大洞径导流洞出口高边坡锚索锚固质量优化控制研究

张金龙

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530028）

锚索技术主要由英国、澳大利亚等发达国家率先用于巷道防护工程，对于支撑较差的围岩条件，具有很好的效果[1]。通常通过提高支护强度和刚度，来达到拉力锁住锁死效果，在山体断层带、破碎带以及各类水工构筑物通道口两侧（如水电站导流洞）边坡支护方面开始大规模应用[2]。中国自20世纪60年代引进该项技术以来，已经在港航、边坡治理、建筑基坑支护、隧洞开挖支护等工程领域广泛应用[3]。锚索与锚杆的共同使用，也为在更大规模工程实体上采用该技术奠定了基础，该文将从质量控制方面对锚索在大洞径导流洞高边坡施工中的应用进行分析。

1 预应力锚索锚固及优化措施

1.1 出口高边坡岩体破裂机制

旭龙水电站采用两条高低分布的导流洞进行江水导流，导流洞出口边坡开挖底板高程2131m，开口线顶部最高高程约为2270m，最大坡高约139m，开挖坡比1∶0.3，由现场探明导流洞出口高边坡共分布12个小型危岩体。为更好地控制锚索锚固质量，需要结合工程地质分析导流洞出口高边坡的岩体破裂机制。通过该破裂规律，应用该规律减小对锚索施工时对岩体产生的扰动[4]。由上述分析已经知道，旭龙水电站导流洞出口高边坡分布有12类小型危岩体，危岩体由于其稳定性较差，主要以碎石、块石为主构成整体岩面结构，其破裂性质较为活跃，当出现较大含水量时，容易降低整体岩体相互嵌挤作用发生破裂，滑移风险较大[5]。

此外，对高边坡大量发育的弱卸荷岩体，由于风化严重，其力学性能极低，处于极易破裂状态，当向岩体内施加锚索锚杆时，滑动风险显著提升[6]。在岩体内部不断运动过程中，逐渐会形成变形的蠕滑效应[7]，即缓慢的积蓄动能，在瞬间突然爆发的结构崩塌或破裂的岩体运动行为。通过对出口高边坡的该特性进行分析。得到岩体可能产生的破裂机制，主要是缓慢形成蠕滑效应，对于锚索施工最为核心的关键技术点就是对锚索钻孔时最大限度的减轻对岩体的扰动，避免出现蠕滑效应。

高边坡的破裂围岩应力分布主要有塑性、弹性和破裂3个部分，对于锚索锚固，将直接与围岩密贴接触，其扰动所产生的应力服从破裂应力分布形态，因此根据Hoek-Brow准则，可以得到高陡边坡的围岩破裂应力的力学模型如公式（1）所示。

式中：mc、sc为岩石的强度参数；σs为岩石抗压强度；σθ为围岩破裂应力；σr为岩石基本应力。

另一个指标是确定破裂区半径，用Rc表示。利用弹性应力在破裂形态下具有塑性屈服状态，整个围岩弹性应力与塑性应力趋于一致。如公式（2）所示。

公式（2）说明了高陡边坡围岩在破裂区范围内的应变值的影响关系，εr为破裂形态下弹性应变；而εθ为破裂形态下的塑性应变。二者范围通过破裂区半径影响下的屈服达成统一，G、μ、λ分别为剪变模量、泊松比以及塑性应变参数。在破裂状态下，也即锚索在进入边坡岩体后发生扰动，产生蠕滑效应后，λ取0。公式（2）转化为弹性范围应力应变关系方程。而α为锚索进入岩体后的扰动半径，定义P0为在该锚索打入后完全不受扰动的围岩应力交界点应力。从理论上考虑，高边坡发育的大量弱卸荷岩体容易出现弹塑性的形变，公式（2）能够解释并分析该形变，而实际工程施工中，围岩形变并不会真的发生塑性变形。也即塑性应变参数λ通常为0，从而出现εr=εθ。因此，无须考虑塑性和破裂两个阶段的应力状态。

1.2 内外双锚锚索锚固技术

在考虑岩石上进行高边坡的锚索施工质量并确保锚固不会扰动岩体产生蠕滑效应，现场施工过程中创新出一种打入岩体后，内外双锚的锚索锚固技术。这种双锚锚索结构一共分为3个部分：分别是孔内锚固段、中间自由段和孔口外锚固段，中间自由段通过安装套管的方式进行与岩体隔绝，形成所谓自由活动的部分。

在该锚索锚固技术中，当外部锚固段失效，其可以产生反向锚固作用，使得整体锚索处于自锁状态，从而最大限度的保证岩体整体稳定不受扰动。内外双锚锚索结构示意简图如图1所示。

图1 内外双锚锚索结构示意图（单位：mm）

双锚锚索开始施工后，需要对锚索各工序环节进行质量控制。先对成孔及注浆进行控制[8]。利用成孔检测仪器对钻孔进行成孔检测孔径、孔深、倾斜度、方位角偏差。得到测试结果见表1。

表1 锚孔成孔检测统计表

通过以上15个孔道的检查记录，表明锚孔成孔质量较为良好，各项检测合格率均在90%以上，成孔质量良好，不会对岩体造成扰动破坏。

通过内外双锚的锚固技术，整个高边坡的锚索支护变成一个会经历二次受力的有机结构体，其锚固质量由该结构体的受力特征决定，通过模型的假设得到如图2、图3所示的2个阶段的受力模型。对该项目部进行有关现场试验。

图2 锚索受力第一阶段模型

图3 锚索受力第二阶段模型

测试锚索的拉应力以及对围岩的影响程度，如图4 所示。从图4可以看出：当锚索锚固张拉来到设计值500kN时，注浆体内部应变规律与普通拉力型锚索相同，最大压应变位于内锚固段靠近孔口处，约450με，且压应变从内锚头靠近孔口处向深部5m范围内快速衰减；此外，在卸载阶段，按照100kN一个级别，共经历3个阶段：卸载到400kN→卸载到300kN→卸载到200kN。3个阶段中，最后阶段卸载至200kN产生的应变最大，峰值达到1000～1100με，锚索所在位置主要在距离锚头2m左右，该处更多的产生应变是由于高边坡所释放的拉应力值相对最大，锚索距离越长，整体的应力值衰减越多，从而表征的应变趋于减弱，当达到距离锚索锚固段6m左右时，将达到整体平衡，应变趋向于0。

图4 锚索受力过程应变分布

通过这两个阶段的受力，锚索将与高边坡的岩体完整拉在一起，不会发生相对错位；只要预应力张拉能够保证张拉值达到并保持住基本允许值，不会发生预应力损失，则整个内外双锚锚索锚固就不会发生质量问题，在锚固锚头向内深入2m是整个锚索拉住高边坡岩体的主要应变区域，综上所述，蠕滑效应有且仅有在此段区域发生。

为进一步判断在锚索实施预应力张拉时可能存在的质量问题（例如预应力损失），对锚索的安装，预应力钢束的张拉长度等进行对比，选取现场高边坡区域中的6束内外双锚锚索进行对比试验可以得到常规锚索安装与内外双锚的锚索施工2种预应力钢束张拉工况对比参数表见表2。

表2 锚索安装对比参数表

表2试验结果表明：常规方式锚索存在位移伸长量不稳定，伸长量偏差大，位移收敛时间较长的情况；同时会由于锚固施工对岩体造成扰动，会触发前述内容所说蠕滑效应。综合反映问题如下，对于锚索质量控制，通过内外双锚锚索锚固技术效果将好于常规安装定位的方式。

2 锚索锚固优化措施

在采用了内外双锚的施工技术后，其安装势必也会带来一些质量问题，因此严控锚索安装质量，在锚索锚固段增设“锚索反向定位固定环”是该文提出的主要技术思路。由于锚索安装位置处于锚孔正中，反向定位固定环不会出现明显位置偏差，且定位稳固。该文总结了以下2种质量控制方法：1）现场配合比设置不出现偏差，M40水泥砂浆严格按照设计配比拌制，配制合格率须达到100%，强度检测合格，现场浆液配制质量才会提升。2）锚索安装前对钻孔重新进行通孔检查，对塌孔、掉块清理干净或处理，不得欠深，对孔内沉渣用高压风吹干净。然后在该基础上增设锚索反向锚固叉，在锚索波纹管外侧沿轴线方向每间隔3m套设一个反向定位固定环，其结构如图5所示。

图5 锚索反向定位固定环

通过以上亮点优化技术，对高边坡现场1#-7#不同长度内外双锚索锚固张拉伸长量数据进行跟踪记录，得出统计结果见表3。

表3 现场内外双锚控制优化后锚索张拉伸长量统计

由表3可以得出：各孔位锚索张拉均能达到设计张拉控制力，且过程中均未出现异常情况。按照相关规范要求，锚索实测伸长量与设计值偏差应控制在-5%～10%内，通过改良优化后，各孔位锚索张拉实际位移伸长量与设计位移伸长量偏差被控制在±5%内，锚索锚固质量得到大范围提升；整体导流洞出口高边坡的施工质量达到可控范围。

3 结论

该文以大洞径导流洞出口高边坡支护问题为切入点，研究了在脆弱岩体上施工锚索并锚固到位的质量保证措施。主要有如下3点结论。1）锚索锚固需要结合高边坡岩体整体工程地质性态进行分析，对于极易产生岩体破裂的高边坡施工预应力锚索，需要特别考虑蠕滑效应的影响，该效应对于锚索施工以及整个边坡支护的安全稳定与质量控制将产生较大影响。2）研究采用了内外双锚施工技术，对其受力阶段进行分析，得出了在施工高边坡条件下，内外双锚施工能够更好地控制锚索锚固质量，并提出了2次注入砂浆的方式进行锚固段灌浆压实。3）采用设置反向定位固定环将有效提升内外双锚锚索锚固的施工质量，对于岩体较易受扰动的高边坡尤其适用。对于锚索锚固伸长量需要进行有效控制，超出允许值范围的锚固都将对边坡整体稳定带来质量隐患。