邊坡的錨索施工質(zhì)量并確保錨固不會擾動巖體產(chǎn)生蠕滑效應，現(xiàn)場施工過程中創(chuàng)新出一種打入巖體后，內(nèi)外雙錨的錨索錨固技術(shù)。這種雙錨錨索結(jié)構(gòu)一共分為3個部分：分別是孔內(nèi)錨固段、中間自由段和孔口外錨固段，中間自由段通過安裝套管的方式進行與巖體隔絕，形成所謂自由活動的部分。

在該錨索錨固技術(shù)中，當外部錨固段失效，其可以產(chǎn)生反向錨固作用，使得整體錨索處于自鎖狀態(tài)，從而最大限度的保證巖體整體穩(wěn)定不受擾動。內(nèi)外雙錨錨索結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)外雙錨錨索結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

雙錨錨索開始施工后，需要對錨索各工序環(huán)節(jié)進行質(zhì)量控制。先對成孔及注漿進行控制[8]。利用成孔檢測儀器對鉆孔進行成孔檢測孔徑、孔深、傾斜度、方位角偏差。得到測試結(jié)果見表1。

表1 錨孔成孔檢測統(tǒng)計表

通過以上15個孔道的檢查記錄，表明錨孔成孔質(zhì)量較為良好，各項檢測合格率均在90%以上，成孔質(zhì)量良好，不會對巖體造成擾動破壞。

通過內(nèi)外雙錨的錨固技術(shù)，整個高邊坡的錨索支護變成一個會經(jīng)歷二次受力的有機結(jié)構(gòu)體，其錨固質(zhì)量由該結(jié)構(gòu)體的受力特征決定，通過模型的假設得到如圖2、圖3所示的2個階段的受力模型。對該項目部進行有關(guān)現(xiàn)場試驗。

圖2 錨索受力第一階段模型

圖3 錨索受力第二階段模型

測試錨索的拉應力以及對圍巖的影響程度，如圖4 所示。從圖4可以看出：當錨索錨固張拉來到設計值500kN時，注漿體內(nèi)部應變規(guī)律與普通拉力型錨索相同，最大壓應變位于內(nèi)錨固段靠近孔口處，約450με，且壓應變從內(nèi)錨頭靠近孔口處向深部5m范圍內(nèi)快速衰減；此外，在卸載階段，按照100kN一個級別，共經(jīng)歷3個階段：卸載到400kN→卸載到300kN→卸載到200kN。3個階段中，最后階段卸載至200kN產(chǎn)生的應變最大，峰值達到1000～1100με，錨索所在位置主要在距離錨頭2m左右，該處更多的產(chǎn)生應變是由于高邊坡所釋放的拉應力值相對最大，錨索距離越長，整體的應力值衰減越多，從而表征的應變趨于減弱，當達到距離錨索錨固段6m左右時，將達到整體平衡，應變趨向于0。

圖4 錨索受力過程應變分布

通過這兩個階段的受力，錨索將與高邊坡的巖體完整拉在一起，不會發(fā)生相對錯位；只要預應力張拉能夠保證張拉值達到并保持住基本允許值，不會發(fā)生預應力損失，則整個內(nèi)外雙錨錨索錨固就不會發(fā)生質(zhì)量問題，在錨固錨頭向內(nèi)深入2m是整個錨索拉住高邊坡巖體的主要應變區(qū)域，綜上所述，蠕滑效應有且僅有在此段區(qū)域發(fā)生。

為進一步判斷在錨索實施預應力張拉時可能存在的質(zhì)量問題（例如預應力損失），對錨索的安裝，預應力鋼束的張拉長度等進行對比，選取現(xiàn)場高邊坡區(qū)域中的6束內(nèi)外雙錨錨索進行對比試驗可以得到常規(guī)錨索安裝與內(nèi)外雙錨的錨索施工2種預應力鋼束張拉工況對比參數(shù)表見表2。

表2 錨索安裝對比參數(shù)表

表2試驗結(jié)果表明：常規(guī)方式錨索存在位移伸長量不穩(wěn)定，伸長量偏差大，位移收斂時間較長的情況；同時會由于錨固施工對巖體造成擾動，會觸發(fā)前述內(nèi)容所說蠕滑效應。綜合反映問題如下，對于錨索質(zhì)量控制，通過內(nèi)外雙錨錨索錨固技術(shù)效果將好于常規(guī)安裝定位的方式。

2 錨索錨固優(yōu)化措施

在采用了內(nèi)外雙錨的施工技術(shù)后，其安裝勢必也會帶來一些質(zhì)量問題，因此嚴控錨索安裝質(zhì)量，在錨索錨固段增設“錨索反向定位固定環(huán)”是該文提出的主要技術(shù)思路。由于錨索安裝位置處于錨孔正中，反向定位固定環(huán)不會出現(xiàn)明顯位置偏差，且定位穩(wěn)固。該文總結(jié)了以下2種質(zhì)量控制方法：1）現(xiàn)場配合比設置不出現(xiàn)偏差，M40水泥砂漿嚴格按照設計配比拌制，配制合格率須達到100%，強度檢測合格，現(xiàn)場漿液配制質(zhì)量才會提升。2）錨索安裝前對鉆孔重新進行通孔檢查，對塌孔、掉塊清理干凈或處理，不得欠深，對孔內(nèi)沉渣用高壓風吹干凈。然后在該基礎(chǔ)上增設錨索反向錨固叉，在錨索波紋管外側(cè)沿軸線方向每間隔3m套設一個反向定位固定環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 錨索反向定位固定環(huán)

通過以上亮點優(yōu)化技術(shù)，對高邊坡現(xiàn)場1#-7#不同長度內(nèi)外雙錨索錨固張拉伸長量數(shù)據(jù)進行跟蹤記錄，得出統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)場內(nèi)外雙錨控制優(yōu)化后錨索張拉伸長量統(tǒng)計

由表3可以得出：各孔位錨索張拉均能達到設計張拉控制力，且過程中均未出現(xiàn)異常情況。按照相關(guān)規(guī)范要求，錨索實測伸長量與設計值偏差應控制在-5%～10%內(nèi)，通過改良優(yōu)化后，各孔位錨索張拉實際位移伸長量與設計位移伸長量偏差被控制在±5%內(nèi)，錨索錨固質(zhì)量得到大范圍提升；整體導流洞出口高邊坡的施工質(zhì)量達到可控范圍。

3 結(jié)論

該文以大洞徑導流洞出口高邊坡支護問題為切入點，研究了在脆弱巖體上施工錨索并錨固到位的質(zhì)量保證措施。主要有如下3點結(jié)論。1）錨索錨固需要結(jié)合高邊坡巖體整體工程地質(zhì)性態(tài)進行分析，對于極易產(chǎn)生巖體破裂的高邊坡施工預應力錨索，需要特別考慮蠕滑效應的影響，該效應對于錨索施工以及整個邊坡支護的安全穩(wěn)定與質(zhì)量控制將產(chǎn)生較大影響。2）研究采用了內(nèi)外雙錨施工技術(shù)，對其受力階段進行分析，得出了在施工高邊坡條件下，內(nèi)外雙錨施工能夠更好地控制錨索錨固質(zhì)量，并提出了2次注入砂漿的方式進行錨固段灌漿壓實。3）采用設置反向定位固定環(huán)將有效提升內(nèi)外雙錨錨索錨固的施工質(zhì)量，對于巖體較易受擾動的高邊坡尤其適用。對于錨索錨固伸長量需要進行有效控制，超出允許值范圍的錨固都將對邊坡整體穩(wěn)定帶來質(zhì)量隱患。