自由式拉压复合型预应力锚索在边坡处理中的应用

自由式拉压复合型预应力锚索在金河水电站厂房后边坡处理中的应用岩体锚索由内锚固段（内锚根）及自由段（张拉段）两部分组成，施加在锚索上的荷载可由锚固段的顶端向下传递，亦可底部向上传递，这取决于锚索在内锚固段内的锚固方式。比较传统的拉力型，是将锚索直接埋置在水泥浆体内，靠彼此间的粘接传递拉力，锚固段的应力分布很不均匀，锚索周围灌浆体处于受拉状态，因而拉伸裂缝和剥离现象首先在顶端出现。另一种是压力型，由于锚索与灌浆体完全拖开，荷载是通过锚索直接传递到锚固段底部锚板上，然后由锚板向上推压灌浆体并传递给周围岩体。在这种情况下，灌浆体受压，锚固段的应力分布仍很不均匀，因此，本文提出的拉压复合型就是将上述两种锚固方式联合应用，使锚固段的应力分部趋于均匀，并使最大应力值明显减小，因而在施加荷载条件下，灌浆体内的裂缝或剥离现象有可能不出现或很少出现，增加了锚固效果及防腐蚀系统的可能性，此外，它还可以提高锚索的锚固性能、降低施工成本。1拉力型、压力型和复合型锚荷载及应力分布特性及比较（1）荷载沿锚索长度方向的分布为了量测预应力锚索沿锚固段长度上的实际荷载分布，分别按照拉力型、压力型和复合型三种模型进行室内弹性模拟试验，结果表明：①在相同荷载作用下，拉力型是锚固段顶端荷载最大，向下逐渐减小，至锚固段底部几乎为零。压力型的锚索与灌浆体完全脱开，所以顶端和底部的荷载完全相同，荷载通过锚索直接传递至底部锚板上，然后由锚板推压灌浆体并传递给周围岩体。②压力型与拉力型恰好相反，荷载的传递主要集中在锚固段的下部。③复合型与上述两种锚固方式完全不同，首先是锚固段顶部荷载最大，向下逐渐减小，直到底部锚板仍有荷载。说明沿锚固段长度上锚索传给灌浆体再传给周围岩体；然后是传至底部锚板上的部分荷载，由锚板推压灌浆体再传给岩体，由此可见，复合型锚固方式使荷载分散作用于整个锚固段长度上，而不是集中作用于上部或下部，因而改善了锚固段的应力状态。（2）应力在灌浆体和锚索孔岩壁间的传递①拉力型通过室内弹性模型试验，拉力型锚索的锚固段的剪应力呈倒三角形分布，顶端最大，为应力集中区，向下迅速减小，当顶端交界面上的剪应力超过它的抗剪强度，就出现剪切破坏，最大剪应力则向下转移，由此可以说明当拉力型锚索承载后，从灌浆体到四周岩基的荷载转是以拉剪方式传递的，主要承载部位在锚固段顶部以下几米内。由于顶部剪切力过大常出现剥离现象。同时，锚索受拉力，锚孔壁亦受拉伸，因而锚索周围灌浆体处于受拉状态进而出现拉伸缝，因而影响锚固性能和永久防腐效果。②压力型由于荷载是由锚固段下端的锚板向上推压灌浆体传递给基岩的，所以锚固段孔壁的应力与拉力型相反。交界面上的剪应力是底部最大，向上逐渐减小，呈正三角形分布，同时，锚固段孔壁中心方向受压缩，底部最大，向上逐渐减小。室内弹性试验也表明，当锚索承载后，从灌浆体到四周基岩的荷载转移是以压剪方式传递的，主要承载部位是以上几米内，锚索周围灌浆体受压缩，因而不会出现拉伸裂应力区，由于底部锚索孔内灌浆体受力很大，允许应力问题值得考虑，特别在低强度岩体内易致使锚固体压裂而破坏。③拉压复合型拉压复合型锚索摆脱了锚固体应力集中分布情况，使沿锚固段交接面上的剪应力分布趋于均匀，锚孔岩壁底部压应力最大，向上逐渐减小，并转为拉应力，其最大拉应力也减小一半。当锚索承载后，从灌浆体到四周岩基的荷载转移是以压剪方式传递的，而上部仍以拉剪方式传递，主要承载部位大致均匀地分布在整个锚固段上，因而锚固效果更好，增强了锚固寿命，同时根据分析还可以得出：锚索的埋置长度越短，越能发挥其粘接阻力作用，因而还可缩短锚固段长度。（3）拉压复合型锚索的结构设计拉压复合型锚索是在传统拉力、压力型锚索基础上，利用承载板上部裸钢绞线与浆体的粘接力承受拉力，而承载板下部有PE管保护的无粘接钢绞线与浆体的粘接承受压力，这样使得锚固体内既有受拉部位，又有受压部位，从而整个锚固体内应力及锚固体与周围岩石间的粘接摩阻应力分布比较均匀，应力峰值大幅度降低。其大致结构组成为：高强度无粘接钢绞线、挤压头、锚板、托板等，2工程概况金河水电站厂房后边坡覆盖层深30m左右，岩石强风化，卸荷强烈，稳定性较差，为保证边坡在开挖及电站运行过程中的安全稳定，设计采用2000KN级预应力锚索进行加固处理。预应力锚索分3排布置，共59根，深度50m。第一排锚索19根，间距5m，高程3141．50m；第二排锚索20根，间距5m，高程3131．50m；第三排锚索20根，间距5m，高程3121．50m。锚固段要求位于弱风化弱卸荷岩体内，见图1。预应力锚索型式采用自由式拉压复合型结构，其结构见图2。该锚索为单孔多锚头结构，有3个及以上锚头，每个锚头分别承载一定荷载，总锚固力沿锚固段长度进行分散分布，减少了单位面积上的围岩应力，改善了应力集中的状况，对工程的长效锚固起到了重要作用。根据锚索吨位不同，自由式拉压复合型预应力锚索锚头数目及组合结构亦不同。该锚索采用拉压复合型结构，使锚固段应力分布基本趋于均匀，对复杂及软弱地层适应性强。3自由式拉压复合型预应力锚索施工工艺金河水电站厂房后边坡覆盖层采用跟管护壁钻进，基岩采用冲击器冲击回转钻进，相应的自由式拉压复合型预应力锚索施工工艺流程如下：（1）2000KN锚索孔基本设计技术参数孔径锚孔俯角锚固段长度锚索孔深度钻孔开孔偏差φ135mm15°10m50m（由于预应力锚索的锚固段必须位于弱风化弱卸荷岩体内，故锚索孔深度根据实际钻孔揭示的地质条件进行了调整）±20cm（2）造孔施工①由于我国地域辽阔，东西南北地质构成差异极大，锚固施工地质条件十分复杂。在我国西部及东南沿海的山区，山高路险，交通运输十分不便，设备大多数是在人工搭建的脚手架上进行施工，给施工设备的搬迁运输造成了极大的困难；另一方面，长期造山运动形成了大量的裂隙破碎地层，古滑坡及松散堆积体地层等，在这些复杂地层中施工时，极易发生钻孔坍塌，卡钻埋钻等孔内事故，施工设备及机具在这些复杂的负载下极易受到损伤。因此在这些复杂地质条件下进行工作的锚固钻机及机具必须具备以下优良性能：a、锚固钻机具有较大的扭矩输出，有一定的储备系数，能够克服钻孔内复杂的钻进负载变化及卡钻现象。b、具有较大的提升能力，当孔内出现掉块、坍塌等复杂现象时，能够采取强力起拔措施处理，防止卡钻、埋钻事故的发生。c、具有较大的调速范围，适应在土层、岩层不同地层条件下采用不同钻进方法时满足回转速度变化的需要。d、具有较长的给进行程，这一点对提高钻进效率和采用跟管钻进方法很重要，一般给进行程不小于1．8～2m。e、具有最轻的重量和便利的分解组装性能，对于交通不便的山区和高边坡锚固施工，不仅可减轻在设备搬迁时的劳动强度，还减少了辅助作业时间，有利于提高施工综合效率。f、拧卸钻具的机械化程度要高，具有在较大负荷状态下机械拧卸钻具，减轻劳动强度。g、钻机具有较好的导向性能，便于保持钻孔的直线度。钻机应具有较好的工艺适应能力，能满足常规回转钻进、风动潜孔锤钻进、螺旋钻进、跟管钻进等多种钻进工艺方法的需要。h、钻机及钻具的可靠性能要好，能经受复杂地层负载变化的考验，便于维护保养。液压马达、泵机及换向操作阀，是钻机核心部件。②山梁堆积体处于蠕滑变形阶段，抢险加固工程要求短期内控制坡体变形量，并最终达到稳定，对工期要求相当高。而成孔效率高低对提高预应力锚索锚固工程进度、尽快稳定坡体起到关键作用。但山梁预应力锚索孔钻孔施工难度非常大，主要有以下难点：a、钻孔质量技术指标要求高。要求钻孔孔位偏差≤10cm，钻孔轴线方位角偏差≤2．5°，孔斜度设计水平下倾5～10°，孔斜允许偏差≤孔深的1％，孔深不小于设计并不超深20cm，孔径不小于设计要求。为保证坡体的相对稳定，不允许采用液体作为冲洗介质。b、地层复杂。堆积体是由弱、微风化花岗片麻岩块石、孤石岩块组成骨架，岩块坚硬完整，可钻性级高；骨架之间充填碎石质土、碎石，软弱破碎；坡体整体结构松散，且局部有架空现象。地层的软硬不均、易塌孔掉块（该类地层，大斜度钻孔孔壁稳定本身就很差）、冲洗介质漏失量大等均会造成钻进和成孔极其困难。c、施工条件恶劣。由于地形复杂、山高坡陡，必需在高排架上施工，由于抢险工程施工期限要求短，进场施工的队伍、设备很多，造成施工场地狭窄拥挤，设备搬迁频繁。③施工工艺及钻机设备选择a、施工工艺针对施工难点，覆盖层采用以风动潜孔冲击器跟管钻进工艺为主的施工方法，其优点在于钻进效率高，能避免塌孔掉块、孔壁漏风现象，尽可能防止钻孔弯曲度过大、卡钻埋钻等事故。基岩的造孔方法采用风动潜孔锤冲击回转钻进。b、钻机设备选择鉴于钻进中孔底情况复杂多变，工艺参数调整频繁，跟管钻进深度大，以及施工条件受限，对钻机的性能要求就高。覆盖层选择全液压动力头式YG－80型锚固工程钻机，钻机特点是：⒈钻机为分体式结构，钻机主机可以分为钻进机架、液压动力泵站及操纵台三大部分。钻机可拆性好，搬迁、安装迅速方便；并可远距离操纵，一次搬迁完成多孔施工；操作员工工作环境好，劳动强度低。⒉钻机钻进能力强，适用范围广；钻孔速度快，处理事故能力强，钻进效率高。⒊钻机动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻机及钻具。⒋钻机液压马达、泵、快速接头采用国际名牌产品。其它主要部件优选国内名优产品，使整机性能稳定、可靠、寿命长。钻机易损件的标准化、系列化程度高，互换性好。⒌钻机机架前部设有上下调节立柱及哈夫，可调节桅杆高低，施工时对孔位快捷方便。钻进能力钻进深度：80～100m；钻进孔径：Φ130～220mm；起拔力：45KN；给进力：30KN钻机性能输出转速：0～160rpm，0～60rpm；额定输出扭矩：3500N·m；给进行程：1800mm；动力功率：30KW；钻孔变幅角度：0～360°；常用钻杆规格：Φ89×1500mm，Φ114×1500mm；钻机质量：1700Kg基岩的造孔设备：MGY100A型锚固钻机。机具：φ168偏心跟管钻具，φ89钻杆，φ168套管（波形扣连接），大吨位液压拔管机CIR110冲击器配套钻具；c、主要施工设备及机具序号设备名称设备型号单位数量1螺杆式空压机VHP750台22锚固钻机YG－80台2MGY－100A23钻杆Φ89米2×704套管Φ168米2×1005偏心跟管钻具Φ168套2×46跟管管靴Φ168只2×107潜孔冲击器QCW－100套5QCW－1505④YG－80锚固钻机造孔工艺a、安装钻机设备，校正孔位，并校正钻机钻孔方位和倾角（利用钻机自身的钻孔倾角调节装置把钻机倾角调到钻孔的设计倾角并固定）。b、开孔。采用QCW－150冲击器配Φ185mm钻头裸孔钻进，开孔口径大些，跟管时易跟进，开孔孔斜易控制，一般开孔深度5～8m，且采用中、低风压的动力。c、偏心钻头跟管钻进：采用QCW－100冲击器配Φ168偏心钻头（偏心公转直径Φ172～Φ178）跟Φ168套管钻进穿过堆积体。在施工过程中，根据需要选用不同的偏心钻具，遇较厚破碎松散地层，使用两件套偏心钻头（导正器＋偏心钻头），通过速度较快，但遇坚硬孤石时，由于钻头负荷大且受力不匀，钻头损耗大，寿命短。一般采用三件套偏心钻头（导正器＋偏心钻头＋中心钻头）钻进，具有钻进效率高，以及钻头在孔底受力较均衡，对预防钻孔偏斜和提高钻头寿命大有好处等优点。由于堆积体厚度大，套管跟进最大达65m，跟管深的钻孔，管靴、套管以及钻具的损耗都很大，为了保证顺利成孔，考虑到这些材料的使用寿命，当跟管到一定深度，采取了多次起钻、拔管的手段，检查管靴、套管以及钻具的使用情况，如有损坏及时更新。d、潜孔锤裸孔钻进：跟管钻进穿过堆积后，改用QCW－100冲击器配Φ138钻头钻进。如遇岩体裂隙发育，钻进中塌孔或漏风严重，采取固壁灌浆处理后钻进。e、在整个的成孔施工过程中，为避免埋钻、卡钻的事故发生，做到勤倒杆，反复捅孔吹洗，尽量把孔内的岩粉和岩渣充分排尽。为避免钻孔弯曲，在容易孔斜地层中钻进注意控制进尺速度。f、钻进到设计孔深后，用高压风彻底冲洗钻孔。⑤MGY－100A锚固钻机造孔工艺a、用同径常规钎头先造孔1m左右，为跟管钻进提供定位和导向作用。