三峡永久船闸锚固工程中的几项技术创新

摘要：永久船闸主体段直立边坡锚固工程量大，结构复杂，技术难题多，工期短，质量要求高，施工条件差；施工中，较好地处理了锚固与开挖的关系，突出解决了锚束造孔、验孔、穿束、高排架搭设及安全管理问题。

关键词：三峡永久船闸；高边坡锚固工程；施工技术

1 工程概述

三峡工程永久船闸主体段长1607m，均在山体开挖中修建，形成最大边坡高176m，最高直立墙68.5m。双线船闸间保留宽60m，高45～68m的直立岩石中隔墩，直立闸墙边坡结构为1.5～2.4m的混凝土薄衬砌墙，墙体通过系统结构锚杆与岩体连接。

永久船闸主体段岩石以前震旦纪闪云斜长花岗岩为主，其间分布少量的片岩捕虏体、花岗岩脉、伟晶岩脉、辉绿岩脉和石英岩脉。岩性虽然很好，但是由于受断层裂隙切割和高直立坡岩体开挖后的应力回弹、岩体扩容等因素的影响，对边坡稳定构成很大隐患。为改善开挖后山体岩石应力调整状态，确保高边坡施工期岩体稳定和运行期的结构稳定，设计采用了预应力锚束和系统结构锚杆加固的措施。

永久船闸开挖与锚固典型断面图

原设计和动态设计预应力锚束4367束，系统高强锚杆9.28万根，系统普通锚杆7000余根。

2 工程特点和难题

永久船闸主体段直立坡锚固工程量大，线长面广，结构复杂，工序干扰大，技术难题多，是三峡工程关键性施工技术难题之一。

2.1 工程特点

(1)高质量：永久船闸是长江通航的控制性工程其边坡稳定又是关键。因此必须高质量施工锚固工程。

(2)高强度：锚束平均施工强度为140束/月，高峰期达200束/月；高强锚杆施工强度为8000根/月，高峰期达10000根/月。

(3)高难度：锚束、锚杆结构复杂，技术含量高，高空作业，施工难度大，环境条件差，又无类比工程施工经验，全靠集体智慧结合实际研究解决。

(4)高排架：由于锚束施工的程序是在闸槽第一梯段开挖完后，再进行锚束造孔和随机支护，第二梯段开挖完后进行锚束安装；高强锚杆的结构有外露段，闸室槽开挖未完成之前，不宜安装；因此高排架施工是必然的。

(5)高水平：在狭窄的闸槽内，既要进行开挖施工，又要进行锚固施工；既要有科学的严密的施工组织设计，又要有高素质的组织协调，才能保证施工正常有序。

2.2 工程难题

(1)锚固与开挖的互相干扰和制约问题。由于锚固工程施工必须紧跟深槽开挖同步进行，因此存在着互相干扰和施工进度互相制约的问题。这是锚固工程能否按计划实施的关键性难题。

(2)水平锚束孔的造孔问题。由于闸墙结构复杂，锚束孔稍有偏移就会影响到墙后排水孔幕、浮式系船柱和闸墙混凝土结构分缝，所以，锚束孔造孔精度要求高，除少量斜孔外，大部为水平孔。要求端头锚孔斜率≤2%，对穿锚孔斜率≤1%；终孔孔径1000kN级为φ115mm，3000kN级为φ165mm。如此高精度的造孔要求，在国内尚属首例，国家行业标准对孔斜率要求≤3%。因此，要高质量完成好预应力锚束工程施工，必须首先解决造孔的技术难关。

(3)高直立坡穿束问题。闸室宽37m，直立墙高45～68.5m，锚束长度18～66m；在没有交通道路的条件下，完成高直立墙的穿束，尤其是中隔墩的穿束问题，也是锚束工程施工中的又一大技术难题。

(4)高排架的搭设及安全使用问题。永久船闸锚固工程施工中的高排架的搭设及安全使用，既是技术问题，又是管理问题。因此，高排架的搭设及安全使用也是锚固工程施工中的一大难题。

(5)高强锚杆施工的技术难题。高强锚杆既具有锚固岩体。又具有稳定结构混凝土的双重作用。锚杆设有自由段，自山段的防腐处理和寿命问题，同样是锚固工程施工中的一大难题。

2 开挖与锚固工程施工的关系及措施

3.1 施工关系

二期锚固工程量大，线长面广，结构复杂，技术含量高，周期长，互相干扰的因素多，环境条件差。由于深槽开挖与高边坡锚固的特殊性，对开挖与锚固工程的施工，也提出了特殊的要求。锚固工程施工必须紧跟深槽梯段开挖同步进行，技术要求规定，上一梯段的锚固支护工程未完成的部位，不得进行下—梯段的开挖。因此，要在狭窄的深槽内组织好开挖与锚固工程施工，排除相互干扰和相互制约的影响，必须严格按照施工秩序施工，并根据现场实际，协调开挖与锚固工作面，其施工程序关系为：

协调原则为：①先开挖，后锚固，开挖为锚固创造条件。②自上而下，先支护后锚束，再高强锚杆。③先闸首，后闸室，保重点，促一般。④锚固工程已经注浆，但强度达不到70%时，该部位20m内不准进行爆破作业。

3.2 技术措施

(1)提前造孔，缩短锚束施工周期。二期布设系统对穿锚1229束，其中中墩有283束，南北坡有946束。南北坡的对穿锚分别与山体排水洞对穿，我们采取提前进入排水洞进行锚束造孔的措施，避开锚束施工高峰期，缩短锚束的施工周期，减少了锚固与开挖施工的干扰。

(2)优化配合比，缩短施工工期。砂浆和水泥浆的强度要求是R28350#，混凝土垫墩的强度是R7350#或R28350#。为了缩短工期分别优化配合比，砂浆和水泥浆优化为R7350#，混凝土垫墩配合比优化为R3350#和R7350#，但是冬季不准用R3350#的配合比。由于优化配合比，缩短工期4～21天，同时又开挖创造了条件和争取了时间。

(3)悬空排架，减少干扰。在锚束工程施工中，施工周期较长。虽然采取以上措施大大缩短了工期，但是，在正常情况下，也要1520天/束。南北两侧边坡的对穿锚可以在排水洞内提前造孔，但是端头锚和中隔墩的对穿锚必须在深槽内搭设排架施工。只要在闸槽内进行锚束施工，就占压工作面2个多月，尤其是中隔墩，由于双线开挖进度不能完全协调一致，占压时间就更长。因此，局部采取悬空排架措施，进行锚束后续工序的施工。这个措施虽然造成排架加固投入加大，施工安全管理难度加大，但是从全局上看是有利的，减少施工干扰和缩短工期。

4 预应力锚束施工中的几个关键技术问题

4.1 水平孔造孔技术

永久船闸对穿锚束施工条件特殊、精度要求高，工程量大，强度高，是控制锚束工程施工进度的关键工序。因此，解决好水平孔钻孔的技术问题，是确保工程施工质量和进度的关键。为了解决好这个问题，针对本工程高直立墙，高排架和小隧洞(洞宽3m)的特点，我们采取了如下措施：

4.1.1 钻机的研制和改造

钻机是解决造孔问题的关键手段。整个工程施工主要使用DKM-1型钻机。

水平孔设计参数与DKM-1型钻机主要技术参数对照表

钻孔设计参数	参数值	DKN-1型钻机主要技术参数	参数值
孔深(m)	15～66	钻进深度(m)	100终
孔径深(mm)	φ115～165	孔钻直径(mm)	φ59～φ180
钻孔角度	0°～170°	钻孔倾角	±15°
孔斜率(端头/对齐)		钻机质量(kg)	960
		外形尺寸(mm)	2750×1250×1200

4.1.2 钻孔质量控制

(1)排架加固：在搭设好的施工排架的基础上，对钻孔孔位5m范围内的施工平台进一步加固，保证钻孔过程排架不变形，不摆动。

(2)钻机定位：用测量仪器测放孔位后，在开孔前，利用2mm/m精度的水平尺及钻具置于水平，使钻具轴线与钻孔轴线在铅垂面内重合，将钻机固定。

(3)开孔：开孔时，使钻头接触岩面不回转或采用人工轻微回转，待钻头将岩画凿出凹形坑时。再使冲击器正常回转工作。进尺20～30cm时，重新校核钻具轴线与钻孔轴线在铅垂面内是否重合。

(4)钻进参数：钻压：确定钻压的原则是加压使冲压器正常工作、冲击器频率不再增高时为止。一般钻压采用6～10kN，随孔深增加而加大。

转速：DHD-340A和DHD-360型冲击器是高风压冲击器，应尽量减少管路风压损失，保证较高风压，有利于提高钻进效率及保证钻孔质量。风压力0.8～1.1MPa；转速为30～50r/min；风量为15m3/min左右。

钻杆：钻杆对φ115mm孔径应不小于φ91mm、对φ165mm的孔径应小于φ108mm。

4.2 水平孔验孔技术

4.2.1 验孔方法

所谓验孔就是对锚孔的测斜验收，是锚束施工中的工序验收。对于水平孔孔斜的测孔，目前尚未有这种仪器和手段，为了解决水平孔验孔问题，我们在总结经验的基础上，用土方法和测量仪器相结合进行。

(1)端头锚 将手电筒反向安装放置孔底，利用经纬仪测出灯炮的方位角和倾角，从而计算小钻孔的孔斜率。当灯泡偏离出视线时，则采用多点照像测仪测斜。

(2)对穿锚：利用经纬仪测出开孔及终孔孔位座标及高程，从而计算出孔斜率。

4.2.2 孔斜率计算公式：

K=(ΔL/L)×100%

K--孔斜率

ΔL——钻孔偏移量(m)

ΔX——钻孔水平偏移量(m)

ΔH--一钻孔竖向偏移量(m)

4.3 高直立墙穿束问题

永久船闸闸槽开挖后，形成宽37m的南北两个深槽，锚束布置在高45～68.5m双线双向直立墙上，在开挖施工未结束之前，沟通南坡-中隔墩-北坡的交通桥未建，竖直运输门机设备尚未安装，闸槽内锚束施工与开挖施工又相互矛盾，对锚束的运输安装提出了一大难题。为此采取在南北坡(或中隔墩)顶面设一支墩和斜拉桩，缆索连接到中墩支墩或锚束孔口附近锚杆固定。运输锚束体时，按间距3m在缆索上布置带钩的滑轮，滑轮之间用一根粗麻绳连在一起，中间预留足够左右移动的长度；一端用麻绳控制速度，另一端牵引，匀速把束体送至需要穿束的位置。对穿锚的穿束，在利用运送束体的缆索的同时，还在孔的另一端安装小卷扬机配合牵引，完成穿束工序。端头锚的穿束，利用运送束体的缆索，配以人工推完成穿索工序。由于采用缆索的施工方法，不但节省了人力、物力，而且避免了锚束体在运输过程中的扭曲变形，解决了闸槽内施工矛盾问题，提高了功效。

4.4 高排架的搭设及安全使用问题

永久船闸系统锚束施工，施工组织设计安排滞后开挖1～2梯段施工，动态设计的锚束，在闸槽开挖成型后，根据地质编录资料而布置，锚束孔位高度最高达60m。要在如此高的排架上利用回旋冲击钻(钻机自重近1t，一套钻杆近1.5t)进行锚束造孔安装并保证施工安全，确实是非常复杂的问题，因此，高排架的搭设必须严格按设计图纸施工，并满足以下要求：①排架的自身安全与稳定。②施工排架要求能抗冲击、不摇摆。③能满足承重要求。④使用的钢管和扣件，必须满足质量要求。

高排架使用前，必须经过施工单位自检合格，报指挥部安全处验收合格发使用征，并挂牌明确现场责任人管理使用。

5 高强锚杆的施工工艺

5.1 自由段防腐保护

高强杆结构锚杆，由内锚段，自由段和外锚段等三部分组成。杆体材料为V级32mm精轧螺纹钢筋。自由段长度有0.5m，1.0m和1.5m等三种形式，均安装在岩体与结构混凝土接触面处，起到适应变形、提高抗剪能力和稳定结构作用。

工艺流程

喷砂除锈→热喷锌→封闭涂料→橡胶套管→验收

(1)喷砂除锈：喷砂除锈前，先清除杆体表面油污浮锈，后再进行喷砂除锈。喷砂除锈后杆体表面清洁度应达到GB8923-88中的Sa21/2级，表面粗糙度为40～80μm。

(2)喷锌：喷锌工艺采用先进的热喷涂方法——电弧喷涂。电弧喷涂采用XDP--5型电弧喷涂机，主要选用φ3mm的锌丝。喷涂层厚度为200μm。

(3)封闭涂料：封闭涂料采用BW9306为底漆，BW9355为面漆，封闭涂料层厚200μm。

(4)安装橡胶套管：漆膜完全固化后，安装橡胶套管。橡胶套管是根据设计要求参数，经专门配方并生产性试验合格后，指定专门厂家生产。安装时，按设计自由段长度切割橡胶套管，按要求准确安装后在两端用高压绝缘胶带绑扎牢固。

(5)验收：是指对锚杆自由段防腐处理工艺过程验收。

5.2 锚固段中设托架

锚固段中安装托架，主要是保证锚固段中杆体的砂浆保护层厚度，提高杆体的耐久性。托架的材料，采用10～12mm钢筋下料加工成型后夹在杆体上。托架的布置，距孔底和自由段0.5m处各设一个，中间段每距2.0m设一个。

5.3 封孔灌浆工艺的改善

为了确保高强锚杆封孔灌浆质量，在高强锚杆内锚段增设进回浆管，孔口进行封堵。灌浆时，回浆管回浓浆后并浆10min，同时抬高回浆管高于孔口1m以上的位置绑扎好后，结束灌浆。

6 问题和建议

6.1 有粘结预应力锚索的耐久性问题

由于永久船闸直立边坡(墙)，不同于一般工程的边坡，既要保征施工期稳定又要保证运行期间的稳定。本工程运行后闸室水位变幅频繁，结构受力复杂，对钢绞线的耐久性显得更加重要和突出，因此对如下问题应该引起注意：

(1)有粘结预应力锚索张拉段钢绞线的保护偏于单薄，只采取水泥浆结石保护与建筑物的永久性和重要性有一定的差距。

(2)受水位变幅频繁作用的影响，高应力状况下的锚束应力变化频繁，既造成钢铰线的疲劳，又可能产生局部保护水泥结石拉裂，造成有毒物质侵蚀影响局部钢铰线的寿命。

(3)由于船闸工况特殊，高直立墙，最底一排锚束长期处于水中，要采取补救措施相当困难，且影响也相当大。

6.2 关于二期进浆管堵塞问题

在施工过程中，由于多种原因造成少量锚束二期进浆管堵塞；为了保证二期进浆管堵塞后封孔灌浆质量，现场采用排气管、备用管和加钻排气孔等措施进行处理。

在锚索工程施工灌浆方法上：原设计是孔底进浆，回浆管回浓浆后，并浆结束。采取补救措施后的灌浆方法为孔口内循环灌浆，实际吸浆量大于或等于理论吸浆量；灌浆时压力提高至0.7MPa；回浆比重大于或等于进浆比重；回浆管回浓浆后，孔内不明显吸浆，并浆30min结束。

一种意见认为这种灌浆方法和控制措施保证了封孔灌浆的密实度；也有一种意见认为很难保证封孔灌浆密实度。

6.3 建议

(1)3000kN级的预应力锚索，钻孔终孔孔径应不小于176mm。

(2)对于水平端头锚索的二期进浆管最好从锚具中间引出，避免堵塞。

(3)对永久性工程的预应力锚索，应有提高防腐意识，采取2～3道防护措施。有关专家认为永久性工程应推广使用无粘结锚束，这个问题值得加以研究。

(4)水平孔钻孔难度太大，且不利于封孔灌浆。建议改为斜孔，既有利于钻孔，又利于保证封孔灌浆质量。

[作者简介]

作者简介：陈孝英，男，武警水电三峡工程指挥部，高级工程师。