基于水利工程预应力衬砌环锚锚索二次张拉施工实践研究

晋 健

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 抚顺 113007)

0 引 言

由于运行可靠性好、施工便捷性强等优点，预应力衬砌结构在结构抗裂性能要求高、地质条件较差及围岩厚度较薄的输水隧洞工程中被广泛的应用，输水隧洞衬砌环锚预应力施工的关键环节是张拉施工技术和钢绞线锚固体系的固定、夹持，该过程直接决定着输水隧洞的安全运行[1-3]。目前，夹片自锁的传统张拉施工为锚索一次张拉的常用技术，锚固回缩量在张拉过程中不易控制且往往较大，并由此导致锚索预应力的损失。环锚锚索预应力损失过大不仅影响着结构的耐久性和可靠性，而且将消弱锚索的加固效果影响隧洞衬砌的整体承载力，在解决锚固回缩量大的问题时环锚锚索二次张拉技术具有明显的成效[4]。因此，文章以辽宁省某输水工程的衬砌结构为例，对环锚锚索的二次张拉预应力施工从设备选择、工艺流程、技术要点等方面进行分析，可为环形预应力锚索的推广和应用提供技术依据。

1 锚固体系张拉施工设备选择

1.1 锚固体系结构原理

环锚锚索二次张拉的预应力锚固系统主要由固定端垫板、固定端螺旋筋、约束圈、固定端P型锚具、锚索、波纹管、进浆钢管、张拉端垫板、张拉端螺旋筋和张拉端二次张拉锚具等部件构成。承力架构由混凝土结构、固定端与张拉端垫板组件等构成，而张拉锚索的固定主要由固定端P型锚具实现。沿轴向布置于工作锚板上的圆锥孔，将夹片座套设置在孔内侧，通过旋接将支承螺母的内周螺纹与锚板的外周螺纹连接。第一次张拉完成后，将锚索及锚板在第二次张拉时整体拉起离开垫板，在达到设计荷载的同时确保支承螺母处于拧紧状态，其中以垫板作为锚板支承，然后回顶工作夹片和放张锚固，从而提高预应力锚索的锚固效率和消除一次张拉中的回缩损失[5-7]。

1.2 锚固体系张拉施工设备

张拉千斤顶、固定端P型锚具及二次张拉锚具为环锚锚索二次张拉锚固体系的施工设备，各设备的组成和特性如下：

1)二次张拉锚具。螺旋筋、垫板、夹片、锚板、支承螺母为组成二次张拉锚具的主要部分，压浆孔设置于垫板平面内，孔上设置螺旋纹，波纹管外径与压浆孔直径相匹配，从而保证浆液在压浆孔中的畅通。

2)固定端P型锚具。挤压锚、钢绞线、螺旋筋、固定锚板、出浆管、约束圈和波纹管等为构成固定端P型锚具的部件，采用优质合金结构钢作为固定端P型锚具的挤压锚，固定锚板为Q235钢板，厚度大于18mm。

3)特性分析。二次张拉锚具的放张回缩值λ≤1mm，当预应力损失值是由锚固内缩量引起时，放张回缩值λ值建议取1mm；破段总应变εA应≥2%，锚固效率系数ηA≥95%。二次张拉锚具在具备优良的静力锚固性能和放张预应力锚索性能的同时，还要满足补张拉、分级张拉一级Ⅰ类锚具的技术要求，同时满足50次循环周期荷载试验和200万次循环的疲劳性能试验。采用张拉连接配置和专用千斤顶的二次张拉，为实现放张锚固、张拉、锚索预紧的目标张拉千斤顶要配合张拉油泵，另外张拉千斤顶还要满足安装与操作简便、结构紧凑、性能稳定等要求[8]。

2 环锚锚索二次张拉施工技术流程

2.1 预应力锚索的制作与安装

锚索张拉施工的准备工作有：采用卷扬机及钢丝绳将下料编束完成后的预应力锚索牵引穿束，然后浇筑混凝土并达到设计强度，将张拉所需的机具设备材料，如油泵、千斤顶等利用弧形锚索张拉台车安装就位，由此可开始施工[9]。

按照如下流程安装预应力管道及锚索：①预应力锚索的下料长度根据锚索外露长度、张拉千斤顶工作段长度、锚索固定端长度、锚具结构尺寸及输水隧洞衬砌混凝土孔道长度等计算确定，对锚索按设计下料长度机械切割。②然后将挤压锚设置在锚固段，锚具挤压锚内应保证长度超过90%的弹簧。导向帽、隔离环分别安装在锚固段头部和锚索张拉端，波纹管内穿梭锚索。③注浆管和塑料波纹管分别安置在预应力锚索索体的中部、锚索张拉段，为保证孔道位置在混凝土浇筑振捣过程中不发生改变，应按设计坐标严格布置塑料波纹管。④在螺旋筋的安装固定过程中，对固定端的垫板按设计坐标应用钢筋搭桥进行固定、支承定位。

2.2 环锚锚索二次张拉施工

在达到设计强度要求后拆除混凝土临时防护，开始张拉施工。张拉施工以锚索伸长值校核为辅，以应力控制为主，另外锚索实际测量与理论计算的伸长值误差在第一、二次张拉放张完成后应不超过±6%、±10%，若不满足该条件应立即终止张拉，待分析原因并提出有效的解决方案，而后方可张拉。

2.2.1 第一次张拉施工

1)预应力锚索的张拉要求按照二次张拉伸长量值要求、二次张拉锚具锚固回所致、结构横截面积、控制应力和预应力锚索的强度标准确定，张拉力大小的控制选用标定后的油压表。

2)安装工具锚、配套前景定、限位板、工作夹片及二次张拉锚具。在二次张拉锚具安装之前应确保夹片表面及锚板上锥形孔的清洁，可将少量的润滑剂涂抹在工作夹片上，从而确保工具锚的顺利拆卸。从配套千斤顶、限位板、工作锚中间将曲线预应力锚索穿过，并使作用线和中心点切线保持一致。工作锚板自约束部套上，并将其移动至弧形垫板止槽正中处固定，根据锚板尺寸设计限位板，紧靠安装锚具。前端工作锚的孔位应与锚板上的孔位排列位置保持一致，并将其安装支承止口上。

3)根据0→0.1σcon→0.2σcon→1.03σcon→放张锚固的施加流程进行第一次张拉施工，其中钢绞线的控制应力为σcon。由于垫板与支承螺母之间存在一定的间隙，所以此过程支承螺母不受力的作用。除去工具夹片在锚索张拉至0.1σcon与1.03σcon时外露差值的实测伸长值即为第一次张拉施工的伸长量。

2.2.2 第二次张拉施工

1)第一次张拉完成后2-16h内进行第二次张拉施工，清理张拉槽口内杂物及安装配套千斤顶、张拉杆连接螺母、张拉支架、长拉杆和张拉连接套等为第二次张拉施工前的准备工作。

2)根据0→0.5σcon→1.03σcon→旋紧支承螺母→放张锚固的施加程序进行预应力的第二次张拉施工，为确保垫板与支承螺母的无间隙贴近应拧紧支承螺母放张锚固。

3)理论计算确定的锚索伸长值和第二次张拉放张后的实测值之间的误差应不超过±10%，否则应重新张拉直至满足工程要求。

在保证张拉控制应力稳定的条件下进行锚固施工，内缩量限值在第一、二次张拉施工锚固阶段分别为6mm和1mm。

2.3 孔道压浆封锚

1)张拉锚索完工后应，要尽早的对孔道压浆。在压浆过程中浆液从最低点的曲线孔道口压入，为保持排气管和进浆管的畅通将压浆产生的水、气由最高点排气孔排出。

2)在压浆施工前用专门的管卡或接头扎紧固定端P型进浆钢管与进浆连接管的接口部位，将开关或止回阀门设置在进浆管内。采用波纹管连接固定端P型锚具系统的约束圈与张拉端垫板锥孔，为防止波纹管与张拉端垫板锥孔连接处水泥砂浆的渗入，还要用胶带纸对连接处做密封处理，同时用水泥砂浆严实封堵固定端波纹管管口，从而防止灌浆进入管道。

3)压浆稳定后关闭进浆管道内的开关，对压浆机管道给予拆除。在达到30min的初凝时间后，将进浆管道内的附件和开关拆除。压浆完工和锚具冷却后，对锚具外露的多余锚索利用砂轮锯切割[10]。

4)第一、二次张拉预应力施加完毕后要连接锚具与输水隧洞衬砌混凝土，一般是将构造钢筋设置在锚具周围。选用可靠的防锈防水措施对需要封锚的锚具、锚索进行处理，同时确保锚具周围的干净，对锚固段混凝土凿毛处理后设置钢筋网片，从而提高结构的整体可靠性。

2.4 施工技术要点

1)对管道和预应力锚索的坐标位置严格按照施工设计图纸进行放样定位，确保锚索和预应力管道的准确定位，并保证管道不存在接头松动、破损、堵塞等现象，若存在问题应及时采取有效的不久措施。

2)剔除由于钢厂剪切造成的锚索两端扁头及表面存在明显缺陷或凹坑的锚索段，保证锚索表面干净清洁。在电焊作业时应对锚索和波纹管采取相应的防护措施，严禁在锚索及其管道附近进行氧割和电焊火花，由此降低锚索强度并影响张拉施工质量。

3)二次张拉环锚锚索过程中应采用配套的张拉连接其，预应力损失值受张拉时螺母旋紧程度的影响较大。另外，在张拉前还要清理张拉槽口内的杂物确保干净清洁，否则在强大的压力作用下预埋垫板与螺母之间残留的杂物被压缩，从而导致接缝压缩和回缩值的增大。在第一次张拉施工时为防止预应力损失过大和受力不均匀，应保证支承螺母在第一次张拉后为拧起状态，在该条件下张拉端垫板与工作锚板密实紧贴。第二次张拉时整体将预应力锚索与工作锚板拉起，为了使张拉端垫板处于密实紧贴状态须拧紧支承螺母。

4)在张拉基座处通过张拉千斤顶和张拉锚具完成环锚锚索的二次张拉施工。在二次张拉过程中若锚垫板安装存在偏差，则锚索受力状态发生扭曲，由此很容易引起测量数据存在偏差，甚至会导致锚索的断裂等问题。为解决以上问题，通过调整张拉支座倾角使其与锚垫板倾角保持一致，再按照相应的工序施工。在锚垫板较小的条件下该方法的实施存在较大的困难，此时可将锚垫板定位钢筋设置在曲线预应力锚索垫板处，然后在定位钢筋上点焊锚垫板，从而保证锚垫板位置在混凝土浇筑时不产生倾斜。

3 结 论

1)在减少锚索锁定和张拉过程中产生的预应力损失方面环锚锚索二次张拉施工技术具有明显的效应。将环锚锚索张拉施工技术应用于预应力衬砌结构中时，应对进浆管道、二次张拉锚具、预应力锚索和固定端P型锚具严格按照二次张拉施工技术相关规范操作；另外，应严格执行孔道压浆封锚前的验收要求和二次张拉施工工序控制相关要求，从而提高环锚预应力锚索在输水隧洞衬砌结构中的有效利用率，保证有效的预应力。

2)研究成果可为圆筒型混凝土结构和输水隧洞衬砌结构的环锚锚索二次张拉施工提供一定参考和指导作用，为环形锚索施工的推广应用提供技术支撑。