涨壳式中空张拉锚杆在施工中的应用

□张 冰(郑州水文水资源勘测局)

一、引言

在隧洞施工支护,喷锚支护作为一种可以充分利用围岩自承能力、变荷载体为承载机构的支护方式得到广泛使用。做为其中重要一环的锚杆，其种类相当繁多，有砂浆锚杆、树脂锚杆、水胀式锚杆等。本文在此介绍一种已在工程中广泛运用的锚杆形式——中空涨壳张拉锚杆的应用。

二、中空涨壳张拉锚杆的作用结构及特点

涨壳式中空预应力锚杆是一种粗钢筋类先锚后注浆中空式锚杆，兼具永久支护和临时支护功能于一身，适用于地下洞室，高边坡等。

涨壳式中空预应力锚杆的构造是由钢制涨壳锚头、中空注浆锚杆体、垫板、螺母、注浆管、止浆塞组成。

中空杆体：为全螺纹中空锚杆体，具有注浆和排气的功能。

涨壳锚头：用高强度钢材制成，通过内榫把涨壳夹片涨开成锚杆预应力内部承载体，是机械点锚式锚固体系。

垫板、螺母：预应力外部锁定固件和传递荷载构件，垫板上带有灌浆孔。

灌浆管和排气管：塑料管一端深入钻孔内，另一端留在孔外。根据锚杆安装方式（向上安装或向下安装）与中空锚杆注浆机配合使用。

三、中空涨壳张拉锚杆的运用

（一）中空涨壳张拉锚杆的施工

造孔：用多臂钻岩台车和履带式液压钻机造孔，请保证造孔精度不扁曲，影响锚杆的安装。对Ф25的锚杆，钻头使用Ф42～46mm，可以根据涨壳锚头的大小来调整造孔的大小。

造孔结束后用将安装好的涨壳锚头锚杆插入孔中，一端安上安装工具，厂家提供的钎尾，并接到钻机上，开动钻机，通过其冲击和转动使涨壳锚头在孔内充分涨开。

卸去钻机和钎尾，安装垫板、螺母及注浆管。预应力按照规定荷载锁定。预应力的方法有2种：用扭力扳手锁定或用双活塞空心柱千斤顶锁定荷载。

注浆：预应力完成后应及时注浆，注浆的质量是保障锚杆耐久性的关键。

注浆的材料：采用纯水泥浆，水灰比W/C=（0.35∶0.45）∶1，可以根据实际情况调整，但是绝对不能是用水泥砂浆。

注浆设备：使用注浆压力为1～1.5MPa的螺杆泵型注浆机，彭水电站使用的为杭州图强公司生产的DML30型锚杆专用注浆机。该注浆泵能用极浓液（W/C=0.35∶1），以提高灌浆机与孔壁之间的饱和度，减少水泥浆的收缩率。

涨壳中空预应力锚杆特定的向上注浆和向下注浆功能提高了锚杆的可靠性。当锚杆朝上安装时，即如地下洞室的顶拱部位，注浆液从注浆管进浆，浆体逐渐充溢钻孔并向上流动。注浆体从涨壳锚头尾端进浆，此时中空锚杆体的空腔成为排气通道。当锚杆向下安装时，中空锚杆体为进浆道，塑料管为排气通道，浆体从涨壳锚头底部出浆，并逐渐充溢钻孔道。浆体从塑料管流出，并保持约30s的压力停止注浆。

（二）预应力方式

扭力扳手进行锚杆预应力和双活塞空心柱千斤顶进行预应力。

采用扭力扳手进行锚杆预应力时，用扳手扭紧六角螺母，使锚杆体预应力。采用千斤顶时，需要张拉锚杆并用扳手扭紧螺母锁定，用千斤顶张拉锚杆适用范围大，张拉力准确，但是较繁琐。

（三）中空涨壳张拉锚杆扭矩与预应力的关系

对于系统岩石锚杆，一般预应力＜150kN时，以扭力扳手进行张拉简单方便实用。Ф25普通中空锚杆体的扭力扳手扭矩G与锚杆预紧力P的关系，根据此图可确定锚杆预紧力P与所需要的扭力扳手扭矩G的大小值，举例说明如下：设计预应力的扭矩值为60kN锚杆，即预应力为60kN，差表格P=60kN时，G=580Nm，将扳手测定调节至所需要刻度值。

使用步骤：

1.扭力工具：使用图强公司的TG1000型刻度扭力扳手及TG-M25型螺母式套筒。改扳手最大扭矩为1000Nm，安装扳手臂及配套套筒。

2.按上述确定的扭矩G=580Nm，将扳手测定调节至所需刻度值。用扳手及螺母适配套筒在锚杆六角螺母上就位。用力扭紧螺母，当扭矩达到G=580Nm值时，扳手会发出哒哒的声音，指示扭矩达到制定值。即表达预紧力已经达到预计值，张拉预应力完毕。但是要注意的是在用扭力扳手施加力的时候，扭紧前，锚杆和螺母咬合部位应涂上黄油，以利螺母扭紧时力的有效传递。

图1为SФ25中空锚杆体扭力和预应力的关系图，适用于EX25系列涨壳式预应力中空锚杆。

图1 SФ25中空锚杆体扭力和预应力的关系图

图2为SΦ32中空锚杆体扭力和预应力的关系图，适用于EX32系列涨壳式预应力中空锚杆。

图2 Ф32中空锚杆体扭力和预应力的关系图

四、施工实例与作用体现

彭水电站地下厂房边墙岩体分布有陡倾角薄层岩和条带灰岩，需要快速进修封闭支护，由于中空锚杆的有些工序很复杂，费时费工，我们在工作中对其工序进行了改进，提高了施工效率，保证了厂房的顺利开挖。

图3 预应力锚杆施工工艺流程图

（一）钻孔

锚杆钻孔采用锚杆台车、三臂凿岩台车、重型手风钻或电动钻机等钻孔。钻孔角度根据洞室的结构形式和锚杆所处的部位可分为：900、450、00、<00等几种方向。当锚杆轴线与岩石层面夹角过小时，钻孔角度须根据监理工程师指示局部调整。根据规范要求，结合钻孔设备的实际技术参数，钻孔孔径选用Φ55～80mm。

施钻时钻头要对准岩壁上锚杆孔孔位标识下钻，最大偏差≤50mm，开孔应用小功率缓慢钻进，钻进约50cm后，校正钻孔方向，全功率钻进。为了准确地控制钻孔的角度，在施钻时要由当班技术员用地质罗盘配合操作手一起控制钻杆的方向，使钻孔角度偏差控制在3%以内。钻孔深度可根据钻杆的长度控制：当孔深与钻杆的长度成几何倍数时，由钻杆的根数控制孔深，当不成几何倍数时，则在钻杆上标好长度记号以控制钻孔深度，要求钻孔深度不小于杆体有效长度，并不大于锚杆体有效长度的50mm。

（二）洗孔和孔口处理

该工作区锚杆孔全部钻完后，用压力水枪对所有钻孔依次进行冲洗。工作面较大时，可一边钻孔一边洗孔。当孔内不再有浊水流出时，结束冲洗，然后用压力风枪将孔内积水吹出孔外，为确保垫板与锚杆垂直，使预应力沿锚杆轴线方向施加，对孔口范围内局部参差不平应用水泥砂浆抹平。为使砂浆较快达到强度，可在砂浆中加一些相应的外加剂，如早强剂等，孔口砂浆还可以有止浆的作用。

（三）钻孔检查与验收

钻孔清洗完毕，进行孔位编号，并对各孔的实际孔径、孔深、孔位、孔向和孔洁净度进行班组自检，填好自检记录表。自检合格后报队级质检员复检（二检），复检合格后报联营体质量部终检（三检），合格后报请监理工程师验收，监理工程师验收合格后用干净的水泥纸或其他物品将孔口盖好。

（四）安插杆体、涨壳张开与顶紧

人工安装，将第一根锚杆与涨壳锚头相连，第二根锚杆通过连接套与第一根锚杆相连。涨壳张开及顶紧，将特制的钎尾与锚杆尾部相连，采用YT28手风钻通过冲击与旋转，使绑扎涨壳的铅丝断开，涨开涨壳，当锚杆不再旋转时，涨壳与孔壁紧密的榫合在一起，即可施加预应力。

（五）预应力施加

取下钎尾，将钢垫板套在外露锚杆上，与孔口抹平的砂浆紧贴并在锚杆上安装止浆带，扭紧垫板上的六角螺母，将专门加工的套筒与六角螺母相连，扭力扳手与套管相连。将扭力扳手的刻度调整在预定的预应力值上，2～3个人共同施加预应力，当施工加值较高时，可采用加力杆，当扭力扳手的指针到达预设置的值时，说明预应力已经达到了设计值。

（六）注浆

锚杆的张拉锁定应快速注浆，注浆设备采用中空锚杆专用注浆泵DML30型，压力为1～1.5MPa，推荐使用水灰比（0.35～0.45）∶1，施工中可以根据实际情况作出调整，彭水电站厂房经过试验采用M30纯水泥浆可以满足设计要求。水平孔注浆自中空锚杆注进，孔内空气自垫板上的小孔排出，当浆液满时会自中空孔中溢出，保持30s后即可停止，垂直孔采用灌浆管从垫板上的小孔灌浆和水平的相反，自排气孔注入，中空锚杆中孔排气。

表1M30纯水泥浆配合比表

（七）监测与维护

锚杆张拉锁定后，应安排人员适时观测，每6t应检查记录一次应力锚杆周边岩石的变化，若48t内应力损失大，锚杆垫板松动，应及时补充张拉。

（八）文明施工

在施工完毕后，施工现场应确保现场文明施工，保证施工安全和质量。

五、结论

一是施工中一定要保证合理的水灰比，若为了方便注浆加大水灰比，则会是粘结材料收缩太大影响锚杆注浆的饱满度，同时材料的收缩影响到锚杆预应力的强度。如果小了，就会出现堵塞注浆管路，浆体实现不了向周边岩缝隙扩散的效果。

二是注浆设备和注浆时的止浆，注浆设备要保证为中空锚杆专用注浆泵（DML30型，压力为1～1.5MPa），目前中空锚杆止浆大多数为橡胶锥形塞，通过预应力的挤压压在孔口上，但是由于地形的不同有时止浆塞和孔壁密封不紧和注浆压力大时都会出现漏浆，可以内装止浆带来辅助来达到注浆效果。

三是锚杆和岩石承受面的垂直度，必须保证钢垫板的安装正确，钢垫板是中空涨壳预应力锚杆的关键，在施工中是通过拧紧螺母由垫板给锚杆施加预应力，这样可以有效的防止围岩的松动变形，同时通过钢垫板把锚固力扩散到周边围岩。

四是保证造孔的质量，使用不合适的钻头或操作不规范，会造成孔道孔径不准，孔道不直，直接影响到锚杆的安装和施加预应力。

五是预应力的施加，应严格按照扭矩G与预应力P相对应值进行预应力。