浅析450kN预应力锚杆在支护工程中的应用

胡红敏

（中国水利水电第十四工程局有限公司，昆明650041）

1 引言

在地下工程开挖过程中支护效果的好坏直接影响着施工安全，尤其在各洞室交叉的薄弱区域选择合适的支护方式尤为重要。450kN预应力锚杆作为当前新颖的支护方式，较普通125kN预应力锚杆具有独特的施工工艺和支护效果，能有效维持薄弱区域的围岩稳定，同时施工工艺较小吨位（600kN）锚索相对简单，能有效加快施工进度，且工程造价亦低于小吨位锚索，因此，对于450kN预应力锚杆在支护工程中的应用具有重要的研究意义。

2 工程概况及地质条件

黄登水电站位于云南省怒江州，其引水发电系统中的尾水调压室为地下带连通上室圆筒阻抗式，由2个圆筒式调压井组成，开挖直径为32.4～36.0m、衬砌后断面尺寸为φ30m，高80.5m，中心距为70m，尾调室间在1491.20m高程设连通上室，断面为城门洞型，开挖断面尺寸为13.9m×16.9m（宽×高）。

调压室区域地层主要为T3xd7、T3xd8变质火山角砾岩、变质火山细砾岩夹变质凝灰岩，微风化、未卸荷。勘探揭露的主要为Ⅲ级、Ⅳ级及Ⅴ级结构面。除断层外，尚有一些顺层挤压面发育，岩体中主要发育有两组节理，分别为N70°～90°W，NE∠70°～90°和 N0°～20°E，SE（NW）∠60°～85°，其他节理随机出露，成组性差。地下洞室位于地下水位以下，洞室围岩为微透水岩体。

3 450kN预应力锚杆布置及参数

根据尾水调压室开挖支护蓝图，布置两排450kN预应力锁口锚杆Φps32@1.5m×1.5m,L=9m，且尾水调压室洞室开挖时，根据开挖围岩揭露的岩质情况，增加随机450kN预应力锚杆，工程量总约为264根。其对应的具体参数如表1所示，结构如图1所示：

表1 450kN级预应力锚杆参数

图1 上倾角450kN预应力锚杆结构图

4 450kN预应力锚杆施工要点

4.1 施工工艺流程

锚杆孔位放样→钻孔→清洗→锚杆加工制作→锚杆安装→锚固段灌浆→锚墩浇筑→张拉、锁定→张拉段灌浆→外锚头保护。

4.2 主要工序要点

4.2.1 锚杆造孔

锚杆钻孔采用QJY100B潜孔钻机进行钻孔，造孔直径为100mm。开孔前对孔径、孔位、孔向、角度进行复核，使之达到设计要求的程度。钻孔时，钻具应逐级加长，且对钻孔过程中的孔径、孔深、孔内情况进行详细记录，若在锚固段发现软弱岩层、出水、落钻等异常情况，要主动通知设计和监理单位，采取有效处理措施，以确保锚固段位于稳定岩层中。当造孔达到设计要求后，连续不断地用水和高压风彻底冲洗钻孔，直至孔口返出之风手感无尘屑，并做好孔口堵塞保护。

4.2.2 锚杆制作及安装

首先将9米长锚杆量出内锚段的长度并做出标记，在内锚段每隔1米设置一道对中支架，张拉段每隔2m设置一道对中支架，支架和锚杆用铅丝扎牢固；其次是锚杆锚固段和张拉段交接处需设止浆环，上倾角度锚杆锚固段安装一根PEφ25排气管和一根PEφ25灌浆管，灌浆管由孔口穿过止浆环200～500mm，排气管由孔口经张拉段穿过止浆环直至孔端头50cm以内；下倾角和平倾角锚杆锚固段安装一根PEφ25灌浆管，灌浆管由孔口经张拉段，穿过止浆环直至孔端头50cm以内。

锚杆安装主要采用人工进行安装，施工时，须按实际孔深、孔底预留深度及锚杆长度计算出外露长度，并做出明显标记，操作人员协调一致，均匀用力往孔里推，保证锚杆在孔内顺直不扭曲。锚杆孔口外需预留不小于50cm长度，以方便混凝土墩头、螺帽、张拉等工作进行。

4.2.3 预应力锚杆灌浆

灌浆采用GMS2008型灌浆自动记录仪。锚固段灌浆在锚杆入孔后即可施工，张拉段灌浆在外锚墩浇筑、张拉锁定后进行；内锚固段和张拉段注浆采用压力注浆，压力0.3MPa～0.5MPa，浆液为纯水泥浆，强度等级分别为M50、M25；在灌浆过程中，排气管回浓浆后立即以0.5 MPa压力闭浆，闭浆时间15min。如果灌浆量大于理论吸浆量，并且回浆比重不小于进浆比重，稳压15min，孔内不再吸浆，则灌浆结束。

4.2.4 锚杆张拉及锁定

预应力锚杆张拉程序为机具率定→外锚头混凝土强度检查→张拉机具安装→预紧→分级张拉→锁定。

在锚固段注浆体混凝土强度等级达到设计强度75%后，对预应力锚杆进行张拉，锚杆采用YCW-150型千斤顶进行张拉（实验锚杆采用1000kN锚索测力计检查张拉效果），张拉前先安装锁顶螺帽，再用连接套对锚杆进行连接接长，接长后安装螺帽保护套、千斤顶等，螺帽保护套是用来方便后期螺帽锁定的一个工具，整体由钢材制成，但在下方有预留缺口，待张拉完成后，人工通过缺口利用扳手进行锁定。张拉过程控制程序为：0kN→100kN→300kN→450kN锁定，除最后一级持荷时间为20min，其余每级张拉持荷时间均为5min，张拉在同一时间完成，否则应卸荷后依次张拉。该预应力锚杆的设计永存力为450kN，因此在张拉完成后人工先利用扳手锁定螺帽，再利用锚索测力计测定回弹力，并做好记录，反复循环，直至设计永存力为450kN。初次张拉按照设计永存力的105%进行，即495kN左右。且加荷、卸荷速率应平稳。张拉时，升荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.1；卸荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.2。

图2 螺帽保护套

图3 450kN预应力锚杆张拉

5 预应力锚杆实验数据分析

5.1 张拉理论长度计算

工艺实验前需要进行理论弹性伸长量计算。对应的计算公式为l=PL/EA（式中：L—锚杆的有效长度；锚固端至张拉锚具之间的距离，P—张拉应力，理论伸长量对应的是理论应力；E—钢材的弹性模量；A—钢材的断面面积），本次锚杆L取6000mm，P 取 0～450kN，A 取 804.2mm2，E 取 2.06×105N/mm2。

表2 450kN预应力实验锚杆观测数据统计

表3 试验锚杆伸长量统计

5.2 实验数据统计

通过450kN预应力锚杆工艺实验，对体现其支护效果的各项数据做了全面统计，对应的数据如表2、表3所示。

5.3 实验数据分析

根据实验锚杆张拉力数据分析，在液压千斤顶张拉力达到450kN时对应测力计的原始数据为479.87kN，考虑到人工锁定时对锚杆的应力，锁定完成后测力计数据为504.14kN，并在张拉完成3天后测力计数据降低为482.47kN，与原始数据基本保持不变且大于设计450kN，张拉力满足设计要求。根据实验锚杆伸长量数据对比分析，实验锚杆伸长量比理论值增量略大，主要由自由段的长度存在误差、千斤顶张拉锚具及夹片的变形及油压表的读数误差引起，整体情况比较理想，满足工艺施工要求。实现了450kN预应力锚杆在地下支护工程中的应用。

6 结语

在工程建设高速发展的今天，对于高边坡、深基坑及薄弱地段的施工安全、进度和成本越来越受重视，选择适合的支护方式很重要，450kN预应力锚杆较普通125kN预应力锚杆支护效果更强，更能保证施工安全；较小吨位（600kN）锚索工序更简单，更能保证施工进度和降低成本。通过实验分析，在450kN预应力锚杆施工过程中只要严格控制好锚杆造孔、锚杆制作安装、锚杆灌浆、锚杆张拉锁定的工序要点，450kN预应力锚杆的支护效果就能完美体现，其成功开辟了一种新的支护方式，可在高边坡、深基坑、薄弱地段及洞室交叉口推广使用，因此，分析450kN预应力锚杆施工工艺和支护效果具有重要意义。