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摘要：本文通过预应力锚杆技术在水电站施工中获得成功运用后，预应力锚杆施工确定了有关施工参数，完善了施工工艺，验证了预应力锚杆支护效果，达到了良好的锚固效果，同时证明预应力锚杆施工速度快、质量优良，加强支护的成效好、在较短时间内稳定了边墙围岩，为后续开挖施工提供了有利的安全保障。
关键词：水电站；预应力锚杆；施工
0 引言
预应力锚杆技术是利用锚杆周围地层岩土的抗剪强度来传递结构的拉力或保持地层开挖面的自身稳定。由于锚杆的使用，使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的复合体，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移。预应力锚杆广泛应用于各类岩土体加固工程，如：岩土边坡加固、深基坑支护、混凝土坝加固、结构抗浮、抗倾覆，各种结构物稳定与锚固等。本文主要通过预应力锚杆技术在某水电站施工中的应用，为保证出口顺利下挖，采用了混凝土护壁和预应力锚杆相结合的措施进行支护加固。其中预应力锚杆采取“锚固段灌注速凝水泥卷式锚固剂、张拉段灌注缓凝砂浆、用扭力扳手进行张拉”的施工技术．利用内外段凝结时间差，实现了预应锚杆的快速张拉。经超声波无损检测，锚杆张拉段周边砂浆的密实度达90％以上。取得了良好的锚固效果。现对整个施工过程和技术要点进行详细介绍和总结。
1工程慨述
某水电站尾水主洞出口部位多为泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，受层间剪切呈破碎状，2号尾水洞洞脸部位节理裂隙发育，埋深小，左侧边墙受古河道深切影响，在已出露高程275 m左右的尾水洞出口部位可见局部岩壁厚度较薄，并且岩石呈中等偏强风化，卸荷裂隙多夹有黄泥，围岩稳定性问题比较突出。为保证施工期2号尾水隧洞出口在下挖过程中的稳定，采取混凝土护壁和预应力锚杆相结合的方式进行加固，在护壁墙与尾水隧洞之间按间排距2 m×2 m布置预应力锚杆，总工程量共117根，设计预应力值100 kN，锚杆规格Φ36。长度为12 m。
2施工方案优选
该工程预应力锚杆为端头锚固型黏结型式，参照水电站工地预应力锚杆施工的成熟经验，结合该工程现场实际情况，决定选用“速凝水泥卷式锚固剂+缓凝砂浆”的锚固体组合方案，即锚固段用锚固风枪注入水泥卷式锚固剂，张拉段灌注以缓凝锚固剂配制的缓凝砂浆，从而既能保证内外段的良好衔接又能实现快速张拉。预应力锚杆结构如图l所示。
圈1预应力锚杆结构示意图
3施工工艺及技术要求
3．1 工艺流程
预应力锚杆施工工艺流程如图2所示。
图2 预应力锚杆施工工艺流程
3．2 施工准备
3．2．1 材料准备
预应力锚杆施工所用材料主要有：速凝锚固剂、缓凝锚固剂、锚杆杆体及配套的锚具附件。
锚杆杆体为Φ36Ⅱ级20MnSi螺纹钢筋，采用无锈、顺直的整根钢筋加工；锚具附件包括钢垫板、球型垫圈和螺帽。预应力锚杆的加工制作包括杆体一端车丝、一端切角、焊接对中支架以及钢垫板加工等。其中，杆体端部车丝按购买的专用螺帽的丝牙参数进行，车丝长度30 cm，同时为减小插杆阻力，另一端需进行切角削尖。为保障锚杆保护层，在杆体上设置对中支架，每个对中支架采用4根Φ8、L=30 mm的圆钢点焊在杆体上，从杆体两端l m处开始设置，间距2．5m，呈梅花型共布置5组。孔口钢垫板采用普通钢板，其尺寸为25 cm×25 cm×2 cm，其内扎略大于锚杆直径即可。配套的球型垫圈和螺帽直接从专用厂家购买。
锚固剂选用特种建材厂生产的8604一K3型速凝水泥卷式锚固剂和8604一Ml型散装缓凝锚固剂，其主要性能指标见表1。
表l锚固材料主要性能指标
3．2．2设备准备
预应力锚杆施工设备主要有：徕卡TCl700全站仪1台、DQY-l地质罗盘1个、100B潜孔钻l台、MQ-30锚固风枪l把、TG-2000扭力扳手2把、空压机1台、注浆机l台、螺纹滚丝机l台。
3．2．3技术准备
预应力锚杆施工之前需进行相关准备工作：①钢筋力学性能检验，保证钢筋材质满足质壤要求；②速凝锚固剂和缓凝砂浆的初凝、终凝时间及强度的试验测定；③采用钢筋测力计对扭力扳手进行率定，绘制“力矩一张拉力”率定曲线图。
3．3 放样、钻孔
根据测量控制点按锚杆布置图进行孔位放样，用红油漆标明。锚杆孔向垂直于边坡，对于出露于边坡的顺坡向裂隙，则与裂隙方向垂直．设计孔深为12 m，孔径为Φ90 mm。固定好钻机后对准岩面上孔位标识下钻，孔位偏差不得大于10 cm，开钻时采用低压风小功率缓慢钻进，钻进50 cm后调整至正常风压和转速，在钻孔过程中用量角器控制钻杆竖直方向角，用地质罗盘控制钻杆水平方向角，角度偏差不得大于20，钻孔深度通过钻杆的长度标记控制，孔深误差要求在±10 cm以内，若超深则采取孔底堵塞的方法进行处理。锚杆孔钻进过程中，如遇塌孔或掉块难以钻进时，可先进行固结灌浆处理，然后继续钻进。钻孔结束后通过孔内钻杆钻具反复用风吹洗钻孔，待孔口没有钻渣和岩粉返出时方可停止，取出孔内钻具后用水泥袋临时堵塞保护。
3．4锚固段灌注
采用MQ-30专用锚固风枪以风动力通过插入孔内的Φ40 mmPVC注料管将锚固剂注入至锚固段。首先将锚固风枪与主风管和注料管连接好，根据锚杆孔深度和锚固段长度在注料管上相应位置用胶带做好标记，以便控制入孔深度，然后将注料管插入到孔底，通过锚固风枪采用风水联合法清洗钻孔，待钻孔清洗干净后将注料管从孔底向外拔出35 cm，即可开始用风枪向孔内注入锚固剂，药卷使用前先用水浸泡约l min左右，风枪压力控制在0．5～0．7 MPa。每装入1支锚固剂药卷即抠动风枪扳手向孔内注入1支锚固剂，同时将注料管向外拔出2cm左右，如此连续不断地向孔内注入锚固剂直到计划用量完成为止，同时注意检查锚固段长度，不足的要补满，完成后将注料管拔出孔外。
3．5 安插锚杆
速凝锚固剂注入完毕后，立即采用人工插入已加工制作好的锚杆，安插之前在杆体上绑扎好张拉段的进浆管，进浆管采用D20塑料管，距张拉段底端不大于50 cm，杆体外露长度20 cm。插杆操作要缓慢、匀速，切忌扰动杆体过大，要求在20 min内完成插杆作业。
3．6张拉段灌浆
预应力锚杆安插到位后应迅速进行张拉段缓凝砂浆的灌注。缓凝砂浆严格按照配合比准确配料，要求使用粒径不大于2．5 mm的中细砂。搅拌时间应不低于3 min，保证砂浆稠度适中、拌制均匀，根据现场施工强度控制拌浆量。注浆操作人员随着浆液的均匀注入缓慢拔管，原则上由注浆压力把注浆管慢慢挤出，注至孔口l m段时拔管速度应适当减缓。防止浆液流出．确保孔口段注浆饱满，最后用棉纱将孔口封堵密实。
3．7安装垫板、垫圈和螺帽
张拉段注浆完成后，即开始安装孔口钢垫板、球型垫圈和螺帽，并调整垫板位置使之与锚杆轴线垂直。若岩面平整度较差，采用球型垫圈也难以调平螺帽与垫板平行，可用手锤对岩面进行局部凿平或用适量速凝锚固剂垫平。
3．8 张拉锁定
锚杆的张拉锁定应在缓凝砂浆初凝前、速凝锚固剂强度达到20 MPa后进行。根据性能试验，8604一K3型速凝水泥卷式锚固剂浸水后30 min初凝，4 h强度达到20 MPa以上，而8604一M1型缓凝锚固剂砂浆10 h以后初凝。结合现场施工强度，控制在锚杆安插后4～8 h之内进行张拉。张拉前用活动扳手对螺帽进行预紧，保证托板紧贴岩面后，用鋼板尺测量螺帽外杆体长度。张拉采用扭力扳手加载，一次张拉至设计张拉力的110％(110 kN)，然后锁定杆体，再次测量杆体张拉后螺帽外杆体长度。两次测量长度之差即为张拉伸长值。
预应力锚杆张拉按照伸长值与张拉力双控指标进行控制，按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》的验收要求，从50％拉力设计值到最大荷载之间的张拉伸长值应该超过自由段长度理论伸长值的80％，且小于自由段长度与1／2锚固段长度之和的理论弹性伸长值，根据材料力学公式计算可得杆体理论伸长值允许范围为3～6 mm。
4施工质量控制要点
(1)锚固剂是预应力锚杆的关键材料，必须按进场批次进行抽样检测，经品质检验合格后方可使用，存放时使用支架堆放，防止受潮结块。
(2)钻孔必须满足设计要求的孔径、孔深和倾角，采用适宜的钻孔方法控制偏差、确保精度，以便后续的灌注作业和杆体安插能够顺利进行。
(3)严格控制锚固剂药卷的浸泡时间，过短会导致水未浸透，影响锚固力，过长则会造成过分稀释，粘聚力下降；严格控制锚固剂的用量，防止锚固段灌注不密实，或是锚固剂进入到张拉段。
(4)张拉是预应力锚杆施工成败的关键环节，必须严格控制在锚固段与张拉段凝结时间差之内完成张拉作业。扭力扳手的预设刻度应根据率定曲线准确设定，张拉时通过螺帽与钢垫板之间的球型垫圈调节传力方向，保证张拉力的方向与锚杆杆体一致。扭力扳手每张拉50根锚杆需要重新率定1次，以保证其精度。
5 结语
该工程采取锚固段灌注速凝水泥卷式锚固剂，张拉段灌注缓凝砂浆的方法，利用内外段凝结时间差实现了预应力锚杆的快速张拉。采用锚固风枪注入锚固剂药卷，能够准确地控制注入数量，且锚固剂药卷浸泡后稠度较大，不易流动，使锚固段灌注质量得到了有效保证。采用缓凝锚固剂配制的缓凝砂浆，大幅延长了张拉段的凝结时间，既保障了张拉作业，又达到了较强的后续锚固封闭作用。经超声波无损检测，张拉段预应力锚杆周边砂浆的密实度平均达90％以上，锚固效果优良，较好地稳定了尾水主洞洞口不稳定围岩，为尾水隧洞出口下挖施工提供了良好的支护保证。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：水电站；预应力锚杆；施工
0 引言
预应力锚杆技术是利用锚杆周围地层岩土的抗剪强度来传递结构的拉力或保持地层开挖面的自身稳定。由于锚杆的使用，使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的复合体，使其能有效地承受拉力和剪力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移。预应力锚杆广泛应用于各类岩土体加固工程，如：岩土边坡加固、深基坑支护、混凝土坝加固、结构抗浮、抗倾覆，各种结构物稳定与锚固等。本文主要通过预应力锚杆技术在某水电站施工中的应用，为保证出口顺利下挖，采用了混凝土护壁和预应力锚杆相结合的措施进行支护加固。其中预应力锚杆采取“锚固段灌注速凝水泥卷式锚固剂、张拉段灌注缓凝砂浆、用扭力扳手进行张拉”的施工技术．利用内外段凝结时间差，实现了预应锚杆的快速张拉。经超声波无损检测，锚杆张拉段周边砂浆的密实度达90％以上。取得了良好的锚固效果。现对整个施工过程和技术要点进行详细介绍和总结。
1工程慨述
某水电站尾水主洞出口部位多为泥质粉砂岩或粉砂质泥岩，受层间剪切呈破碎状，2号尾水洞洞脸部位节理裂隙发育，埋深小，左侧边墙受古河道深切影响，在已出露高程275 m左右的尾水洞出口部位可见局部岩壁厚度较薄，并且岩石呈中等偏强风化，卸荷裂隙多夹有黄泥，围岩稳定性问题比较突出。为保证施工期2号尾水隧洞出口在下挖过程中的稳定，采取混凝土护壁和预应力锚杆相结合的方式进行加固，在护壁墙与尾水隧洞之间按间排距2 m×2 m布置预应力锚杆，总工程量共117根，设计预应力值100 kN，锚杆规格Φ36。长度为12 m。
2施工方案优选
该工程预应力锚杆为端头锚固型黏结型式，参照水电站工地预应力锚杆施工的成熟经验，结合该工程现场实际情况，决定选用“速凝水泥卷式锚固剂+缓凝砂浆”的锚固体组合方案，即锚固段用锚固风枪注入水泥卷式锚固剂，张拉段灌注以缓凝锚固剂配制的缓凝砂浆，从而既能保证内外段的良好衔接又能实现快速张拉。预应力锚杆结构如图l所示。
圈1预应力锚杆结构示意图
3施工工艺及技术要求
3．1 工艺流程
预应力锚杆施工工艺流程如图2所示。
图2 预应力锚杆施工工艺流程
3．2 施工准备
3．2．1 材料准备
预应力锚杆施工所用材料主要有：速凝锚固剂、缓凝锚固剂、锚杆杆体及配套的锚具附件。
锚杆杆体为Φ36Ⅱ级20MnSi螺纹钢筋，采用无锈、顺直的整根钢筋加工；锚具附件包括钢垫板、球型垫圈和螺帽。预应力锚杆的加工制作包括杆体一端车丝、一端切角、焊接对中支架以及钢垫板加工等。其中，杆体端部车丝按购买的专用螺帽的丝牙参数进行，车丝长度30 cm，同时为减小插杆阻力，另一端需进行切角削尖。为保障锚杆保护层，在杆体上设置对中支架，每个对中支架采用4根Φ8、L=30 mm的圆钢点焊在杆体上，从杆体两端l m处开始设置，间距2．5m，呈梅花型共布置5组。孔口钢垫板采用普通钢板，其尺寸为25 cm×25 cm×2 cm，其内扎略大于锚杆直径即可。配套的球型垫圈和螺帽直接从专用厂家购买。
锚固剂选用特种建材厂生产的8604一K3型速凝水泥卷式锚固剂和8604一Ml型散装缓凝锚固剂，其主要性能指标见表1。
表l锚固材料主要性能指标
3．2．2设备准备
预应力锚杆施工设备主要有：徕卡TCl700全站仪1台、DQY-l地质罗盘1个、100B潜孔钻l台、MQ-30锚固风枪l把、TG-2000扭力扳手2把、空压机1台、注浆机l台、螺纹滚丝机l台。
3．2．3技术准备
预应力锚杆施工之前需进行相关准备工作：①钢筋力学性能检验，保证钢筋材质满足质壤要求；②速凝锚固剂和缓凝砂浆的初凝、终凝时间及强度的试验测定；③采用钢筋测力计对扭力扳手进行率定，绘制“力矩一张拉力”率定曲线图。
3．3 放样、钻孔
根据测量控制点按锚杆布置图进行孔位放样，用红油漆标明。锚杆孔向垂直于边坡，对于出露于边坡的顺坡向裂隙，则与裂隙方向垂直．设计孔深为12 m，孔径为Φ90 mm。固定好钻机后对准岩面上孔位标识下钻，孔位偏差不得大于10 cm，开钻时采用低压风小功率缓慢钻进，钻进50 cm后调整至正常风压和转速，在钻孔过程中用量角器控制钻杆竖直方向角，用地质罗盘控制钻杆水平方向角，角度偏差不得大于20，钻孔深度通过钻杆的长度标记控制，孔深误差要求在±10 cm以内，若超深则采取孔底堵塞的方法进行处理。锚杆孔钻进过程中，如遇塌孔或掉块难以钻进时，可先进行固结灌浆处理，然后继续钻进。钻孔结束后通过孔内钻杆钻具反复用风吹洗钻孔，待孔口没有钻渣和岩粉返出时方可停止，取出孔内钻具后用水泥袋临时堵塞保护。
3．4锚固段灌注
采用MQ-30专用锚固风枪以风动力通过插入孔内的Φ40 mmPVC注料管将锚固剂注入至锚固段。首先将锚固风枪与主风管和注料管连接好，根据锚杆孔深度和锚固段长度在注料管上相应位置用胶带做好标记，以便控制入孔深度，然后将注料管插入到孔底，通过锚固风枪采用风水联合法清洗钻孔，待钻孔清洗干净后将注料管从孔底向外拔出35 cm，即可开始用风枪向孔内注入锚固剂，药卷使用前先用水浸泡约l min左右，风枪压力控制在0．5～0．7 MPa。每装入1支锚固剂药卷即抠动风枪扳手向孔内注入1支锚固剂，同时将注料管向外拔出2cm左右，如此连续不断地向孔内注入锚固剂直到计划用量完成为止，同时注意检查锚固段长度，不足的要补满，完成后将注料管拔出孔外。
3．5 安插锚杆
速凝锚固剂注入完毕后，立即采用人工插入已加工制作好的锚杆，安插之前在杆体上绑扎好张拉段的进浆管，进浆管采用D20塑料管，距张拉段底端不大于50 cm，杆体外露长度20 cm。插杆操作要缓慢、匀速，切忌扰动杆体过大，要求在20 min内完成插杆作业。
3．6张拉段灌浆
预应力锚杆安插到位后应迅速进行张拉段缓凝砂浆的灌注。缓凝砂浆严格按照配合比准确配料，要求使用粒径不大于2．5 mm的中细砂。搅拌时间应不低于3 min，保证砂浆稠度适中、拌制均匀，根据现场施工强度控制拌浆量。注浆操作人员随着浆液的均匀注入缓慢拔管，原则上由注浆压力把注浆管慢慢挤出，注至孔口l m段时拔管速度应适当减缓。防止浆液流出．确保孔口段注浆饱满，最后用棉纱将孔口封堵密实。
3．7安装垫板、垫圈和螺帽
张拉段注浆完成后，即开始安装孔口钢垫板、球型垫圈和螺帽，并调整垫板位置使之与锚杆轴线垂直。若岩面平整度较差，采用球型垫圈也难以调平螺帽与垫板平行，可用手锤对岩面进行局部凿平或用适量速凝锚固剂垫平。
3．8 张拉锁定
锚杆的张拉锁定应在缓凝砂浆初凝前、速凝锚固剂强度达到20 MPa后进行。根据性能试验，8604一K3型速凝水泥卷式锚固剂浸水后30 min初凝，4 h强度达到20 MPa以上，而8604一M1型缓凝锚固剂砂浆10 h以后初凝。结合现场施工强度，控制在锚杆安插后4～8 h之内进行张拉。张拉前用活动扳手对螺帽进行预紧，保证托板紧贴岩面后，用鋼板尺测量螺帽外杆体长度。张拉采用扭力扳手加载，一次张拉至设计张拉力的110％(110 kN)，然后锁定杆体，再次测量杆体张拉后螺帽外杆体长度。两次测量长度之差即为张拉伸长值。
预应力锚杆张拉按照伸长值与张拉力双控指标进行控制，按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》的验收要求，从50％拉力设计值到最大荷载之间的张拉伸长值应该超过自由段长度理论伸长值的80％，且小于自由段长度与1／2锚固段长度之和的理论弹性伸长值，根据材料力学公式计算可得杆体理论伸长值允许范围为3～6 mm。
4施工质量控制要点
(1)锚固剂是预应力锚杆的关键材料，必须按进场批次进行抽样检测，经品质检验合格后方可使用，存放时使用支架堆放，防止受潮结块。
(2)钻孔必须满足设计要求的孔径、孔深和倾角，采用适宜的钻孔方法控制偏差、确保精度，以便后续的灌注作业和杆体安插能够顺利进行。
(3)严格控制锚固剂药卷的浸泡时间，过短会导致水未浸透，影响锚固力，过长则会造成过分稀释，粘聚力下降；严格控制锚固剂的用量，防止锚固段灌注不密实，或是锚固剂进入到张拉段。
(4)张拉是预应力锚杆施工成败的关键环节，必须严格控制在锚固段与张拉段凝结时间差之内完成张拉作业。扭力扳手的预设刻度应根据率定曲线准确设定，张拉时通过螺帽与钢垫板之间的球型垫圈调节传力方向，保证张拉力的方向与锚杆杆体一致。扭力扳手每张拉50根锚杆需要重新率定1次，以保证其精度。
5 结语
该工程采取锚固段灌注速凝水泥卷式锚固剂，张拉段灌注缓凝砂浆的方法，利用内外段凝结时间差实现了预应力锚杆的快速张拉。采用锚固风枪注入锚固剂药卷，能够准确地控制注入数量，且锚固剂药卷浸泡后稠度较大，不易流动，使锚固段灌注质量得到了有效保证。采用缓凝锚固剂配制的缓凝砂浆，大幅延长了张拉段的凝结时间，既保障了张拉作业，又达到了较强的后续锚固封闭作用。经超声波无损检测，张拉段预应力锚杆周边砂浆的密实度平均达90％以上，锚固效果优良，较好地稳定了尾水主洞洞口不稳定围岩，为尾水隧洞出口下挖施工提供了良好的支护保证。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。