锦屏二级水电站引水隧洞涨壳式中空预应力锚杆应用和改进

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摘要：在锦屏二级水电站引水隧洞围岩强烈至极强岩爆地段的支护施工中，对现场原使用的涨壳式中空预应力锚杆进行了适当的改进，以使其满足TBM 快速施工的要求。改进后的锚杆安装迅速，起效快，在岩爆段和塌方段具有良好的实际应用效果。

关键词：引水隧洞；岩爆；涨壳式锚杆；改进

一 概况

1.1 工程概况

锦屏二级水电站利用雅砻江150 km 长的大河弯，截弯取直，开挖隧洞集中水头引水发电。电站最大水头321 m，额定水头288 m，共安装八台混流式水轮发电机组，单机容量600 MW，总装机容量4 800MW。锦屏二级水电站工程共有7 条隧洞，其中两条交通洞、一条排水洞和4 条引水洞。4 条引水隧洞平均长度为16.7 km，其中的2号引水隧洞在开挖过程中采用超前应力解除爆破、水胀式锚杆、喷射添加纳米级材料外加剂等新材料、新工艺、新方法，有力保证了施工进度和人员、设备安全。首次在国内水电工程中构建了随钻爆法而移动监测的微震监测系统，有效预报了岩爆的发生。2号引水隧洞全长16629m，采用钻爆法施工，马蹄形断面，开挖直径13m，混凝土衬砌后洞径11.8m，衬砌厚度40-60cm，衬砌后进行回填灌浆和高压固结灌浆，流速4.11m/s，埋深一般为1500-2000m，最大埋深约2525m。具有埋深大、洞线长、洞径大等特点，为超深埋长隧洞特大型地下水电工程。因此，隧洞具备发生强烈至极强岩爆的条件，现场施工时岩爆现象非常普遍。

1.2 工程地质概况

引水隧洞沿线围岩以Ⅲ、Ⅱ类围岩为主，分别占53.5%和37.5%，Ⅳ、Ⅴ类围岩分别占8.1%和0.9%；其中因岩爆引起围岩类别降级Ⅱb、Ⅲb、Ⅳb、Ⅴb 所占的比例分别为19.8%、7.2%、5.4%和0.9%。岩爆洞段占总洞长的33.3%， Ⅳ类围岩占2.7%， 引水隧洞总体成洞条件好。引水隧洞岩爆段地质岩性主要以T2b(白山组)灰―灰白色花斑状厚层粗晶大理岩为主，围岩完整性较差，节理较发育，岩层较坚硬，平均干燥抗压强度82 MPa， 平均饱和抗压强度65MPa，洞段围岩受高应力作用普遍破坏较严重。

1.3 岩爆情况

引水隧洞线路区地处西南高地应力区， 隧洞线高程的最大和最小主应力值分别为70.1 MPa 和30.1 MPa，以自重应力为主。引水隧洞开挖过程中产生的岩爆强烈程度以轻微―中等岩爆为主， 部分地段发生强烈―极强岩爆（图1）。

二 现场支护措施

由于锦屏工程特殊的地质原因，TBM 施工进度在很大程度上受岩爆和塌方的影响。为满足TBM 快速施工的特点，防止岩爆和围岩塌方，现场需要及时对已开挖围岩进行锚喷支护。现场采用的锚杆主要参数如下： 顶拱120° 范围采用φ32@1.2 m×1.0 m、L＝3.8 m(或者6 m)带垫板机械涨壳式中空预应力锚杆(预应力T=80 kN，锚杆外径32 mm，壁厚6 mm)。该类型锚杆具有起效快，同时能兼备永久和临时支护结合的作用； 其余顶拱120° 至270° 范围采用φ32@1.2 m×1.0 m、L＝3.8 m/6.0 m 普通砂浆锚杆； 挂网， 网片规格为φ8@150 mm×150 mm， 同时喷射15/20 mm 厚的CF30 纳米仿钢纤维混凝土封闭围岩。通过现场检验，该支护方式效果很好，对减弱岩爆的破坏起到了一定的抑制作用。

三EX 型涨壳式中空（预应力）锚杆的构造原理

EX 型涨壳式中空（预应力）锚杆由钢质涨壳锚固头、中空锚杆体、垫板、螺母、注浆管组成，必要时还可以设置止浆塞（图2）。

四 锚杆的现场试验和改进

在TBM 法施工的隧洞中， 由于其速度较快，为保证施工安全， 要求锚杆的支护及时并迅速产生锚固力。正常情况下TBM 掘进一个循环（1.7 m）耗时约为40 min，为了验证该类型锚杆施工速度和支护效果，在TBM 施工洞段进行了200 m 长的工艺性试验。为满足TBM 快速施工的要求，在现场技术人员及锚杆厂家人员共同的努力下对该类型锚杆做了以下几点改进。

4.1 改进锚杆设计

（1） 涨壳头直径改进

TBM 开挖隧洞直径为12.4 m，锚杆支护间排距为1.2 m×1.0 m，每排顶拱施工锚杆数量为12 根，这样导致锚杆钻机使用强度较高，为适应TBM 快速施工， 提高钻机钻孔效率， 将原来涨壳头直径59 mm改为48 mm，涨壳头抗拉和抗剪强度不变。改进效果：改进前钻头直径为64 mm，钻孔直径为66 mm 左右，单孔钻进时间为5 min 左右；改进后采用的钻头直径为51 mm，钻孔直径为54 mm 左右，同样深度钻孔时间为3 min，单根钻孔时间节约2 min。

（2） 增加楔套

为保证垫板紧贴岩面， 根据锚杆间距和隧洞弧形专门加工了一个楔形的钢垫套，垫套一侧角度为60°，一侧与螺母对接。改进效果：现场试验证明，增加楔套后，垫板贴紧岩面，支护效果很好。

（3） 增加延伸率

为适应岩爆情况，防止围岩冲击破坏，给围岩一定的变形空间， 根据现场实际要求将锚杆杆体由原设计的断后深长率6%改为16%，使锚杆延伸率加大， 锚杆预应力施加值及杆体极限抗力值不变。改进效果： 延伸率增加后给岩石一定的变形空间，使其适应围岩变形发展，但支护效果不变。

4.2 改进锚杆安装

由于TBM 设备上支护平台的空间较小，常规的下撑式气腿钻较难作业， 因此在现场对锚杆安装工艺进行了改进。

（1） 锚杆安装

通过人工和锚杆钻机配合将锚杆装入锚杆孔以后，再采用风动扳手通过二个螺母带动锚杆体旋转来保证涨壳头的涨开， 然后依次安装垫板和螺母。

（2） 锚杆预应力施加

在施加预应力工具选择上， 原有工艺是采用空心千斤顶或扭力板手施加， 时间较长。通过采用一定扭矩和功率的风动扳手进行预应力施加， 施工速度明显加快。现场采用扭力板手检验校核锚杆的预应力，施加值达到了设计要求。

4.3 改进注浆工艺

原有工艺在顶拱锚杆孔安装时要求是从排气管进浆，中空锚杆体出浆，以保证注浆饱满度。由于排气管直径为8 mm，中空杆体内径为20 mm，注浆速度较慢。通过查询国外的向上孔锚杆注浆工艺，在原来通过向上孔注浆浆液自上而下返浆工艺基础上，现场调整了水灰比，达到了从中空锚杆体注浆，通过注浆体本身的粘合性， 浆液自上而下地充满钻孔和杆体空隙，达到锚杆注浆饱满的目的。

五 注浆（浆液配合比）

锚杆注浆的饱满度能否达标是锚杆是否合格的重要标准之一。中国工程建设标准化协会颁布的标准《CECS22:2005 岩土锚杆（索） 技术规程》中第8.4.2 中有“宜选用水/灰比0.45～0.50 的纯水泥浆”的叙述， 而在一些有关锚固与注浆技术的书刊中多推荐最适宜的水灰比为0.40～0. 45。笔者通过试验，并查阅了国内外的有关资料， 认为上述注浆液的水灰比偏大，不适于该类型锚杆的注浆，较大的水灰比浆液虽有利于充填钻孔中的裂隙， 但也存在一些不足，主要是：

（1） 常规推荐的水灰比注浆液固结后的强度比小水灰比注浆液固结后的强度低。美国专家Hyett（1992）[2]在波特兰（美国俄勒冈西北部港市）进行了大量的水泥浆注浆试验， 依据试验数据绘出了注浆体强度等与水灰比的关系（图4，图5）。图4 描述了随着水灰比的增大，在28 d 中注浆体单向抗压强度和变形系数都降低。

图5 给出了三种水灰比时的摩尔破坏包罗线，这个结果表明了采用水灰比为0.35~0.4 的浆液特性比水灰比超过0.5 的明显要好。Hyett 在试验中也发现， 水灰比低于0.35 时试

验结果的数据其分散性明显增加， 因此较理想的水灰比应在0.35~0.4 之间。

（2） 大水灰比注浆液凝固后的收缩率大， 注浆体与钻孔壁间易于产生缝隙， 注浆体柱本身在收缩时又会因拉应力产生裂纹， 这样既会降低锚杆安装后的抗拔力，又会因缝隙或裂纹存在积水，加快锚杆体锈蚀。有试验表明， 水泥浆中的水灰比为0.38 时，凝固后的收缩率仅为3.6%；而水灰比为0.5 时的收缩率达6.4%。

（3） 在向上安装锚杆作业中，注浆后卸下注浆接头时所注的浆液难免从注浆孔和排气孔中漏掉一些（即使是卸下注浆接头时立即用一个小塑料塞堵住注浆孔或是锚杆孔)，这样锚杆孔中的下部就会因漏浆而有一段空腔， 或是因下边漏浆导致顶部的浆下落致使上边局部形成空隙， 造成注浆不饱满的缺陷， 锚杆体上没有被注浆体包裹的部位就会早早锈蚀。

（4） 大水灰比的纯水泥浆易于沉淀析水，在注浆作业中如不连续搅拌浆液， 很可能在某一时段将稀水注入锚杆孔，造成该根锚杆的失效。

（5） 大水灰比的注浆液很稀，现场注浆时工作条件差，稀浆又喷又淋，影响到操作工人的健康。经过多次试验， 若在砂浆制作过程中按照设计参数掺入河砂或者人工砂， 在现场注浆过程中很容易造成堵管，这样便增加了处理堵管的时间，一定程度上影响到注浆的及时性，不适用于TBM 快速施工工艺。因此，建议在TBM 施工中采用纯水泥浆。经过现场多次试验后，推荐的水灰比为0.32～0.38∶1，一般在0.34 左右比较合适，以这个水灰比搅拌出的注浆体较稠， 如用手抓一把握在手上再松开， 掌心朝下， 注浆液会从手掌向下挂下来而不会立即从掌心落下。以这个水灰比对锚杆注浆，拔下注浆接头后注入锚杆孔内的注浆液仅从注浆孔（或是排气孔）中流淌出一点儿而不掉下来，形状像奶油状，流淌长度2cm 左右； 若继续往外淌则表示注浆体水灰比过大，浆液偏稀。采用从杆体注浆的工艺要求注浆的水灰比一定要控制在上述要求范围内， 才可以实现注浆饱满效果。

六 结论

涨壳式锚杆在TBM 施工隧洞中顶拱部位（120°）的应用效果较好，能够起到及时、安全的支护作用，适应于TBM 快速施工的特性。TBM 施工中在隧洞开挖后及时施做该类型锚杆， 通过及时施加预应力， 迅速改变由于洞室开挖而造成的洞壁应力状态， 部分恢复其径向应力约束， 及时提供了支护抗力，增加了径向围压，改善了岩体的物理力学性能。通过后期中空注浆， 在进一步防止预应力损失及锚杆锈蚀的基础上，有效抑制和降低了岩爆的发生、发展，削弱了岩爆的破坏程度。经过现场的生产应用，该类型锚杆对岩爆段的预防、减少塌方段塌方具有一定的积极作用。

参考文献

[1] 程良奎,等，岩土锚固[M].北京:中国建筑工业出版社，2003

[2] 张全彪.锦屏二级水电站机械涨壳式预应力中空注浆锚杆施工技术. 水利水电技术,2008

[3] 张建均, 荣春堂.锦屏二级水电站涨壳式预应力中空注浆锚杆施工.水利发电，2008