張金龍

（中國(guó)安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

錨索技術(shù)主要由英國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家率先用于巷道防護(hù)工程，對(duì)于支撐較差的圍巖條件，具有很好的效果[1]。通常通過(guò)提高支護(hù)強(qiáng)度和剛度，來(lái)達(dá)到拉力鎖住鎖死效果，在山體斷層帶、破碎帶以及各類水工構(gòu)筑物通道口兩側(cè)（如水電站導(dǎo)流洞）邊坡支護(hù)方面開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用[2]。中國(guó)自20世紀(jì)60年代引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)以來(lái)，已經(jīng)在港航、邊坡治理、建筑基坑支護(hù)、隧洞開(kāi)挖支護(hù)等工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。錨索與錨桿的共同使用，也為在更大規(guī)模工程實(shí)體上采用該技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，該文將從質(zhì)量控制方面對(duì)錨索在大洞徑導(dǎo)流洞高邊坡施工中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 預(yù)應(yīng)力錨索錨固及優(yōu)化措施

1.1 出口高邊坡巖體破裂機(jī)制

旭龍水電站采用兩條高低分布的導(dǎo)流洞進(jìn)行江水導(dǎo)流，導(dǎo)流洞出口邊坡開(kāi)挖底板高程2131m，開(kāi)口線頂部最高高程約為2270m，最大坡高約139m，開(kāi)挖坡比1∶0.3，由現(xiàn)場(chǎng)探明導(dǎo)流洞出口高邊坡共分布12個(gè)小型危巖體。為更好地控制錨索錨固質(zhì)量，需要結(jié)合工程地質(zhì)分析導(dǎo)流洞出口高邊坡的巖體破裂機(jī)制。通過(guò)該破裂規(guī)律，應(yīng)用該規(guī)律減小對(duì)錨索施工時(shí)對(duì)巖體產(chǎn)生的擾動(dòng)[4]。由上述分析已經(jīng)知道，旭龍水電站導(dǎo)流洞出口高邊坡分布有12類小型危巖體，危巖體由于其穩(wěn)定性較差，主要以碎石、塊石為主構(gòu)成整體巖面結(jié)構(gòu)，其破裂性質(zhì)較為活躍，當(dāng)出現(xiàn)較大含水量時(shí)，容易降低整體巖體相互嵌擠作用發(fā)生破裂，滑移風(fēng)險(xiǎn)較大[5]。

此外，對(duì)高邊坡大量發(fā)育的弱卸荷巖體，由于風(fēng)化嚴(yán)重，其力學(xué)性能極低，處于極易破裂狀態(tài)，當(dāng)向巖體內(nèi)施加錨索錨桿時(shí)，滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)顯著提升[6]。在巖體內(nèi)部不斷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，逐漸會(huì)形成變形的蠕滑效應(yīng)[7]，即緩慢的積蓄動(dòng)能，在瞬間突然爆發(fā)的結(jié)構(gòu)崩塌或破裂的巖體運(yùn)動(dòng)行為。通過(guò)對(duì)出口高邊坡的該特性進(jìn)行分析。得到巖體可能產(chǎn)生的破裂機(jī)制，主要是緩慢形成蠕滑效應(yīng)，對(duì)于錨索施工最為核心的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)就是對(duì)錨索鉆孔時(shí)最大限度的減輕對(duì)巖體的擾動(dòng)，避免出現(xiàn)蠕滑效應(yīng)。

高邊坡的破裂圍巖應(yīng)力分布主要有塑性、彈性和破裂3個(gè)部分，對(duì)于錨索錨固，將直接與圍巖密貼接觸，其擾動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力服從破裂應(yīng)力分布形態(tài)，因此根據(jù)Hoek-Brow準(zhǔn)則，可以得到高陡邊坡的圍巖破裂應(yīng)力的力學(xué)模型如公式（1）所示。

式中：mc、sc為巖石的強(qiáng)度參數(shù)；σs為巖石抗壓強(qiáng)度；σθ為圍巖破裂應(yīng)力；σr為巖石基本應(yīng)力。

另一個(gè)指標(biāo)是確定破裂區(qū)半徑，用Rc表示。利用彈性應(yīng)力在破裂形態(tài)下具有塑性屈服狀態(tài)，整個(gè)圍巖彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力趨于一致。如公式（2）所示。

公式（2）說(shuō)明了高陡邊坡圍巖在破裂區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)變值的影響關(guān)系，εr為破裂形態(tài)下彈性應(yīng)變；而εθ為破裂形態(tài)下的塑性應(yīng)變。二者范圍通過(guò)破裂區(qū)半徑影響下的屈服達(dá)成統(tǒng)一，G、μ、λ分別為剪變模量、泊松比以及塑性應(yīng)變參數(shù)。在破裂狀態(tài)下，也即錨索在進(jìn)入邊坡巖體后發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生蠕滑效應(yīng)后，λ取0。公式（2）轉(zhuǎn)化為彈性范圍應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方程。而α為錨索進(jìn)入巖體后的擾動(dòng)半徑，定義P0為在該錨索打入后完全不受擾動(dòng)的圍巖應(yīng)力交界點(diǎn)應(yīng)力。從理論上考慮，高邊坡發(fā)育的大量弱卸荷巖體容易出現(xiàn)彈塑性的形變，公式（2）能夠解釋并分析該形變，而實(shí)際工程施工中，圍巖形變并不會(huì)真的發(fā)生塑性變形。也即塑性應(yīng)變參數(shù)λ通常為0，從而出現(xiàn)εr=εθ。因此，無(wú)須考慮塑性和破裂兩個(gè)階段的應(yīng)力狀態(tài)。

1.2 內(nèi)外雙錨錨索錨固技術(shù)

在考慮巖石上進(jìn)行高邊坡的錨索施工質(zhì)量并確保錨固不會(huì)擾動(dòng)巖體產(chǎn)生蠕滑效應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中創(chuàng)新出一種打入巖體后，內(nèi)外雙錨的錨索錨固技術(shù)。這種雙錨錨索結(jié)構(gòu)一共分為3個(gè)部分：分別是孔內(nèi)錨固段、中間自由段和孔口外錨固段，中間自由段通過(guò)安裝套管的方式進(jìn)行與巖體隔絕，形成所謂自由活動(dòng)的部分。

在該錨索錨固技術(shù)中，當(dāng)外部錨固段失效，其可以產(chǎn)生反向錨固作用，使得整體錨索處于自鎖狀態(tài)，從而最大限度的保證巖體整體穩(wěn)定不受擾動(dòng)。內(nèi)外雙錨錨索結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)外雙錨錨索結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

雙錨錨索開(kāi)始施工后，需要對(duì)錨索各工序環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制。先對(duì)成孔及注漿進(jìn)行控制[8]。利用成孔檢測(cè)儀器對(duì)鉆孔進(jìn)行成孔檢測(cè)孔徑、孔深、傾斜度、方位角偏差。得到測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 錨孔成孔檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)以上15個(gè)孔道的檢查記錄，表明錨孔成孔質(zhì)量較為良好，各項(xiàng)檢測(cè)合格率均在90%以上，成孔質(zhì)量良好，不會(huì)對(duì)巖體造成擾動(dòng)破壞。

通過(guò)內(nèi)外雙錨的錨固技術(shù)，整個(gè)高邊坡的錨索支護(hù)變成一個(gè)會(huì)經(jīng)歷二次受力的有機(jī)結(jié)構(gòu)體，其錨固質(zhì)量由該結(jié)構(gòu)體的受力特征決定，通過(guò)模型的假設(shè)得到如圖2、圖3所示的2個(gè)階段的受力模型。對(duì)該項(xiàng)目部進(jìn)行有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

圖2 錨索受力第一階段模型

圖3 錨索受力第二階段模型

測(cè)試錨索的拉應(yīng)力以及對(duì)圍巖的影響程度，如圖4 所示。從圖4可以看出：當(dāng)錨索錨固張拉來(lái)到設(shè)計(jì)值500kN時(shí)，注漿體內(nèi)部應(yīng)變規(guī)律與普通拉力型錨索相同，最大壓應(yīng)變位于內(nèi)錨固段靠近孔口處，約450με，且壓應(yīng)變從內(nèi)錨頭靠近孔口處向深部5m范圍內(nèi)快速衰減；此外，在卸載階段，按照100kN一個(gè)級(jí)別，共經(jīng)歷3個(gè)階段：卸載到400kN→卸載到300kN→卸載到200kN。3個(gè)階段中，最后階段卸載至200kN產(chǎn)生的應(yīng)變最大，峰值達(dá)到1000～1100με，錨索所在位置主要在距離錨頭2m左右，該處更多的產(chǎn)生應(yīng)變是由于高邊坡所釋放的拉應(yīng)力值相對(duì)最大，錨索距離越長(zhǎng)，整體的應(yīng)力值衰減越多，從而表征的應(yīng)變趨于減弱，當(dāng)達(dá)到距離錨索錨固段6m左右時(shí)，將達(dá)到整體平衡，應(yīng)變趨向于0。

圖4 錨索受力過(guò)程應(yīng)變分布

通過(guò)這兩個(gè)階段的受力，錨索將與高邊坡的巖體完整拉在一起，不會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位；只要預(yù)應(yīng)力張拉能夠保證張拉值達(dá)到并保持住基本允許值，不會(huì)發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失，則整個(gè)內(nèi)外雙錨錨索錨固就不會(huì)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，在錨固錨頭向內(nèi)深入2m是整個(gè)錨索拉住高邊坡巖體的主要應(yīng)變區(qū)域，綜上所述，蠕滑效應(yīng)有且僅有在此段區(qū)域發(fā)生。

為進(jìn)一步判斷在錨索實(shí)施預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)可能存在的質(zhì)量問(wèn)題（例如預(yù)應(yīng)力損失），對(duì)錨索的安裝，預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉長(zhǎng)度等進(jìn)行對(duì)比，選取現(xiàn)場(chǎng)高邊坡區(qū)域中的6束內(nèi)外雙錨錨索進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)可以得到常規(guī)錨索安裝與內(nèi)外雙錨的錨索施工2種預(yù)應(yīng)力鋼束張拉工況對(duì)比參數(shù)表見(jiàn)表2。

表2 錨索安裝對(duì)比參數(shù)表

表2試驗(yàn)結(jié)果表明：常規(guī)方式錨索存在位移伸長(zhǎng)量不穩(wěn)定，伸長(zhǎng)量偏差大，位移收斂時(shí)間較長(zhǎng)的情況；同時(shí)會(huì)由于錨固施工對(duì)巖體造成擾動(dòng)，會(huì)觸發(fā)前述內(nèi)容所說(shuō)蠕滑效應(yīng)。綜合反映問(wèn)題如下，對(duì)于錨索質(zhì)量控制，通過(guò)內(nèi)外雙錨錨索錨固技術(shù)效果將好于常規(guī)安裝定位的方式。

2 錨索錨固優(yōu)化措施

在采用了內(nèi)外雙錨的施工技術(shù)后，其安裝勢(shì)必也會(huì)帶來(lái)一些質(zhì)量問(wèn)題，因此嚴(yán)控錨索安裝質(zhì)量，在錨索錨固段增設(shè)“錨索反向定位固定環(huán)”是該文提出的主要技術(shù)思路。由于錨索安裝位置處于錨孔正中，反向定位固定環(huán)不會(huì)出現(xiàn)明顯位置偏差，且定位穩(wěn)固。該文總結(jié)了以下2種質(zhì)量控制方法：1）現(xiàn)場(chǎng)配合比設(shè)置不出現(xiàn)偏差，M40水泥砂漿嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配比拌制，配制合格率須達(dá)到100%，強(qiáng)度檢測(cè)合格，現(xiàn)場(chǎng)漿液配制質(zhì)量才會(huì)提升。2）錨索安裝前對(duì)鉆孔重新進(jìn)行通孔檢查，對(duì)塌孔、掉塊清理干凈或處理，不得欠深，對(duì)孔內(nèi)沉渣用高壓風(fēng)吹干凈。然后在該基礎(chǔ)上增設(shè)錨索反向錨固叉，在錨索波紋管外側(cè)沿軸線方向每間隔3m套設(shè)一個(gè)反向定位固定環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 錨索反向定位固定環(huán)

通過(guò)以上亮點(diǎn)優(yōu)化技術(shù)，對(duì)高邊坡現(xiàn)場(chǎng)1#-7#不同長(zhǎng)度內(nèi)外雙錨索錨固張拉伸長(zhǎng)量數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤記錄，得出統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)外雙錨控制優(yōu)化后錨索張拉伸長(zhǎng)量統(tǒng)計(jì)

由表3可以得出：各孔位錨索張拉均能達(dá)到設(shè)計(jì)張拉控制力，且過(guò)程中均未出現(xiàn)異常情況。按照相關(guān)規(guī)范要求，錨索實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量與設(shè)計(jì)值偏差應(yīng)控制在-5%～10%內(nèi)，通過(guò)改良優(yōu)化后，各孔位錨索張拉實(shí)際位移伸長(zhǎng)量與設(shè)計(jì)位移伸長(zhǎng)量偏差被控制在±5%內(nèi)，錨索錨固質(zhì)量得到大范圍提升；整體導(dǎo)流洞出口高邊坡的施工質(zhì)量達(dá)到可控范圍。

3 結(jié)論

該文以大洞徑導(dǎo)流洞出口高邊坡支護(hù)問(wèn)題為切入點(diǎn)，研究了在脆弱巖體上施工錨索并錨固到位的質(zhì)量保證措施。主要有如下3點(diǎn)結(jié)論。1）錨索錨固需要結(jié)合高邊坡巖體整體工程地質(zhì)性態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)于極易產(chǎn)生巖體破裂的高邊坡施工預(yù)應(yīng)力錨索，需要特別考慮蠕滑效應(yīng)的影響，該效應(yīng)對(duì)于錨索施工以及整個(gè)邊坡支護(hù)的安全穩(wěn)定與質(zhì)量控制將產(chǎn)生較大影響。2）研究采用了內(nèi)外雙錨施工技術(shù)，對(duì)其受力階段進(jìn)行分析，得出了在施工高邊坡條件下，內(nèi)外雙錨施工能夠更好地控制錨索錨固質(zhì)量，并提出了2次注入砂漿的方式進(jìn)行錨固段灌漿壓實(shí)。3）采用設(shè)置反向定位固定環(huán)將有效提升內(nèi)外雙錨錨索錨固的施工質(zhì)量，對(duì)于巖體較易受擾動(dòng)的高邊坡尤其適用。對(duì)于錨索錨固伸長(zhǎng)量需要進(jìn)行有效控制，超出允許值范圍的錨固都將對(duì)邊坡整體穩(wěn)定帶來(lái)質(zhì)量隱患。