压力钢管洞内运输锚点研究

边润娃

（中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东118000）

1 引言

大型的水电工程输水系统中一般均设置压力钢管承担输水任务。压力钢管的直径大，重量大，钢管的洞内运输，大多需要设置卷扬机系统进行运输，同时需要设置各种锚点对卷扬系统各设施进行固定，以满足施工需要。

2 锚点的概念

锚点是钢管运输卷扬机系统的固定点和受力点，以及滑轮组与土石工程结合点和锚固点。在钢管洞内运输系统中大体积、大吨位的钢管受洞室空间限制，在大部分工程中必须采用卷扬机系统进行钢管的运输。

3 锚点简介

3.1 锚点分类

锚点按设置的位置不同可分为：天锚、地锚和侧锚。天锚为卸车滑轮组固定点，地锚和侧锚则为转向、牵引用滑轮组固定点，以及卷扬机固定插筋。按使用功能不同可分为：卷扬机锚点、轨道锚点、导向锚点、卸车锚点和牵引锚点。

3.2 布置原则

锚点的布置位置根据车辆运输方向、钢管运输方向、支洞开挖尺寸、洞室结构、洞内岩石状况以及卷扬机具体位置确定。具体施工时，在洞室开挖施工结束后，开挖施工队伍及设备基本离场，在前期洞室开挖过程中进行锚点的施工最为合理，若锚点布置不足则很难补打。

3.3 常用布置位置

天锚作为起重滑轮组固定点，其布置位置包括：（1）施工支洞与引水隧洞交叉点洞顶中心，即洞内卸车点；（2）施工支洞封堵段外侧洞顶中心，即洞内卸车点；（3）竖井、上弯段上游侧洞顶中心，即设备安装锚点；（4）斜井轴线延长线与洞顶交汇处，即斜井钢管溜放锚点；（5）其他布置位置根据现场情况确定。在吊车等设备无法布置到达，必须进行装卸、起重作业的位置。

侧锚通常作为天锚点的辅助锚点，作为钢丝绳转向滑轮固定点，布置原则如下：（1）不影响车辆、设备通行；（2）不影响钢丝绳通过，不得在钢丝绳运行过程中有碰岩石情况；（3）锚固点岩石状况良好。

地锚布置位置通常包括：（1）卷扬机前方迎头位置，根据卷扬机卷筒宽度确定与卷扬机的距离确定；（2）钢丝绳中间转向位置作为洞内钢丝绳导向辅助地锚；（3）牵引滑轮位置主要指钢管安装位置前方牵引滑轮的固定地锚；（4）钢管临时固定点，通常作为斜井或是竖井钢管安装前的临时固定锚点；（5）卷扬机固定锚点，每台卷扬机均在卷扬机前后布置地锚，将卷扬机固定牢靠。

4 锚点锚杆强度设计与计算

锚点设计时，必须要对锚点的承载力进行计算校核，包括锚杆强度校核计算部分以及吊耳板等金属结构计算部分。其中，锚杆强度的计算在金属结构领域应用较少且已有的校核计算方法不太明确。

4.1 受力分析类别

根据锚点的受力特点，锚点的锚杆需要校核拉力与剪切力。

4.2 校核计算

锚点的锚杆型式为水泥砂浆锚杆，即黏结型锚杆。锚杆材料选用热轧带肋钢筋，在锚点设计时其拉力设计值计算考虑3 个部分：（1）锚杆的抗拉承载力；（2）锚杆与周围灌浆料（砂浆锚固体）之间的黏结力；（3）孔道灌浆料（砂浆锚固体）与岩体之间的黏结力。取其中的最小值作为锚杆抗拉力的设计值。

计算公式如下：

锚杆的抗拉承载力：

锚杆与周围灌浆料（砂浆）之间的黏结力：

孔道灌浆体（砂浆锚固体）与岩体之间的黏结力：

式中，Nd为锚杆轴向拉力设计值；La为锚固段长度；fmg为锚固段注浆体与地层间极限黏结强度标准值（如坚硬岩1.5～2.5MPa）；f′ms为锚固段注浆体与筋体间极限黏结强度标准值（如采用M30 水泥砂浆与普通钢筋的黏结强度设计值为1.35MPa）；D 为锚杆锚固段钻孔直径；d 为钢筋直径；K 为锚杆锚固段注浆体与地层间的黏结抗拔安全系数（如Ⅱ级临时锚杆1.6）；ξ 为多根钢筋黏结强度降低系数（不考虑）；ψ 为锚固段长度对极限黏结强度的影响系数（6～3m：1.0～1.3；3～2m：1.3～1.6）；n 为钢筋计算根数；fpy为钢筋抗拉强度设计值。

其中，螺纹钢筋锚杆直径根据GB/T 1499.2—2018《钢筋混凝土用钢第2 部分：热轧带肋钢筋》规定，抗拉力计算直径按公称尺寸计算。钢筋直径小于或等于36mm 的，取值均比公称直径小1mm 计算，大于36mm 的，取值比公称直径小2mm 计算。

由于剪切强度设计值取0.5 倍设计屈服强度，一般情况下，若剪切强度校核满足施工要求，则该锚杆即可使用，实际施工中锚杆受纯剪切力情况较少，校核验算中通常也要根据上述过程验算抗拉强度以保证安全。

4.3 举例计算

某工程中的压力钢管洞内卸车系统，经计算天锚的实际负荷为60t，卷扬机采用JM10，校核天锚及卷扬机固定插筋强度。

天锚型式为：φ32mm 的螺纹钢16 根，5.5m 长，打入岩体5.0m 长并用砂浆加固。锚杆材质为HRB400 螺纹钢，屈服强度标准值：400MPa、抗拉强度极限值：540MPa、断后伸长率≥16%，抗拉强度设计值：360MPa，钢筋直径按规范要求内径取整为31mm 为受力范围进行考虑。

天锚荷载计算如下：

因此，Nd=min（434,1186,1319）=434t。

其中，n=16，fmg=1.5MPa，ψ=1.0，d=35mm、La=5.0m。

卷扬机固定插筋：选取锚杆材质为HRB400、φ28mm 的螺纹钢，单根插筋抗剪计算：

按5 倍安全系数计算，抗剪强度为103/5=20.6kN。

计算中省略卷扬机产生的摩擦力等有利因素，可以计算10t 卷扬机需要的插筋数量不少于100/20.6≈5 根，即可满足要求。

4.4 载荷试验

锚杆的最大试验载荷取杆体极限抗拉强度标准值的75%或屈服强度标准值的85%中得较小值。或者根据使用需要，按起重机械载荷试验中，静载荷试验最大值，即设计拉力的1.25倍进行载荷试验。

5 结语

本文研究总结了在水电施工中，洞内有限空间内卷扬系统的锚点，布置及计算校核方法，可以解决金属结构施工人员在工作中遇到的部分问题，并在实际工作中经过了实践验证可以保证卷扬系统的安全运行。