地下厂房顶拱永久支护1500kN双层保护预应力锚索的施工

李纯太刘贵岭

摘要 小浪底地下厂房是小浪底众多地下工程中工程量最大、施工难度也最大的工程项目，针对地下厂房特殊的地质条件，地下厂房提供永久支护采用1500kN双层保护预应力锚索施工，通过长期观测表明，厂房顶拱在现有支护条件下围岩表面与深层变形达到稳定，地下厂房顶拱的锚索施工是成功的。

关键词 地下厂房顶拱支护预应力锚索

小浪底地下厂房是小浪底众多地下工程中工程量最大、施工难度也最大的工程项目，也是我国在砂岩不良地质条件下开凿的最大的地下厂房。
针对小浪底地下厂房处于“水平岩层、垂直节理、泥化夹层”这一特定的地质条件，对地下厂房顶拱采用了下列支护设计。系统张拉锚杆为φ32mm@1.5m，L=6m/8m交叉布置；钢筋网为 8mm 0.25m×0.25mxO.25m；喷射混凝土为20Cm厚，设计强度25MPa。325根长25m的1500kN预应力锚索，间排距 4.5m×6.Om(主厂矿房、安装间)、6.0mx6.0m(副厂房)。厂房锚索布置见图1。

地下厂房顶拱开挖高度为9.05m，断面分5块，首先将25mx2.5m的探洞扩大为6.2m宽的中导洞，两边扩挖宽(5m十5m)的断面，而后对上下游(5m+5m)的保护层进行开挖。为减少锚索安装与厂房顶拱开挖施工的干扰，在顶拱北端中部3块开挖60m时，锚索开始安装，中部4行锚索安装至南端后，再返回从北端进行上下游各2行(副厂房各1行)锚索的安装。

图1 厂房锚索布置图
a) 主厂房地产 b)副厂房

1. 钢筋网喷混凝土；2. 张拉锚杆 32@3.0，L=6m/8m；3.1500kN预应力锚索@4.5mx6.0m，L=25m；4. 顶拱中心线；5.1500kN预应力锚索@6.0mx6.0m，L=25m。注：①块宽度为6.2m，②③④和⑤块宽均为5m。

一、1500kN预应力锚索的结构与制作

　　厂房顶拱所用锚索为无黏结预应力锚索，它的结构特点是在每根钢绞线的自由段钢绞线表面涂有防腐剂和润滑剂，并套有塑料套管，使钢绞线与被锚固的岩体不发生黏结，因而整个自由段全长能够长久地保存传递应力，并可随时调整预应力大小。

DYWIDAG预应力锚索由德国DSl公司生产，1500kN预应力锚索由10股0.6英寸钢绞线组成，每股钢绞线由7根高强度钢丝绞成，钢绞线直径15.24mm，截面面积140mm²。钢绞线力学性能符合美国规范ASTM A416-90a要求，屈服强度1670MPa，极限抗拉强度1860MPa。锚索设计工作荷载1900kN。考虑顶拱变形产生的附加荷载，锁定荷载定为1000kN。

　　DYWIDAG预应力锚索采用双层保护。在锚固段，灌入的水泥浆呈碱性，且不含C1^-，水泥浆是钢绞线的第一个保护层；波纹管可防止有害气体
和地下水沿浆液结石的细小裂缝侵入到钢绞线表面，是钢绞线的第二层保护。在自由段，每股钢绞线外面的塑料套管和防腐剂，代替水泥浆的保护作
用，对钢绞线防腐更为有益。

　　预应力锚索由内锚固段、自由段和外锚头三部分组成，其结构如图2所示。

图2 1500kN预应力锚索结构

1.可拆卸钢帽；2．承压板(300mmx300mmx40mm)；3．混凝土垫墩；4．端部排气管；5．塑料定位架；6. 对中环；7. 塑料端帽；8. 钢绞线(Φ15.24)；9．端部注浆口；10．锚固板(Φ220)；11. PVC内支架(Φ148)；12. 灌浆管；13．锚索孔(Φ165)；14. HDPE波纹管(Φ)；15.排气孔；16.排气孔/注浆孔；17. 钢绞线(Φ 87，10x36°)；18. 钢套管

　　内锚固段长度由预应力全部传递给围岩所需的长度决定，厂房顶拱安装1500kN预应力锚索内锚固段的长度为6m和8m两种。

　　外锚头由混凝土垫墩、钢套管、锚头板和钢帽组成。

　　锚索制作是在30mxlOm制作车间内完成。包括内锚固段清洗，定位架设置，整根锚索用波纹管套装，对中环安装，锚索波纹管内部靠近孔口端
80cm和孔底部50cm范围内，在车间预先注入水泥浆等等。

二、厂房顶拱锚索施工

　　锚索安装程序如图3所示。

图3 锚索施工流程图

1．混凝土预制块安装

　　用锚杆将预制块固定在预定锚索的安装位置，预制块与岩面之间用水泥浆填实。

2．钻孔

　　按照设计角度采用Atls Copoc Mustang A52-CB型液压钻机进行钻孔，钻孔的反方向应通过地下厂房顶拱圆弧的圆心，且与厂房轴线方向垂直，并且还要保证钻头推进器在承压板导向套筒中央。

3．预压力灌

　　因厂房顶拱岩石有软弱夹层存在，为避免软弱夹层遇水引起泥化，故不进行压水试验。根据钻孔情况判定锚固段岩石的好坏来确定是否进行预压力灌浆。

4．运输

　　现场锚索具备安装条件时，将制作好的锚索运往工地，25m长的锚索放在运输车上，运输车用5个两轮小平车组成，两车之间铰接，用小汽车或
拖拉机牵引，该运输车行走、转弯都较方便。

5．锚索安装

　　锚索安装前先检查孔壁内是否残留水泥浆，如影响锚索安装，则需重新钻孔，以使锚索安装时孔壁无阻塞。

　　用尼龙绳把一根钢丝绳绑扎在锚索索体上，每隔lm绑扎一下。用风动卷扬机通过安装在孔口的滑轮牵引丝绳，逐步把锚索送入孔内。锚索外端用于张拉的一段钢绞线放入一端封闭的钢管内，钢管用两个手动葫芦牵引，使钢管固定在混凝土垫墩的两钢筋上，安装一根锚索大约需1小时。

6．灌浆

　　灌浆分为塞体灌浆和锚索索体灌浆。锚索固定后，用泡胶封填了孔口波纹管与孔壁之间的空隙，待泡沫胶凝固后进行孔口lm段水泥灌浆，作为锚索索体灌浆时的止浆塞。孔口lm段灌浆称为塞体灌浆。

　　塞体浆液达到一定强度后，开始进行锚索索体灌浆，波纹管内外同时从低处注浆管进行灌浆，待高处排气管排出的浆液不含气泡，关闭排气管继续缓慢加压，待加压力突然上升时停止灌浆，并稳定10分钟，以便浆液充填全部钻孔空隙。

7．锚索张拉

　　当锚索灌浆浆液结石抗压强度大于30MPa时才能进行锚索张拉，一般在锚索灌浆10天后可以进行锚索张拉。张拉程序按合同《技术规范》的规定进行。

　　合格后荷载降至1000kN进行锁定。张拉锁定后切除钢绞线，安装外锚钢帽，钢帽内注满水泥浆用于防腐。

8. 预应力锚索锚固力的观测

　　通过预埋的锚索测力计测定锚固力变化情况，以评价锚索工作状况。

三、几点体会

1．锚固段长度的选择

　　锚固段长度选择取决于：锚索钢绞线与水泥结石之间的黏结强度；水泥浆结石与波纹管之间的握裹强度；锚固体与岩壁之间的黏结强度，在保证水泥浆抗压强度达到30MPa时，锚索锚固段长度主要取决于锚索锚固体与岩壁之间的黏结强度。我们选用的锚固段长度为6m和8m两种。

2．锚索二次张拉

　　DYWIDAG预应力锚索自由段长期保持自由状态，在外锚头用于张拉的钢绞线切除之前，如发现张拉或锁定荷载不当，则可用液压千斤顶进行二次张拉并重新锁定。

3．锁定荷载的选取

　　锁定荷载的选取可根据地质情况使之大于或小于设计荷载。1500kN锚索原锁定荷载为1650kN，后根据情况改为1000kN。

4．锚固力观测成果

　　预应力锚索测力计用来监测锚索预应力损失和预应力效果，锚固力测值则是锚索预应力损失和预应力效果的综合反映。

　　至2003年底锚索测力计已工：作7年多，从测试成果来看，9只测力计均显示出锚索张力的稳定。从在相应观测断面埋设的9只多点位移计测试成果来看，测孔孔口位移均在3mm以内，目前各测点位移速率为零或接近于零，与埋设测力计所测成果相吻合。由此表明厂房顶拱在现有支护条件下围岩表面与深层变形达到稳定。

　　厂房顶拱1500kN预应力锚索埋设后锚固力损失较小，说明锚索埋设安装、锁定是成功的，目前处于正常工作状态。

(作者单位：小浪底工程咨询有限公司，李纯太为教授级高级工程师，刘贵岭为高级工程师)
责任编辑李计初

　