北苏丹罗赛雷斯大坝加高工程超大预应力锚索施工

李 焱

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



北苏丹罗赛雷斯大坝加高工程超大预应力锚索施工

李 焱

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

北苏丹罗赛雷斯大坝加高工程，采用1000t级超大预应力锚索，支撑弧门、闸门强大的静水和动水压力。本文介绍了该超大吨位锚索设计和全过程施工技术措施，成功地解决了现场施工难题，高质量、高效率地完成了施工任务。

1000t级 超大 预应力 孔道钻设 孔斜控制 高压清洗 穿束 张拉压浆 技术应用

1 概述

北苏丹罗赛雷斯大坝加高工程系水力发电站和附属工程，位于青尼尔省罗赛雷斯镇尼罗河干流的青尼罗河上。原电站大坝于60年代建成，坝高66m，装机7台共28万kW，主要功能是灌溉兼发电。加高工程是在原大坝基础上加高10m，坝轴线长度从15km增加到24.6km。

超大吨位预应力锚索分布在8个混凝土支墩上，共28束，处于溢流坝段腹板延伸梁的新老混凝土内，用以支撑弧形闸门强大的静水和动水压力。锚索由55根1860MPa级高强度低松弛无粘结钢铰线编束而成，设计锁定荷载10439kN，永存荷载9581kN。

设计要求锚索施加应力从固定荷载开始，分5次加荷，每次施加荷载都近似相等，最终达到9581kN(最小断裂荷载的67%(锁定荷载))。各级张拉力为:2488kN→4261kN→6035kN→7808kN→9581kN。为了避免夹片收缩、固定和摩擦等造成的应力损失，需要对锚束继续增加荷载，分2次对锚索施加荷载9581kN→10010kN→10439kN。每次施加荷载都近似相等，第一次施加应力后，稳定荷载5min，达到10439kN(最小断裂荷载的73%(标准荷载))时，稳定荷载10min，测量最终伸长值，经工程师认可后，锁定锚束，均匀卸荷。

2 超大吨位预应力锚索施工技术

2.1 主要材料

工程选用的主要材料如下：

钢铰线：采用1860MPa级高强度低松弛无粘结钢铰线，直径15.24mm，钢绞线外面包裹油脂和PE套管，强度为1860MPa,单根钢绞线最小破断应力为260kN；

锚具：采用为55根钢绞线8500kN大吨位锚索定制的专门锚具，锚垫板为900mm×900mm×120mmφ325mm方形锚垫板；

套管：锚索自由段和锚固段均采用高密度聚乙烯波纹管，波纹管内径10in，外径11.6in，对锚索自由段的张拉不影响，并能有效地传递荷载；

水泥：锚固段、自由段灌浆，均采用G-HSR级油井水泥；

灌浆管：采用与对中支架相配套的聚乙烯管，耐压强度1.5MPa，聚乙烯管接头焊接，采用DSH-03型塑料焊接机；

水泥浆液的制作，采用SD120高速胶质搅拌机；

千斤顶和电动油泵：单根钢铰线张拉选用YDC240QX-200型千斤顶，张拉油泵采用ZB4-500S型；整体钢铰线张拉采用YCW1200A千斤顶，配套ZB10/320-4/800型电动油泵。

2.2 施工流程

超大吨位锚索主要施工流程与普通锚索施工相同。

2.3 锚索施工关键参数

本工程锚索孔道孔径为325mm，上部平台孔深为25m，角度为5.7°，下部平台孔深为32m，角度为25.1°。

锚固段、自由段均使用G级油井水泥，浆液配比1∶0.36，同一个闸墩，先对下层锚索灌浆，再对上层锚索灌浆。灌浆施工时，对锚束的内部和外环进浆管同时进行灌注，灌浆初始压力为0.2MPa，逐渐加大压力，结束灌浆压力为0.4MPa，内部浆面与外环浆液面的高差不超过3m。

锚索张拉施工条件：锚固段浆液已达到32MPa的强度，前部垫块混凝土达到设计强度，并且都达到了至少14d的龄期。

3 超大吨位预应力锚索的特殊施工技术

3.1 锚索孔道成孔和角度的控制技术

锚索孔道原设计在混凝土内预埋波纹管成孔，后更改为在混凝土内钻设锚索孔道，锚索钻孔直径为325mm，钻孔孔深分别为25m和32m，孔深施工误差不大于0.2m；钻孔方位偏差要求≤1°；钻孔倾角误差分别为5.7°±0.8°，25.1°±0.7°；孔底位置中心线与理论值偏差在0.35m以内。

针对锚索施工的高精度要求技术攻关小组制定出一套专项技术方案，重点内容如下。

3.1.1 根据工作平台空间和钻孔设计要求，选择稳定性好，精度高、以电动机提供动力的、功率足够的XY-1000型钻机。钻机垫在枕木上，并用4根地锚螺栓(φ20mm)将钻机牢牢地固定于钻孔平台。钻孔进程中经常检查钻机紧固件的紧固程度及施工平台排架扣件的稳定性，如发现松弛，随时进行紧固。

3.1.2 钻机就位后开钻前必须使用水平尺、罗盘及吊线锤校测，并在开钻前用测量仪器对孔位、方位精准校核，未经校核不得进行钻孔施工；钻具安装时要保证钻具轴线与设计孔轴线重合，钻头中心与孔位点重合。开孔钻进采用轻压慢转钻进，在开孔钻进与浅孔阶段钻进中，立轴钻杆不能太长，选择为4m，以减轻钻杆挠曲，避免钻杆伸出钻机顶部过长，摆动性过大，致使立轴转动不稳而产生孔斜。

3.1.3 采用大口径金刚石钻头钻进，一径到底，较小的钻具间隙，有利于控制钻孔偏斜。使用符合规格的加工精度高、刚度好的各种钻孔器具，并随时检查，及时更换有弯曲的钻具或磨损较严重的钻杆，钻进中，勤检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题及时纠正处理。

3.1.4 钻孔较深后，注意调整钻进参数，防止钻具在压力过大下产生挠度。随着孔深逐渐加深，将钻杆按一定间隔均匀装上钻杆扶正器，以其四面的弧形滑靴板依托孔壁扶正钻杆柱，使其转动时不晃动，使钻具回转平稳，以降低由于钻杆挠曲摆动而产生的孔斜。

3.1.5 每钻进1个回次后，严格检查钻头胎体磨损破坏情况，使用游标卡尺准确量测钻头最大外径及扶正钻杆最大外径，如果发现磨损严重或已破坏，则必须更换；并检查钻杆、钻具连接处的磨损及破损情况，不符合要求及时更换。

3.1.6 每钻进3m～5m，采用全站仪测量钻孔方位角和倾角，比较测量成果与设计数值，实时掌握钻进轨迹和分析孔斜变化情况。如果发现实际数值超标，则需对施工工艺及机具设备等进行检查，采取有效的纠偏措施处理。

技术小组研究和发明了“孔内定位测量仪”应用技术，成功地解决了钻孔倾角和方位角测量的难题。

3.2 钢绞线高压蒸汽清洗技术

根据设计要求，锚固段钢绞线长度为15m，需要对锚固段的钢铰线进行单根清洁，以除去油脂、油或者其它杂质。

清洗钢绞线，首先人工剥开锚固段的聚乙烯外皮，回开钢绞线，让钢绞线垂悬在施工台架边缘，采用高温高压清洗机(型号是TWENTY200)清洗；完全清洗干净后，用棉纱抹干表面积水，再用密封剂和胶带牢牢缠裹自由段底部钢绞线和外皮之间的接缝，有效封堵管道末端，阻止油脂溢出以及浆液、水汽进入管道。

钢绞线在高压、蒸汽、清洁剂的同时作用下进行清洗，能够快速去除油脂、浮锈等杂物，清洗效果显著，而且高温水在雾化作用下，不会形成大量废水，能够达到环保要求。

高温高压清洗机的主要性能参数：工作压力30bar～200bar，出水温度30℃～140℃，出水量450L/h～900L/h。使用清洗机不仅清洗速度快、效果好，而且还极大地降低了工人的劳动强度。

3.3 孔道灌浆施工技术

由于岩芯钻机钻成的孔壁十分光滑，为了加大钢绞线与混凝土的附着力，根据需要研制了孔壁刷毛器对孔壁进行刷毛处理。孔壁刷毛器利用现场废旧岩芯管和钢丝绳焊接而成，利用钻机动力将孔壁刷毛器在孔道中反复旋转，充分刷毛孔壁的混凝土面。

预应力锚索灌浆采用G级油井水泥，水灰比0.36，不掺加外加剂，使用SD120高速胶质搅拌机现场制浆，并采用高压灌浆泵进行锚索灌浆施工。

同一个闸墩，先对下层锚索灌浆，再对上层锚索灌浆，灌浆施工时对锚束的内部和外环进浆管同时灌注。灌浆初始压力为0.2MPa，逐渐加大压力，结束灌浆压力为0.4MPa，内部浆面与外环浆液面的高差不超过3m。在灌浆的过程中，随时测读波纹管内管和外管的进浆量，根据进浆量的体积与压水试验时测记的体积进行比较，配合进浆阀门控制浆液面基本保持同步上升。

当波纹管内部和外环被浆液充填满后，浆液分别通过回浆管流出，出口处用回收桶接收，观察返浆浓度，继续灌浆直到置换出所有低浓度的浆液。当返浆浓度与进浆基本一致时，先关闭回浆阀门，达到设计灌浆压力屏浆2min，再关闭进浆阀门，最后停止灌浆泵，灌浆完成后止浆阀保持闭浆时间不少于4h。

3.4 锚索张拉控制技术

预应力锚索的张拉作业施工程序：机具率定→分级理论值计算→外锚头混凝土强度检查→张拉机具安装→预紧→分级张拉→锁定。

首先采用单根张拉方式预紧，使用YDC240QX-200型千斤顶，对锚束每一单根钢绞线施加715kN(最小断裂荷载5%)的初始荷载。预紧顺序是先张拉锚具中心部位钢铰线，然后对称张拉锚具周边部位钢铰线。

锚束整体张拉：从固定荷载开始，分5次对锚束施加荷载，每次施加荷载都近似相等，最终达到9581kN(最小断裂荷载的67%(锁定荷载))，各级张拉力为：2488kN→4261kN→6035kN→7808kN→9581kN，加荷、卸荷速率应平稳，升荷速率每分钟不超过设计预应力值的0.1，每次增加荷载时，稳定荷载5min，在每个稳定荷载间隔时间内，测量伸长值。

为了避免夹片收缩，固定和摩擦等造成的应力损失，需要对锚束继续增加荷载，分2次对锚索施加荷载9581kN→10010kN→10439kN，每次施加荷载都近似相等。第一次施加应力后，稳定荷载5min，达到10439kN(最小断裂荷载的73%(标准荷载))时，稳定荷载10min，测量最终伸长值，经工程师认可后，锁定锚束，均匀卸荷，卸荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.2。

卸荷以后，通过安装在锚束上的测压计测量锚束的实际荷载，如果实际荷载≥9295kN(最小断裂荷载的65%)，则千斤顶可以移除，如果实际荷载<9009KN(最小断裂荷载的63%)，则需要使用千斤顶按照上一步骤，重新逐级加载到10439kN，稳定荷载10min测量伸长值，锁定后均匀卸荷，再次测量实际荷载，如果荷载值仍然<9009kN，结合伸长值分析，由工程师做出评估，决定锚束的处理意见。

锚束张拉完成48h后，再次测定锚束的荷载，如果衰减的荷载不大于286kN(最小断裂荷载的2%)，则该锚束张拉认定为合格；如果锚索荷载衰减大于286kN，需要使用千斤顶重新加载到9581kN锁定，并确保荷载不低于9009kN。

锚束张拉完成4个月内，监测锚束的荷载数据，监测结果如果在设计允许范围之外时，该锚束需进行补偿张拉。补偿张拉采用YDC240QX-200型千斤顶单根张拉，对锚束每一单根钢绞线按照预紧时的顺序，分三个循环逐级施加荷载到174.2kN(9581kN/55根),即：0kN→87.1kN→130.65kN→174.2kN，锁定后，再次测量压力计读数，锚束整体荷载应不小于9009kN。

4 小结

4.1 锚索孔道采用地质钻机钻设成孔，在施工中研究和发明了“孔内定位测量仪”、“全站仪监测”和采用了“孔内扶正器”等整套施工技术，有效地解决了锚索孔道钻进中的大口径、孔斜和角度控制等难题，确保了孔道高精度、高质量成孔。

4.2 高温高压清洗机的成功使用，能够让钢绞线在高压、蒸汽、清洁剂的同时作用下进行清洗，快速去除油脂、浮锈等杂物，不仅清洗效果显著、满足环境保护的要求，而且还极大地降低了工人的劳动强度。

4.3 在工程施工中摸索和总结出了超大吨位预应力锚索的全套施工方法、施工机具、施工程序和施工技术，成功地解决了现场施工难题，高质量、高效率、安全地全面完成了施工任务。

〔1〕《地下空间》，确定预应力锚索设计参数的优化方法.2001，4.

〔2〕《水文地质工程地质》，预应力锚索在滑坡治理中的设计与施工.2004，(14)1.

〔3〕《西北水电》，复合型预应力锚索发展情况简介.2004，4.

〔4〕《岩土力学》，预应力锚索的预应力损失机理研究.2006，27(8).

〔4〕《建筑施工》，深大基坑中的预应力锚索施工技术.2013，8.

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