预应力锚索施工质量控制及监测结果浅析

谢长福 李 斌 李云松

(中国水电基础局有限公司 天津 301700)

1 前言

湖北清江水布垭水利枢纽工程是一座以灌溉和供水为主，兼有发电、防洪、环境保护、旅游等综合效益的水利工程。水布垭电站由于大坝较高，且溢洪道出口临近大坝下游，因此，在河床两岸地基中设有钢筋混凝土防淘墙。防淘墙用预应力锚索锚固于两岸山体，在高程178m、186m、196m上各设置一排预应力锚索，随着防淘墙下游端高度的降低，预应力锚索的排数相应减少。本工程采用的预应力锚索有内锚式和对穿式两种形式，本文只介绍内锚式预应力锚索的施工情况。

内锚式预应力锚索在防淘墙内预留的锚索廊道内施工，共139根，其中上倾38根，倾角8°，下倾101根，倾角5～11°(如图1所示)，锚索的长度为45～53m，其中锚固段长度为10m，自由段无粘结，单束设计张拉力2000kN。

图1 内锚式预应力锚索施工布置图

2 锚索的类型和结构

本工程内锚式预应力锚索，为多重保护无粘结预应力锚索，单根锚索结构见图2。

图2 内锚式无粘结锚索结构图

锚索主体由14根直径15.2mm的钢绞线和波纹管、隔离架、对中支架、导向头等附件组成。高强低松弛无粘结型钢绞线采用PE塑料套和涂油双重保护，标准抗拉强度为1860MPa。锚索外套有波纹管，波纹管内外均灌入水泥砂浆充填，外端用环氧砂浆进行封堵;波纹管和水泥浆均有保护钢绞线作用。隔离架位于波纹管内，成对设置，中心距离锚固段为1.0m，自由段为2.0m，起隔离、支撑各根钢绞线和灌浆管、排气管的作用。对中支架装于波纹管内外，位置、间距与成对的隔离架相同，用于在钻孔中锚索对中，使锚索四周间隙基本一致，锚索孔直径为锚固段165mm，自由段185mm。

3 锚索施工

施工程序:测量定位→钻孔→洗孔注水检查→固结灌浆→扫孔→穿索→浇筑锚墩→锚固灌浆→张拉锁定→回填廊道。

3.1 造孔

造孔锚索孔采用潜孔钻机风动冲击回转钻进工艺造孔。根据控制点坐标用钢卷尺确定开孔位置;用地质罗盘仪和倾角仪分别校正方位角和倾角。开孔位置偏差不得大于10cm，孔斜误差不得大于孔深的2%，不允许欠深，超深不得大于20cm。钻孔完毕后，用水和风轮换冲洗钻机，直至出水或回水澄清5min后结束。所有钻孔冲洗结束后均对全孔进行注水检查，然后进行固浆灌结。

3.2 固结灌浆

锚固段的围岩固结灌浆采用孔内卡塞、全孔一次纯压式灌浆法，灌浆压力为0.3MPa，其他要求执行《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148—2001)的规定。固结灌浆结束并待凝一段时间后，对锚索孔进行扫孔处理。安装锚索前，将钻孔孔口堵塞保护。

3.3 编索锚索

采用1860MPa、15.2mm高强度低松弛无粘结钢绞线编制。钢绞线用型材切割机下料，并彻底清洗。沿锚索长度方向安设隔离支架组件，用隔离支架固定钢绞线和注浆管的断面位置;隔离支架2块一组，间距内锚段1m，自由段2m，两对隔离支架间绑扎一道过火铁丝(如图3所示);绑扎前调直各钢绞线，使之保持平行。然后在束体外面套上波纹管，最后在各对隔离支架间处装上对中支架，并绑扎牢固。

图3 锚索体编制示意图

3.4 穿索

穿索锚索采用人工辅以机械方法安放，安放前先检查锚索的制作质量和完好情况，并用高压风清理钻孔内杂物。穿索时应注意弯曲半径，防止损坏波纹管。

3.5 锚孔注浆

锚索安装到位后进行全孔一次性浇筑纯水泥浆。水泥浆水灰比为0.35∶1～0.4∶1，浆液中掺入一定数量的减水早强剂，其掺量为水泥质量的3% ～6%。注浆压力为0.5MPa。设置2根φ20mm PVC管作为进、出浆管。灌浆采用有压循环灌浆法，在排气管上安装压力表;开始灌浆时敞开排气管排出孔内空气、水和稀浆，回浆变浓时逐步关小排气阀控制灌浆压力。当吸浆率小于0.4L/min时，灌注30min后再灌浆30min结束。

3.6 承压垫墩制作

外锚头承压垫墩采用C35混凝土制作，施工前要求将基岩面上的松散岩层、岩面清洗干净。浇筑混凝土前按设计要求安置螺旋钢筋、导向套管、锚垫板、混凝土垫墩钢筋笼，并使其中心线重合。混凝土浇筑时要注意将锚墩下部捣实，防止出现蜂窝麻面。

3.7 张拉

当锚固段水泥结石强度达到35MPa，承压垫座混凝土强度达到80%以上时，方可进行张拉施工。根据锚固荷载，采用千斤顶配合高压电动油泵张拉。张拉采用单根预紧再分级整体张拉的施工工艺。单根钢绞线预紧拉力为30kN，锚索整体超张拉至2250kN后回放至2000kN锁定。整体张拉时按以下拉力分级进行:逐根预紧30kN—1000kN—1500kN—2000kN—2250kN。锚锁定后，采用C35混凝土对外锚头进行封锚保护。

4 施工过程质量控制

依据有关预应力锚索施工的国家规范及行业标准及设计图纸、有关设计技术要求、施工合同文件、监理批复意见等进行质量控制。

4.1 造孔

造孔质量控制的目标是孔位、孔深、孔径和孔斜符合设计及规范要求，并防止发生各种孔内事故，控制重点是钻孔的方向和倾斜角度。控制造孔质量的主要措施如下:

a.确保钻机稳定性，提高开孔精度。搭建牢固的钻机平台，用地锚螺栓稳固钻机，使钻机与平台牢固结合，并能在整个钻进过程中保持不移位。钻进开始时(孔深10m以内)，要适当控制给进压力和回转速度，放慢进尺，确保钻孔各项参数精确度(位置、倾角、方位)务必达到100%。

b.选择合适的钻孔方法，配备性能优良的钻机。采用潜孔钻机风动冲击回转钻进工艺造孔，具有功效高、故障少、成孔质量好、处理事故能力强等优点。

c.组配专用钻具，优化钻进参数。采用较长的粗径钻具和110mm粗径钻杆，在钻杆上每隔6m加装一个扶正器，以增加钻具的刚度和导向性能。钻进过程中要依据孔内地层情况，选择适宜的钻进参数，尽量采用较小的钻压。

d.加强检测，及时纠偏。每钻进5～10m测量一次孔斜，发现问题采用合理的方法及时处理。特殊情况(如遇断层、破碎带等)还要加密测量。

e.要穿过断裂破碎带和软弱岩层时，采用跟管钻进方法。遇塌孔、掉钻等故障时，先对钻孔进行灌浆处理，而后继续钻进。

4.2 锚索制作

锚索制作质量控制的目标是锚索的结构和尺寸满足设计要求，误差在规范许可的范围之内。施工中应重点控制下料长度、束体上各种元件(隔离架、对中支架、封堵器等)的安放位置、预应力钢绞线的洁净情况和束体中的平顺情况、绑扎牢固状况。控制锚索制作质量的主要措施如下:

a.钢绞线、张拉设备及锚具等均应有出厂合格证，钢绞线进场后应首先抽样进行力学性能检验。

b.对钢绞线不采用热切割，不对其焊接;每根钢绞线下料长度按以下公式确定:L=锚索孔深+锚垫板厚+锚墩厚+工具锚厚+工作锚厚+千斤顶长度+20cm，误差控制在1cm以内。

c.清除钢绞线上油脂时，用专用工具将钢绞线松开后，先用汽油逐根清洗，再用棉纱擦净。

d.在平整的加工平台上进行编束，编束场地有防雨、防潮、防污染措施。

e.编束完成后对束体的结构和尺寸逐段进行检查并作记录，发现问题及时处理。

f.束体随加工随用。已制备好的束体尽早使用，避免长期存放。

g.锚索编制完成后要编号，分类存放在专用场地并加以保护。

4.3 穿索

束体编制完成均需经过质检、监理人员共同验证无误后方能进行穿索工作，核对内容主要包括:钢绞线的规格、数量、束体长度、各元件绑扎位置、牢固程度、束体防护状况、各种管路通畅完好情况等。

穿索前须扫孔并将孔壁清洗干净，运输时锚索卷曲半径以不改变锚索的编束结构为限。

穿索质量控制的目标是下设到位和防止损坏。锚索入孔时速度应均匀，不得过多地来回抽动锚索体，防止损坏锚索体和使锚索体整体扭转。锚索曲率半径不得小于3m(大于5m为宜)，以免损坏波纹管。穿索中不得损坏锚索结构，否则应予更换。锚索安装好后，及时对外露索体进行保护。

4.4 承压垫墩制作

承压垫墩制作质量控制的目标是外锚头的几何尺寸、结构和强度满足设计要求，从而使锚索注浆、张拉等后续工作能够顺利进行，并为锚索的锁定和正常运行创造条件。承压垫墩制作质量的控制点主要有:接触面清理质量;承压钢垫板、孔口管、螺旋钢筋等组件的加工质量;承压钢垫板与钢筋的焊接质量，承压板与锚孔轴线的垂直精度:偏差应不得大于0.5°;导向套管与锚孔的同心度:偏差不得大于1mm;混凝土的配合比:配料误差不得大于2%;立模质量:钢模板要求根据锚墩几何尺寸专门定做，安装尺寸误差不得大于±10mm;混凝土的浇筑质量:防止因漏振出现蜂窝麻面。

4.5 锚孔注浆

锚孔注浆应一次连续完成，水泥浆性能应满足设计要求，结石强度应不低于35MPa，其主要质量控制点为:水泥浆的原材料和配合比;注浆、排气管路及密封装置安装质量;制浆设备及方法;注浆设备及方法;浆液密度;注浆压力。

4.6 锚索张拉

锚索张拉质量的控制目标是张拉荷载及锁定荷载满足设计要求;主要质量控制点有:张拉机具的制造、安装质量;预紧拉力:误差不超过1%;加载速率每分钟不超过0.1倍设计张拉力，卸载速率每分钟不超过0.2倍设计张拉力;锚索的实际伸长值应在理论伸长值的110%～95%之间;张拉中夹片错牙不应大于2mm;锁定后夹片回缩量不大于5mm。

4.7 外锚头防护

外锚头防护的质控目标是外露锚具和锚索端头的封闭保护符合设计要求，有效防止腐蚀性物质与锚索组件接触，创造锚索长期、安全、正常运行的环境条件。质量控制要点主要有:外锚具、外露钢绞线及钢垫板表面水泥浆及锈蚀的清理质量;外漏钢绞线及锚具涂刷环氧树脂质量;一、二期混凝土结合面凿毛质量;二期混凝土浇筑质量。

5 质量检查及运行监测

锚索施工过程中对内锚段水泥浆、锚墩混凝土和锚索张拉进行了抽样检验，抽样数量为锚束根数的5%。预应力锚索施工完毕后，监理工程师组织业主、质量监督站、设计和施工单位进行了联合验收检验，检测结果表明锚索施工质量满足《水工预应力锚固施工规范》和预设要求。

预应力锚索运行检测主要是通过锚索测力计来实现的。通过大量的观测结果表明:预应力最大损失率为10.1%，在15%以内，满足要求;预应力衰减率为3.9%，相应损失荷载为80kN，锚索锚固力下降微弱，渐趋稳定。锚固力没有出现波动及聚变现象，说明该处山体是稳定的。

目前，防淘墙内多点位移计、钢筋计和锚索测力计的检测成果，以及地表巡视均未发现异常情况，可以认为预应力锚固支护等措施，使防淘墙变形得到了有效控制，防淘墙和马崖高边坡山体在整体上是稳定的。

6 结语

水布垭水利枢纽工程面板堆石坝坝高233m，溢洪道出口临近大坝，为了防止高水头泄洪对大坝下游两岸高边坡的不利影响，采用了大深度、大厚度钢筋混凝土防淘墙加预应力锚索的支护方案，实践证明，防淘墙和预应力锚索设计合理，施工质量和运行效果良好。★