强岩爆隧洞机械涨壳式预应力中空锚杆支护技术

赵应文

(中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东 深圳518083)

1 概 述

1.1 涨壳式中空预应力锚杆简介

涨壳式中空预应力锚杆由涨壳锚头、杆体、垫板和螺帽组成。除此之外，若锚杆长度较长时还可有链接套进行连接。目前，经常使用的涨壳式预应力锚杆构成基本类似，无非是涨壳锚头不尽相同，但作用基本相同。本文选用锦屏二级水电站引水隧洞使用的某生产厂家生产的EX 型涨壳式预应力锚杆为例进行研究，如图1。

图1 EX 型涨壳式预应力中空锚杆组成实物示意图

1.2 锦屏二级水电站引水隧洞概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁3 县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上的重要梯级电站。锦屏二级水电站利用雅砻江下游河段150 km长大河弯的天然落差，通过长约16.67 km的引水隧洞，截弯取直，获得水头约310 m。电站总装机容量4 800 MW，单机容量600 MW。工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房3 大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。

锦屏二级水电站引水系统采用4 洞8 机布置形式，从进水口至上游调压室的平均洞线长度约为16.67 km，中心距60 m，洞主轴线方位角为N58°W。引水隧洞立面为缓坡布置，底坡3.65‰，由进口底板高程1 618.00 m降至高程1 564.70 m与上游调压室相接。引水隧洞洞群沿线上覆岩体一般埋深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。引水隧洞沿线以大理岩为主，从东至西主要岩性为:T2y6 灰黑色中薄层状细晶大理岩、T2y5 黑色中细晶后层大理岩、T2y4 灰黑·灰白色云母条带状细晶大理岩、T2y6 灰黑色中薄层状细晶大理岩、T2y6 灰黑色中薄层状细晶大理岩、T2b 中厚层状灰黑色大理岩夹薄层大理岩、T2b 中厚层状灰白色中粗晶大理岩、T2b 灰白色厚层花斑状粗晶大理岩等。区内断层、裂隙发育，其中6 km ～10 km为埋深最大，且以T2b 围岩为主的地带，岩爆频繁，采用钻爆法分上、下断面台阶法开挖，锚喷支护。

在6 ～10 km强岩爆段，上断面采用Φ32，L =6.0m 涨壳式中空预应力锚杆，杆体延伸率≥16%，间排距1m×1m，M30 水泥砂浆注浆。锚杆距离开挖掌子面≤15 m。

2 涨壳式中空锚杆支护原理

涨壳式预应力锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定，阻止层面的互相错动。施工时，锚杆应按与岩层层面垂直的方向设置。钻爆法开挖后，原有应力场遭到破坏，围岩在临空面作用下进行应力重分布，由于隧洞埋深大，围岩应力较高，重分布带来的围岩应变相应变大，在达到岩石应变极限情况下，可能发生岩爆;在围岩软弱地带则可能形成坍塌、掉块等挤压破坏［1］。根据“新奥法”经典理论，围岩本身具有“自承”能力，若采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种自承能力，即可以使得经济效果达到最佳。因此，在开挖后在围岩由于应力重分布引起松弛前进行及时的预应力作为支护抗力，则可大大减小围岩的松弛位移，减轻了围岩的坍塌变形;同时，较大的延伸率又不会使锚杆产生断裂，而是与围岩的收敛同步变形。锚杆注浆将中空杆体及围岩黏结成为整体，密室的浆液结实体使锚杆、围岩的应力传递更为紧密，基本达到同步传递的效果。

3 施工工艺

3.1 施工条件

引水隧洞涨壳式中空预应力锚杆施工条件包括:必要的风、水、电，以及钻孔机械、注浆机械、拌浆机械、预应力施加设备等。施工环境条件包括足够的照明条件、通风条件、经防护的安全施工场地等。

3.2 施工机械

施工机具主要有钻孔设备，注浆设备和加力设备。锚杆施工采用机械钻孔、机械注浆，扭力扳手加力。锚杆钻孔采用机械钻孔，阿特拉斯三臂凿岩台车钻孔，孔径Φ76 mm。锚杆注浆采用砂浆注浆泵，注浆压力0.3 MPa。锚杆加力采用扭力扳手人工加力80 kN。

3.3 施工工艺

1)锚杆钻孔。锚杆钻孔孔径较大，需要Φ76 mm孔径，必须采用扭矩较大的机械钻孔，实践中采用Atlas 生产的三臂台车施工，钻孔效率较高，但占用空间大，动力要求高。钻孔后采用高压风水冲洗孔内沉渣，对塌孔洞段进行二次或多次扫孔。

2)锚杆安装。先将涨壳锚固件(锚头)拼装好后安装在锚杆端头，再用铁线将锚头绑扎牢固，但不宜太过结实，防止锚头无法正常张开锚固。将安装好锚头的锚杆插入锚孔，安装好排气管、锚垫板及止浆塞，然后用螺帽固定锚杆及垫板，至人力无法扭动为止。

3)锚杆加力。加力前对扭力扳手进行率定，率定合格后才能对锚杆加力。用扭力扳手对螺帽进行旋钮至率定书上规定的加力标准时，达到80 kN预应力。

4)锚杆注浆。加力完毕后采用低压水泥砂浆泵注浆机进行注浆。注浆前先用高压风冲洗孔内确保杆体畅通。将经过试验配制的M30 水泥砂浆利用砂浆注浆机通过杆体注入孔内，注浆至0.3 MPa压力为止。

4 效果评价

效果评价如下:①涨壳式中空预应力锚杆及时支护对围岩的的松弛变形是有效的;②涨壳式中空预应力锚杆施工简单、方便，对施工条件要求宽松;③可以实现快速施工，比同类预应力锚杆施工更为方便。

5 改进及发展方向

5.1 工艺的不足之处

有待改进之处主要有:①锚杆安装后，通过钻机旋转摩擦使束缚其锚头的铁丝断裂而使锚头涨开有一定的失败率，失败后锚头一般无法取出，同时该锚杆也可能失效无法加力。操作上也耗时耗力，不够先进;②扭力扳手人工加力虽然解决了精确加力的目的，但加力效率低，拱顶登高部位施工占用空间大。

5.2 发展及改进

根据工程实践，建议在以后的发展中，涨壳式中空预应力锚杆应该注意如下方面的改进:①耐腐蚀杆体材料的开发，使锚杆适用范围进一步拓宽;②锚头的固定方式应该进行必要的优化，使工艺上更为科学、可靠;③开发更为有效的加力设备、张拉设备，如动力便携式加力设备;④支护后发生岩爆劈裂破坏后如何利用已支护的锚杆进行加固?应进一步研究。

［1］冯夏庭，张传庆，陈炳瑞，等. 岩爆孕育过程的动态调控［J］. 岩石力学与工程学报，2012，31(10):1983 －1997.