高精度预应力锚索水平加固高闸墩施工技术

刘志军，郭富媚

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 工程概况

白盆珠水库主坝位于白盆珠峡谷上游入口,为混凝土宽缝重力坝，坝顶高程为88.2 m，最大坝高为66.2 m，坝顶长度为240.0 m，共分11 个支墩坝段和5个实体重力坝段。坝自左至右由左岸实体重力坝段、左岸支墩坝段、河床支墩溢流坝段、放空底孔坝段、电站厂房坝段、右岸支墩坝段、右岸实体重力坝段所组成。其中河床溢流坝段为两孔开敞式溢流坝型，堰顶高程为73.0 m，边墩厚为1.5 m，中墩厚为3.0 m，每孔净宽为12.0 m，总宽度为30.0 m[1]。2019年第3次安全鉴定，主坝闸墩贯穿性裂缝缝宽超出规范允许值，需对闸墩采用预应力锚索加固处理。主坝平面布置见图1所示。

图1 主坝平面布置示意

2 锚索加固方案

为保障闸墩的稳定性，在右侧边墩、中墩及左侧边墩各设置6束预应力锚索，共18束，每束由7根钢绞线组成，单孔拉力为100 t[2]，高程分别为75.8 m、77.8 m、79.8 m、83.3 m、85.3 m和87.3 m，预应力锚索由闸墩的下游面向上游面水平钻穿施工，长度为21～25 m，钻孔空位偏差不得大于10 mm，终孔孔轴偏差不得大于100 mm，小于规范《水工预应力锚固技术规范(SL 212—2020)》要求的2%[3]，钻孔精度要求高。锚索由7Φ5型Φ15.2钢绞线组成，钢绞线标准强度1 860 MPa，松弛级别：Ⅱ级。锚索采用YJK锚具、YJJ夹具和YJL连接器，为圆形夹片式，锚索加固结构如图2所示。

图2 锚索加固结构示意

3 锚索加固施工

3.1 主要施工机械设备

预应力锚索施工机械设备：汽车吊(STC500)、空压机(9 m3/min)、注浆机(UB3)、锚索钻机(XY-1)、电动油泵(ZB4500型)、千斤顶(YCW400B-200型)。

3.2 搭设满堂脚手架支撑作业平台

3.2.1底座基础

根据现场实际情况，泄洪道为陡坡面，不能按照常规方法搭设满堂脚手架，需在泄洪道陡坡面种植M20化学锚栓作脚手架底座基础。化学锚栓竖向间距为0.6 m，横向间距为1.5 m，长度为260 mm，深度200 mm，钻孔孔径D=25 mm，种植完成后在化学锚栓套上钢板(规格为150 mm×150 mm×8 mm)，钢板提前穿好D=25 mm的孔，钢板平贴于溢洪道面，并用螺母拧紧，然后用10#槽钢一侧水平焊接在钢板上，槽钢底面保持水平，10#槽钢悬空的一侧用钢板(规格为150 mm×100 mm×8 mm)焊接支撑[4]。最后在槽钢上搭设满堂脚手架，从而达到防止立杆倾斜、下滑及受力要求。底座基础示意见图3。

图3 底座基础示意(单位：mm)

3.2.2架体部分

架体分成两部分，第1部分在泄洪道缓坡面起，开始搭设阶梯退台式满堂脚手架，每1级的最小高度约2.4 m、最小宽度约3.6 m，长度约27 m的阶梯退台式脚手架，台阶不少于5级；第2部分在作业受力区搭设满堂脚手架支撑作业平台，长度约27 m，高度为每层锚索孔口下1.1 m位置，立杆间距为600 mm×600 mm，操作平台铺设8 mm厚钢板，在闸墩侧面采用化学锚栓与满堂脚手架横杆焊接连接。从而使架体达到较高的稳定性和安全性，也是保证预应力锚索施工质量和精度控制的前提。满堂脚手架剖面见图4。

图4 满堂脚手架剖面示意

3.3 孔位放线及安装导向定位装置

按照施工图要求，在闸墩下游面上准确定位预应力锚索孔口位置，在孔口位置上做好十字型标记[5]；然后，将导向定位装置的中心对准十字型标记，并用螺栓通过钢板四角的螺栓孔将钢板固定；锚索钻机的钻头穿过圆孔进行钻孔操作，当锚索钻机的钻头在开孔时，钢板的圆孔会限制钻头的晃动移位，从而减小开孔时孔位的偏差，提高了钻孔的精确度。导向定位装置示意见图5。

图5 导向定位装置示意(单位：mm)

3.4 钻机就位

预应力锚索摆机前采用全站仪对锚索上下游端的位置进行坐标测量，根据测量得到锚索上下游端两点坐标后向下游方向延伸3个点，延伸的长度分别为0.5 m、2.5 m和4.6 m，然后在平台面上测量并标记延伸的3个点位，第1个点控制前钻杆位置，第2个点控制钻机位置，第3个点控制后钻杆位置。钻杆水平控制是根据锚索孔口中心点高程测量值为基准值，采用水准仪按照基准值测量钻杆前中后3点保持在1条水平线上，进行定位摆机，从而使钻杆与锚索孔在1条直线上，最终将钻机通过钢管焊接在作业平台上，与作业平台连接成一个整体，防止钻机震动位移产生偏差，以上摆机过程达到高精度控制孔轴偏差。锚索钻机定位示意见图6。

图6 锚索钻机定位示意

3.5 钻孔及清孔

3.5.1钻孔

闸墩为混凝土结构，钻孔使用水磨钻，每钻进1.5 m取1次岩芯，钻杆每3 m加1个扶正器[6]，加强钻杆的刚度及稳定性，防止因钻杆长度的增加导致孔轴偏差。钻孔孔径为130 mm，钻孔深度为钻穿闸墩上游面，钻孔速度及压力应结合实际情况进行调整，并应满足设计及规范要求。扶正器示意见图7。

图7 扶正器示意

3.5.2清孔

钻孔工作结束时,用带压力风水冲洗,将孔道内的钻孔泥沙冲洗干净,直到回水变清,并经监理工程师验收合格后才准安装锚索;在安装锚索前,应将钻孔孔口进行临时堵塞保护[7]。

3.6 锚索施工

3.6.1施工程序

预应力锚索施工工艺：锚索制作与安装→张拉前准备及张拉→封孔回填灌浆于锚头保护[8]。

3.6.2锚索制作与安装

每批预应力钢绞线进场均应对产品合格证、检验报告及外观质量进行验收，并按规范要求对预应力钢绞线抽样进行力学性能试验[9], 将试验成果报送监理工程师。锚索制作过程中应满足以下技术要求:

1) 下料长度按设计孔深+钢垫板厚度(0.04 m)+锚具长度(0.16 m)+千斤顶工作长度(0.4 m)+0.30 m，每股长度偏差控制在50 mm以内，采用冷切割下料，严禁使用电焊切割。

2) 锚束沿轴线方向每隔3 m设置1束线环(定位器)，锚固段两束线环中间设一隔离架，张拉段用塑料套管包裹，与锚固段相交处的管口应密封并用铁丝捆扎牢固。

3) 保证钢丝间有一定间隙，以保证灌浆后锚束内空隙填实充分， 钢丝和杆体得到充分的握裹和保护。

4)在编排钢铰线时，同时安放2根注浆管，管口均设在下游端，其中1根为灌浆管，长度至上游孔口50～100 cm，另1根为回浆管，长度为300～400 cm；注浆管采用塑胶管，插入束线环或隔离架的中央。

锚索制作完成后，利用人工运输。运输过程中防止发生磨损，弯曲半径不宜小于3 m; 同时运输过程中防止发生磨损[10]。

在钢铰线组合成索和钻孔完成后及时将锚索放入孔内。放入过程中，严禁上下抖动、来回扭转和撞动，防止中途散束和卡阻，造成安装失败。穿束后锚索外露部分应用胶布包裹防止生锈(见图8所示)。

图8 锚索示意

3.6.3张拉前准备及张拉

1) 张拉前应对上、下游侧的承压面砼进行打磨至平整，使得砼面与钢垫板接触良好。

2) 为减小锚索张拉过程中对相邻锚索应力的影响,应优化锚索张拉顺序。闸墩锚索预应力时，要从中部向上下两方向均匀施加预应力。

3) 对锚索采用一端张拉，先锁定上游端锚索，实行下游段张拉。

4) 张拉机具就位后，应进行空载试运转，检查其运行状态及可靠性[11]。

5) 张拉过程分4个阶段:预张拉、张拉、锁定设计吨位和补偿张拉

6) 预张拉:锚索正式张拉前,先施加0. 2 P(P为设计张拉吨位,下同,分摊到每股钢绞线为P/7)的预紧荷载,对钢绞线进行逐根对称张拉,使每根钢绞线受力均匀,并起到调直对中的作用。

7) 锚索张拉过程:0.2 P预紧→0.25 P→0.5 P→0.75 P→1.0 P→1.1 P,除最后一次要求静载持续30 min外,其余加载持续时间均为5 min。

8) 采用张拉应力控制为主，伸长值校核的双控操作方法。张拉各级稳压前后,均应量测钢绞线的伸长值,若实测值与理论值相差超过10%或小于5%时,应立即停止张拉,查明原因并采取措施后，才能重新张拉。

9) 保持1.1 P的总荷载30 min,并测量此段时间内锚索的徐变位移量,若徐变值不超过1 mm,则认为锚索合格。

10) 锚索合格后，以小于0.2 P/min速率均匀卸载至P锁定。张拉锁定后48 h内,发现预应力损失超过设计张拉力的10%时,应进行补偿张拉。补偿张拉应在锁定值基础.上一次张拉至1. 1 P,补偿张拉次数不能超过2次。

11) 根据要求进行实验束张拉，试验束的数量为5%，但不少于3束，在进行锚索试验时,应认真记录压力传感器的读数,千斤顶的读数以及试验束在不同张拉吨位时的伸长值。

3.6.4封孔回填灌浆于锚头保护

1) 封孔回填灌浆材料采用水泥砂浆或纯水泥浆进行灌浆,浆液配合比应经试验确定[12]，其7 d的抗压强度应不低于M30。

2) 观察出浆管排水、排浆情况,当排浆浓度与进浆浓度相同时,方可进行屏浆，屏浆压力0.3～0.4 MPa,屏浆时间20～30 min。

3) 灌浆结束24 h后,如发现孔道浆体不饱满,应采取必要措施进行补充灌浆。

4) 灌浆完成后,锚具外的钢绞线除留存15 cm外,其余部分应切除，对锚头采用厚度不小于250 um的醇酸或环氧类防腐涂料保护，并进行C30细石砼锚头保护帽(见图9所示)。

图9 锚头保护示意(单位：mm)

4 加固效果

右侧边墩、中墩及左侧边墩18束预应力锚索，终孔孔轴偏差实测范围为20～90 mm，均符合设计要求。

锚索加固施工完成后，在闸墩上设置5个观测点，对闸墩位移及沉降进行观测，观测频率为每7 d观测1次，经过半年的监测、观察，闸墩未出现变形问题，锚索加固后闸墩稳固。监测点示意见图10。

图10 监测点示意

5 结语

本项目针对白盆珠水库闸墩加固工程，工程施工过程中应用了预应力锚索施工工艺，克服了锚索钻孔长、闸墩宽度小、孔轴偏差控制要求高，作业面悬空等复杂条件，目前，高精度预应力锚索加固工程已完成，实践表明孔轴偏差全部控制在设计范围内，保证了锚索施工质量和人员安全，产生了较好的经济效益，得到业主等单位的好评，可为同类工程提供借鉴。