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【摘 要】黄登水电站尾水调压室与连通上室交叉口设计采用450kN预应力锚杆进行支护，通过对450kN预应力锚杆施工工艺设计及实验数据分析，该新颖的支护方式具有独特的支护效果，有效地维持了交叉口围岩稳定，为类似工程薄弱区域支护提供了一个成功案例供施工参考。
【Abstract】The design of the intersection of tailrace surge chamber and connection upper chamber of Huangdeng hydropower station is to use 450kN prestressed rock bolt to support. Through the analysis of the construction technology design of 450kN prestressed rock bolt and the experimental data， we find that the novel support method has unique support effect， which effectively maintains the stability of the surrounding rock of intersection. And a successful case is provided for construction reference for the support of weak area of similar project .
【关键词】450kN；预应力锚杆；支护工程；应用
【Keywords】 450kN； prestressed rock bolt； support engineering； application
【中图分类号】U455.7+1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）07-0189-03
1 引言
在地下工程开挖过程中支护效果的好坏直接影响着施工安全，尤其在各洞室交叉的薄弱区域选择合适的支护方式尤为重要。450kN预应力锚杆作为当前新颖的支护方式，较普通125kN预应力锚杆具有独特的施工工艺和支护效果，能有效维持薄弱区域的围岩稳定，同时施工工艺较小吨位（600kN）锚索相对简单，能有效加快施工进度，且工程造价亦低于小吨位锚索，因此，对于450kN预应力锚杆在支护工程中的应用具有重要的研究意义。
2 工程概况及地质条件
黄登水电站位于云南省怒江州，其引水发电系统中的尾水调压室为地下带连通上室圆筒阻抗式，由2个圆筒式调压井组成，开挖直径为32.4～36.0m、衬砌后断面尺寸为φ30m，高80.5m，中心距为70m，尾调室间在1491.20m高程设连通上室，断面为城门洞型，开挖断面尺寸为13.9m×16.9m（宽×高）。
调压室区域地层主要为T3xd7、T3xd8变质火山角砾岩、变质火山细砾岩夹变质凝灰岩，微风化、未卸荷。勘探揭露的主要为Ⅲ级、Ⅳ级及Ⅴ级结构面。除断层外，尚有一些顺层挤压面发育，岩体中主要发育有两组节理，分别为N70°～90°W，NE∠70°～90°和N0°～20°E，SE（NW）∠60°～85°，其他节理随机出露，成组性差。地下洞室位于地下水位以下，洞室围岩为微透水岩体。
3 450kN预应力锚杆布置及参数
根据尾水调压室开挖支护蓝图，布置两排450kN预应力锁口锚杆Φ[email protected]×1.5m，L=9m，且尾水调压室洞室开挖时，根据开挖围岩揭露的岩质情况，增加随机450kN预应力锚杆，工程量总约为264根。其对应的具体参数如表1所示，结构如圖1所示：
4 450kN预应力锚杆施工要点
4.1 施工工艺流程
锚杆孔位放样→钻孔→清洗→锚杆加工制作→锚杆安装→锚固段灌浆→锚墩浇筑→张拉、锁定→张拉段灌浆→外锚头保护。
4.2 主要工序要点
4.2.1 锚杆造孔
锚杆钻孔采用QJY100B潜孔钻机进行钻孔，造孔直径为100mm。开孔前对孔径、孔位、孔向、角度进行复核，使之达到设计要求的程度。钻孔时，钻具应逐级加长，且对钻孔过程中的孔径、孔深、孔内情况进行详细记录，若在锚固段发现软弱岩层、出水、落钻等异常情况，要主动通知设计和监理单位，采取有效处理措施，以确保锚固段位于稳定岩层中。当造孔达到设计要求后，连续不断地用水和高压风彻底冲洗钻孔，直至孔口返出之风手感无尘屑，并做好孔口堵塞保护。
4.2.2 锚杆制作及安装
首先将9米长锚杆量出内锚段的长度并做出标记，在内锚段每隔1米设置一道对中支架，张拉段每隔2m设置一道对中支架，支架和锚杆用铅丝扎牢固；其次是锚杆锚固段和张拉段交接处需设止浆环，上倾角度锚杆锚固段安装一根PEφ25排气管和一根PEφ25灌浆管，灌浆管由孔口穿过止浆环200～500mm，排气管由孔口经张拉段穿过止浆环直至孔端头50cm以内；下倾角和平倾角锚杆锚固段安装一根PEφ25灌浆管，灌浆管由孔口经张拉段，穿过止浆环直至孔端头50cm以内。
锚杆安装主要采用人工进行安装，施工时，须按实际孔深、孔底预留深度及锚杆长度计算出外露长度，并做出明显标记，操作人员协调一致，均匀用力往孔里推，保证锚杆在孔内顺直不扭曲。锚杆孔口外需预留不小于50cm长度，以方便混凝土墩头、螺帽、张拉等工作进行。
4.2.3 预应力锚杆灌浆
灌浆采用GMS2008型灌浆自动记录仪。锚固段灌浆在锚杆入孔后即可施工，张拉段灌浆在外锚墩浇筑、张拉锁定后进行；内锚固段和张拉段注浆采用压力注浆，压力0.3MPa～0.5MPa，浆液为纯水泥浆，强度等级分别为M50、M25；在灌浆过程中，排气管回浓浆后立即以0.5 MPa压力闭浆，闭浆时间15min。如果灌浆量大于理论吸浆量，并且回浆比重不小于进浆比重，稳压15min，孔内不再吸浆，则灌浆结束。 4.2.4 锚杆张拉及锁定
预应力锚杆张拉程序为机具率定→外锚头混凝土强度检查→张拉机具安装→预紧→分级张拉→锁定。
在锚固段注浆体混凝土强度等级达到设计强度75%后，对预应力锚杆进行张拉，锚杆采用YCW-150型千斤顶进行张拉（实验锚杆采用1000kN锚索测力计检查张拉效果），张拉前先安装锁顶螺帽，再用连接套对锚杆进行连接接长，接长后安装螺帽保护套、千斤顶等，螺帽保护套是用来方便后期螺帽锁定的一个工具，整体由钢材制成，但在下方有预留缺口，待张拉完成后，人工通过缺口利用扳手进行锁定。张拉过程控制程序为：0kN→100kN→300kN→450kN锁定，除最后一级持荷时间为20min，其余每级张拉持荷时间均为5min，张拉在同一时间完成，否则应卸荷后依次张拉。该预应力锚杆的设计永存力为450kN，因此在张拉完成后人工先利用扳手锁定螺帽，再利用锚索测力计测定回弹力，并做好记录，反复循环，直至设计永存力为450kN。初次张拉按照设计永存力的105%进行，即495kN左右。且加荷、卸荷速率应平稳。张拉时，升荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.1；卸荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.2。
5 预应力锚杆实验数据分析
5.1 张拉理论长度计算
工艺实验前需要进行理论弹性伸长量计算。对应的计算公式为l=PL/EA（式中：L—锚杆的有效长度；锚固端至张拉锚具之间的距离，P—张拉应力，理论伸长量对应的是理论应力；E—钢材的弹性模量；A—钢材的断面面积），本次锚杆L取6000mm，P取0～450kN，A取804.2mm2，E取2.06×105N/mm2。
5.2 实验数据统计
通过450kN预应力锚杆工艺实验，对体现其支护效果的各项数据做了全面统计，对应的数据如表2、表3所示。
5.3 实验数据分析
根据实验锚杆张拉力数据分析，在液压千斤顶张拉力达到450kN时对应测力计的原始數据为479.87kN，考虑到人工锁定时对锚杆的应力，锁定完成后测力计数据为504.14kN，并在张拉完成3天后测力计数据降低为482.47kN，与原始数据基本保持不变且大于设计450kN，张拉力满足设计要求。根据实验锚杆伸长量数据对比分析，实验锚杆伸长量比理论值增量略大，主要由自由段的长度存在误差、千斤顶张拉锚具及夹片的变形及油压表的读数误差引起，整体情况比较理想，满足工艺施工要求。实现了450kN预应力锚杆在地下支护工程中的应用。
6 结语
在工程建设高速发展的今天，对于高边坡、深基坑及薄弱地段的施工安全、进度和成本越来越受重视，选择适合的支护方式很重要，450kN预应力锚杆较普通125kN预应力锚杆支护效果更强，更能保证施工安全；较小吨位（600kN）锚索工序更简单，更能保证施工进度和降低成本。通过实验分析，在450kN预应力锚杆施工过程中只要严格控制好锚杆造孔、锚杆制作安装、锚杆灌浆、锚杆张拉锁定的工序要点，450kN预应力锚杆的支护效果就能完美体现，其成功开辟了一种新的支护方式，可在高边坡、深基坑、薄弱地段及洞室交叉口推广使用，因此，分析450kN预应力锚杆施工工艺和支护效果具有重要意义。
【Abstract】The design of the intersection of tailrace surge chamber and connection upper chamber of Huangdeng hydropower station is to use 450kN prestressed rock bolt to support. Through the analysis of the construction technology design of 450kN prestressed rock bolt and the experimental data， we find that the novel support method has unique support effect， which effectively maintains the stability of the surrounding rock of intersection. And a successful case is provided for construction reference for the support of weak area of similar project .
【关键词】450kN；预应力锚杆；支护工程；应用
【Keywords】 450kN； prestressed rock bolt； support engineering； application
【中图分类号】U455.7+1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）07-0189-03
1 引言
在地下工程开挖过程中支护效果的好坏直接影响着施工安全，尤其在各洞室交叉的薄弱区域选择合适的支护方式尤为重要。450kN预应力锚杆作为当前新颖的支护方式，较普通125kN预应力锚杆具有独特的施工工艺和支护效果，能有效维持薄弱区域的围岩稳定，同时施工工艺较小吨位（600kN）锚索相对简单，能有效加快施工进度，且工程造价亦低于小吨位锚索，因此，对于450kN预应力锚杆在支护工程中的应用具有重要的研究意义。
2 工程概况及地质条件
黄登水电站位于云南省怒江州，其引水发电系统中的尾水调压室为地下带连通上室圆筒阻抗式，由2个圆筒式调压井组成，开挖直径为32.4～36.0m、衬砌后断面尺寸为φ30m，高80.5m，中心距为70m，尾调室间在1491.20m高程设连通上室，断面为城门洞型，开挖断面尺寸为13.9m×16.9m（宽×高）。
调压室区域地层主要为T3xd7、T3xd8变质火山角砾岩、变质火山细砾岩夹变质凝灰岩，微风化、未卸荷。勘探揭露的主要为Ⅲ级、Ⅳ级及Ⅴ级结构面。除断层外，尚有一些顺层挤压面发育，岩体中主要发育有两组节理，分别为N70°～90°W，NE∠70°～90°和N0°～20°E，SE（NW）∠60°～85°，其他节理随机出露，成组性差。地下洞室位于地下水位以下，洞室围岩为微透水岩体。
3 450kN预应力锚杆布置及参数
根据尾水调压室开挖支护蓝图，布置两排450kN预应力锁口锚杆Φ[email protected]×1.5m，L=9m，且尾水调压室洞室开挖时，根据开挖围岩揭露的岩质情况，增加随机450kN预应力锚杆，工程量总约为264根。其对应的具体参数如表1所示，结构如圖1所示：
4 450kN预应力锚杆施工要点
4.1 施工工艺流程
锚杆孔位放样→钻孔→清洗→锚杆加工制作→锚杆安装→锚固段灌浆→锚墩浇筑→张拉、锁定→张拉段灌浆→外锚头保护。
4.2 主要工序要点
4.2.1 锚杆造孔
锚杆钻孔采用QJY100B潜孔钻机进行钻孔，造孔直径为100mm。开孔前对孔径、孔位、孔向、角度进行复核，使之达到设计要求的程度。钻孔时，钻具应逐级加长，且对钻孔过程中的孔径、孔深、孔内情况进行详细记录，若在锚固段发现软弱岩层、出水、落钻等异常情况，要主动通知设计和监理单位，采取有效处理措施，以确保锚固段位于稳定岩层中。当造孔达到设计要求后，连续不断地用水和高压风彻底冲洗钻孔，直至孔口返出之风手感无尘屑，并做好孔口堵塞保护。
4.2.2 锚杆制作及安装
首先将9米长锚杆量出内锚段的长度并做出标记，在内锚段每隔1米设置一道对中支架，张拉段每隔2m设置一道对中支架，支架和锚杆用铅丝扎牢固；其次是锚杆锚固段和张拉段交接处需设止浆环，上倾角度锚杆锚固段安装一根PEφ25排气管和一根PEφ25灌浆管，灌浆管由孔口穿过止浆环200～500mm，排气管由孔口经张拉段穿过止浆环直至孔端头50cm以内；下倾角和平倾角锚杆锚固段安装一根PEφ25灌浆管，灌浆管由孔口经张拉段，穿过止浆环直至孔端头50cm以内。
锚杆安装主要采用人工进行安装，施工时，须按实际孔深、孔底预留深度及锚杆长度计算出外露长度，并做出明显标记，操作人员协调一致，均匀用力往孔里推，保证锚杆在孔内顺直不扭曲。锚杆孔口外需预留不小于50cm长度，以方便混凝土墩头、螺帽、张拉等工作进行。
4.2.3 预应力锚杆灌浆
灌浆采用GMS2008型灌浆自动记录仪。锚固段灌浆在锚杆入孔后即可施工，张拉段灌浆在外锚墩浇筑、张拉锁定后进行；内锚固段和张拉段注浆采用压力注浆，压力0.3MPa～0.5MPa，浆液为纯水泥浆，强度等级分别为M50、M25；在灌浆过程中，排气管回浓浆后立即以0.5 MPa压力闭浆，闭浆时间15min。如果灌浆量大于理论吸浆量，并且回浆比重不小于进浆比重，稳压15min，孔内不再吸浆，则灌浆结束。 4.2.4 锚杆张拉及锁定
预应力锚杆张拉程序为机具率定→外锚头混凝土强度检查→张拉机具安装→预紧→分级张拉→锁定。
在锚固段注浆体混凝土强度等级达到设计强度75%后，对预应力锚杆进行张拉，锚杆采用YCW-150型千斤顶进行张拉（实验锚杆采用1000kN锚索测力计检查张拉效果），张拉前先安装锁顶螺帽，再用连接套对锚杆进行连接接长，接长后安装螺帽保护套、千斤顶等，螺帽保护套是用来方便后期螺帽锁定的一个工具，整体由钢材制成，但在下方有预留缺口，待张拉完成后，人工通过缺口利用扳手进行锁定。张拉过程控制程序为：0kN→100kN→300kN→450kN锁定，除最后一级持荷时间为20min，其余每级张拉持荷时间均为5min，张拉在同一时间完成，否则应卸荷后依次张拉。该预应力锚杆的设计永存力为450kN，因此在张拉完成后人工先利用扳手锁定螺帽，再利用锚索测力计测定回弹力，并做好记录，反复循环，直至设计永存力为450kN。初次张拉按照设计永存力的105%进行，即495kN左右。且加荷、卸荷速率应平稳。张拉时，升荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.1；卸荷速率每分钟不宜超过设计预应力值的0.2。
5 预应力锚杆实验数据分析
5.1 张拉理论长度计算
工艺实验前需要进行理论弹性伸长量计算。对应的计算公式为l=PL/EA（式中：L—锚杆的有效长度；锚固端至张拉锚具之间的距离，P—张拉应力，理论伸长量对应的是理论应力；E—钢材的弹性模量；A—钢材的断面面积），本次锚杆L取6000mm，P取0～450kN，A取804.2mm2，E取2.06×105N/mm2。
5.2 实验数据统计
通过450kN预应力锚杆工艺实验，对体现其支护效果的各项数据做了全面统计，对应的数据如表2、表3所示。
5.3 实验数据分析
根据实验锚杆张拉力数据分析，在液压千斤顶张拉力达到450kN时对应测力计的原始數据为479.87kN，考虑到人工锁定时对锚杆的应力，锁定完成后测力计数据为504.14kN，并在张拉完成3天后测力计数据降低为482.47kN，与原始数据基本保持不变且大于设计450kN，张拉力满足设计要求。根据实验锚杆伸长量数据对比分析，实验锚杆伸长量比理论值增量略大，主要由自由段的长度存在误差、千斤顶张拉锚具及夹片的变形及油压表的读数误差引起，整体情况比较理想，满足工艺施工要求。实现了450kN预应力锚杆在地下支护工程中的应用。
6 结语
在工程建设高速发展的今天，对于高边坡、深基坑及薄弱地段的施工安全、进度和成本越来越受重视，选择适合的支护方式很重要，450kN预应力锚杆较普通125kN预应力锚杆支护效果更强，更能保证施工安全；较小吨位（600kN）锚索工序更简单，更能保证施工进度和降低成本。通过实验分析，在450kN预应力锚杆施工过程中只要严格控制好锚杆造孔、锚杆制作安装、锚杆灌浆、锚杆张拉锁定的工序要点，450kN预应力锚杆的支护效果就能完美体现，其成功开辟了一种新的支护方式，可在高边坡、深基坑、薄弱地段及洞室交叉口推广使用，因此，分析450kN预应力锚杆施工工艺和支护效果具有重要意义。