白鹤滩水电站岩壁梁锚杆角度控制技术研究

王战新 曹官军

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都610213)

1 概述

地下厂房岩壁梁作为水电站机组吊装及检修的主要承载受力建筑结构，主要利用岩壁梁锚杆将钢筋混凝土锚固在地下厂房岩体上，将所受荷载与摩擦力通过锚杆均匀地传递至岩壁梁岩体上[1]。据推算白鹤滩电站主厂房岩壁梁最大起吊重量约2400t，因此，岩壁梁均衡承载即要求锚杆施工角度必须精准控制，且岩壁梁锚杆、混凝土配筋及各类埋件等交叉密集布置，任何工序施工偏差过大均会影响下道工序施工难度，作为第一道工序的锚杆角度控制尤为重要。传统的岩壁梁锚杆角度控制工艺以结果检查为主，且受检查人员操作熟练程度、检测仪器精度等因素影响很大，不能精准反映锚杆造孔角度的控制质量。为保证岩壁梁锚杆角度过程质量控制，迫切需要引进一套技术可行、性能可靠、动态可测的检测控制方法。笔者依托白鹤滩水电站左岸地下厂房岩壁梁锚杆施工开展了锚杆角度控制技术研究。

白鹤滩水电站位于川滇交界金沙江上游，左右岸各设计安装8台1000MW水轮机组，总装机16000MW。白鹤滩水电站地下厂房开挖尺寸为（长×宽×高）453×34×88.7 m，岩壁梁位于地下厂房第III层，岩台高3.60 m，长405.60 m，岩壁梁体范围内布置了2排受拉锚杆、1排受压锚杆及2排系统普通砂浆锚杆。2排受拉锚杆施工参数：40（IV级钢），L=12m，间距70cm，入岩9.2 m，上下排锚杆上仰角度分别为25°和20°，梅花形布置；受压锚杆施工参数：32（III级钢），L=9.0 m，间距70cm，入岩7.5 m，下倾角度36.53 °；2排系统普通砂浆锚杆，其参数为：32（III级钢），L=9.0 m，间距140cm，入岩8.0 m，上仰角度10°，见图1。

图1 岩壁梁锚杆参数与混凝土配筋位置关系

2 技术背景

水电站岩壁梁承载是通过钢筋混凝土、锚杆传递至围岩体上，以达到共同承载作用。按设计锚杆参数施工是确保岩壁梁均衡承载荷载与质量检查验收的保证。同时，岩壁梁混凝土配筋密集、复杂，如在锚杆造孔施工过程放松角度控制，那么在对下步混凝土钢筋与埋件施工将埋下巨大隐患。换言之，提前严谨筹划锚杆造孔角度偏差控制，对岩壁梁均衡受力及混凝土钢筋与埋件安装的顺利实施皆具重大意义。

从图1岩壁梁锚杆与混凝土配筋位置关系分析得出：

（1）岩壁梁混凝土水平箍筋布置形式是影响受拉锚杆、普通系统锚杆横向角度主要因素。岩壁梁混凝土水平箍筋间距15cm交错布置，即受拉锚杆、普通系统锚杆外露端头左右偏差≤5cm（已考虑钢筋直径，下同）。

（2）岩壁梁混凝土水平箍筋、斜底面环向主筋布置形式是影响受压锚杆方位角度主要因素。岩壁梁混凝土水平箍筋间距15cm交错布置，即受压锚杆外露端头左右偏差≤5cm；受岩壁梁斜底面纵横钢筋网及钢筋保护层（净保护层5cm）限制，即受压锚杆外露端头下倾偏差≤2.4 cm。

3 控制标准与动态控制原理

3.1 控制标准。为保证岩壁梁锚杆施工角度满足规范与设计要求及混凝土钢筋与埋件安装设计要求，即锚杆造孔施工控制标准见表1。

表1 岩壁梁锚杆造孔施工控制标准

3.2 动态控制原理。以往工程锚杆造孔施工角度控制主要以结果检测为主，主要采用线锤测量法、组合对比测量法、地质罗盘测量等，检测效率低，且受检测人员的熟练程度与检测仪器精度影响较大。国外先进钻机设备上虽配备了GPS定位定向系统，但在地下洞室往往GPS无信号、静止条件下无法判别方位，无法使用。电子罗盘是通过重力和地磁导航定向技术[2]，能迅速准确地判读方位，适用范围不受限制。

锚杆造孔动态控制技术是通过在多臂钻台车操作臂上加装高精度电子罗盘，操作臂造孔的姿态动态数据通过数据线传送到驾驶室内读数显示屏[3]上，钻机操作手根据显示屏的实时方位与倾角数据调整操作臂摆臂姿态，以实现动态控制造孔角度目的。

4 造孔角度控制方法

4.1 电子罗盘装置安装。电子罗盘装置由专用铝合金支架、罗盘仪、数据线、显示屏组成。首先将高精度电子罗盘和支架按产品安装说明进行连接紧固，再将电子罗盘支架系统安装在钻机操作臂的侧后方向50cm以外（防止导磁材料干扰），同时将显示屏安装在钻机操作室不影响钻机操作的位置上，然后通过数据线将电子罗盘与显示屏连接，最后根据调校说明对电子罗盘进行角度调校。电子罗盘的测量精度为：方向角偏差小于0.2 °，俯仰角测量偏差小于0.1 °，电子罗盘防水防尘防震性良好，显示器在阳光、灯光下可视性好。

4.2 造孔角度定向操作。岩壁梁锚杆角度受岩壁梁承载受力计算及其与混凝土钢筋、埋件等位置关系影响，因此岩壁梁锚杆施工精度要求非常高，在造孔前应对每根锚杆孔位进行准确定位，要求开孔误差不超过锚杆直径，造孔角度误差不超过1.5 °，在造孔过程中避免钻杆错动、偏移。

4.2.1 锚杆点位控制。其施工工艺为：①根据设计位置参数，绘制锚杆点位平面布置图，准确定位每根锚杆点位。②使用全站仪逐孔放点，点位偏差10mm以内，采用反光油漆标记，便于钻机对点施钻；在放点过程如遇锚杆点位在岩石尖角等不利下钻位置，采用榔头等工具敲击平整，再放点位。

4.2.2 造孔机具造孔主要工艺要点：①造孔前，首先要将钻机平台修整平整，确保钻机平稳行驶与停放。②钻机移动到指定位置后，通过电子罗盘显示屏角度数据调节操作臂姿态，在钻杆尽量接近预定姿态的情况下钻头对准开孔点位。③根据电子罗盘角度显示，依次粗调方位角和倾角，使两个角度基本达到设计值，此时再次复核钻头是否对准开孔点位，如未对准，重复本步操作，直到满足设计角度要求。④根据电子罗盘显示屏角度数据微调操作臂钻杆角度，微调时先调方位角，达到预定角度后再调节倾角到设计角度，两角度误差在0.5 °范围内。⑤再次复核开孔点位、方位角、倾角，如仍不符合设计要求，重复以上步骤调节，直到三者都达到设计要求，方可开钻。⑥开钻时，首先采用冲击方式钻进5～10cm后，保证机位不变，放下操作臂滑架支撑稳固，再次修正方位角与倾角，继续钻进。⑦初始钻进速度应尽量缓慢控制，防止钻机钻杆跳转。钻进0.5 m后，停机复查钻杆角度，如发生小角度偏移，则立即进行纠偏，然后继续钻进。⑧在钻杆钻进过程中，密切关注电子罗盘显示屏数据变化，当角度数据达到预警角度时及时调整。

通过以上操作调整步骤，钻机操作手很快就能找到调节技巧、熟练操作，造孔速度和精度就会得到显著提高。

5 效果检查

白鹤滩水电站左岸地下厂房岩壁梁锚杆通过电子罗盘角度控制技术，锚杆角度得以动态检测与调整，锚杆方向、倾角均满足规范及预设目标要求，得到了业主与监理单位的一致好评。岩壁梁锚杆造孔角度效果检查见表2。

表2 岩壁梁锚杆造孔角度效果检查

6 结论

通过电子罗盘技术的应用，岩壁梁锚杆角度在造孔全过程得以动态控制，锚杆孔位偏差在10mm以内，方位角、倾角偏差均控制在1°以内，锚杆造孔质量控制最大化的满足了规范与设计要求，为岩壁梁均衡承载及后续钢筋混凝土施工创造有利条件。

通过该技术的成功应用，解决了传统方式采用测量放点、人工手风钻造孔，施工人员作业环境差、效率低，且地质条件复杂安全事故频发等问题。该技术也可以在有高精度造孔要求、高风险地质区域钻爆作业中灵活运用，将大大降低钻爆循环时间、有力控制超欠挖、降低安全作业风险。在工程机械设计上也可将相关的测量控制检测手段与自动化控制系统相结合，使工程施工现场像工厂流水线一样快速精准施工，真正实现设计目标的精细控制。