防冲抗爆恒阻大变形锚杆在锦屏二级水电站引水隧洞岩爆段施工中的应用

李 元,张 鹏,张东明,王 媛

(1.二滩水电开发有限责任公司,四川成都 610051;2.成都大学城乡建筑学院,四川成都 610106)

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川凉山州境内,其主要由拦河闸、引水系统、地下厂房三大部分组成,为一低闸、长隧洞、高水头、大容量引水式地下电站,也是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站,电站装机容量4 800 MW.电站引水隧洞共4条,平均长度16.67 km,隧洞沿线覆盖层一般埋深1 500～2 000 m,最大埋深约为2 525 m,具有埋深大、洞线长、洞径大的特点.其中1#、3#引水隧洞采用直径12.4 m的全断面TBM掘进机施工,2#、4#引水隧洞采用常规钻爆法施工,直径13 m.如何克服施工过程中的强岩爆(III级)和极强岩爆(IV级)是整个引水隧洞施工的核心问题,电站工程的关键技术难题均集中于此[1-6].

2 防冲抗爆恒阻大变形锚杆应用试验

2.1 试验目的

为克服引水隧洞施工过程中的强岩爆及极强岩爆,我们通过国内外广泛咨询及现场摸索实践,拟采用防冲抗爆恒阻大变形锚杆进行新材料新工艺试验,为岩爆防治和隧道安全支护提供试验数据.

2.2 试验范围及参数

2.2.1 试验范围.

根据设计院提供的地质资料,我们选定在1#引水隧洞11+865～11+750,2#引水隧洞10+378～10+353、10+350～10+334岩爆活动较为强烈的洞段利用防冲抗爆恒阻大变形锚杆进行防岩爆施工试验.

2.2.2 锚杆材料及性能参数.

锚杆类型:恒阻大变形锚杆(HZ-Bolt-600-06型)具体结构如图1所示.

图1 恒阻大变形锚杆结构图

锚杆参数:杆体直径22 mm,恒阻装置直径33 mm,长度为3.0/6.0 m;极限变形量为50/60 cm,恒阻值为130 K N;数量,1#洞300根,2#洞300根;锚杆钢垫板规格为200×200×8 mm(长×宽×厚),采用Q235钢材或强度更高的钢材.

注浆用砂浆标号:1#引水隧洞采用树脂锚固剂(跨越2000型),2#引水隧洞采用M25砂浆.

施工间、排距:1.0×1.0 m,孔径43 mm.

安装部位:顶部120°范围,TBM掘进机撑靴以上部位及局部拱架处(见图2).

3 试验数据分析

3.1 锚杆施工工艺

防冲抗爆恒阻大变形锚杆施工工艺流程如图3所示.

图2 锚杆安装部位示意图

图3 锚杆施工工艺流程图

3.2 数据采集

试验注浆结束7 d后,采用穿心式液压千斤顶附加工装进行拉拔试验,现场记录油表读数及锚杆拉伸值的原始数据.伸缩试验检测如图4所示.

图4 采用穿心式液压千斤顶附加工装进行拉拔试验图

3.3 恒阻值试验数据的统计分析

通过在1#、2#引水隧洞各做了6根拉拔力试验:当拉力计从0 MPa加压到28 MPa时锚杆伸长量从0增加到20 mm;继续进行加压,锚杆伸长量在20 mm～450 mm范围时油表读数在28 MPa到32 MPa之间变化;锚杆伸长量从450 mm～500 mm时油表读数开始下降,锚杆伸长量到500 mm时油表读数是13～16 MPa(见表1).

表1 锚杆伸长量及拉拔力数据

3.4 恒阻值和锚杆伸长量变化

本次拉拔试验对2#引水隧洞10+378～10+ 353 m、10+350～10+334 m两段可伸缩防岩爆锚杆拉拔两根,第一根拉拔延伸量为300 mm,第二根由于工装出现故障,拉拔延伸量为150 mm,恒阻力数据符合标定数据(上包络线130±1 kN).第一根可伸缩防岩爆锚杆拉拨力数据如图5所示.

图5 第一根可伸缩防岩爆锚杆拉拔力曲线

3.5 性能指标检测

性能指标主要检验恒阻大变形锚杆的抗冲击能力及拉伸性能.对此,我们利用恒阻大变形锚杆(索)冲击实验系统对恒阻大变形锚杆进行冲击拉伸试验,测试大变形锚杆的单次冲击变形量、累计冲击变形量及冲击变形量与冲击能量的关系,测试结果如图6所示.

从图6可以看出,在冲击重锤一定时,单次冲击变形量取决于能量大小(冲击的高度),在冲击高度为固定值时,锚杆受冲击拉出的长度变化不大,其中冲击高度为1 000 mm时,拉出范围基本在70～85 mm之间,平均值为77 mm,恒阻值为129.9 kN.累计冲击能量(E)与累计冲击变形量(U)基本呈线性关系,dU/dE=C≈0.0072 mm/J,即每1焦耳的冲击能量能够冲击拉出约0.0072 mm,此表明锚杆恒阻装置的均衡性较强.

图6 恒阻锚杆冲击实验曲线

4 结 论

通过对试验检测数据进行系统分析,可以得出如下结论:

(1)现场配备的设备及人员完全能够进行防冲抗爆恒阻大变形锚杆的施工,且施工工艺可靠.

(2)防冲抗爆恒阻大变形锚杆由于钻孔孔径较大,而该锚杆设计钻孔孔径在施工现场不可操作,故建议将该锚杆前部细锚杆(直径22 mm)更换为粗锚杆(直径28 mm).

(3)该锚杆试验洞段为随机选取,在防冲抗爆恒阻大变形锚杆施作之后,虽无岩爆情况发生,但该锚杆防止岩爆的功能还需进一步观察.

(4)该锚杆在施作工序与涨壳式中空预应力锚杆基本一样,在施工工序时间上比预应力锚杆时间长,这与施工人员的熟练程度有关.

(5)通过现场试验,锚杆可伸长500 mm,如发生岩爆可起到缓冲作用.

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[3]张黎明,王在泉,贺俊征,等.卸荷条件下岩爆机理的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(增1):4769-4773.

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[5]朱焕春,朱永生.锦屏二级水电站辅助洞岩爆与控制研究和实践成果报告[R].上海:华东勘测设计研究院,2007.

[6]侯靖,周春宏,李军.锦屏二级水电站引水隧洞施工岩爆防治方案与措施专题报告[R].杭州:中国水电顾问集团, 2010.