三峽永久船閘高強(qiáng)錨桿的應(yīng)用與研究

摘要：在三峽雙線五級(jí)船閘主體段的4面直立墻上實(shí)施的9.3萬根高強(qiáng)錨桿,是錨固技術(shù)上的一大發(fā)展。它解決了直立坡巖體與薄襯砌鋼筋混凝土墻的連接和襯砌墻的穩(wěn)定，同時(shí)解決了巖體與襯砌墻間因溫度變形差異而引起的剪切變形問題。對(duì)高強(qiáng)錨桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、相應(yīng)的工藝技術(shù)及效果研究作了介紹。

關(guān)鍵詞：三峽船閘；高強(qiáng)錨桿；施工技術(shù)；效果；研究 

1 概述

　　長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程雙線連續(xù)五級(jí)船閘，位于長(zhǎng)江左岸壇子嶺北側(cè)，其軸線方向?yàn)?10°，主體段長(zhǎng)1607 m。船閘修建在花崗巖山體中深切開挖的深槽之中，開挖最大邊坡高176m，上部為斜坡段，下部閘首及閘室為直立坡段，直立坡最大坡高68.5m，雙線船閘間保留寬60m、高45～68 m的直立坡巖體隔墩。閘室采用薄襯砌鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)，厚1.5～2.4m，墻體混凝土通過高強(qiáng)錨桿與巖體連接。

　　雙線五級(jí)船閘四面直立坡總面積約25.6萬m2，布置9.3萬根高強(qiáng)錨桿，這些錨桿具有加固直立坡巖體、維持閘室段薄襯砌鋼筋混凝土墻的連接作用；并在船閘運(yùn)行期，當(dāng)襯砌墻在閘室泄水后或檢修工況下，承受水壓力時(shí)，保證其穩(wěn)定。在閘首部位，錨桿兼有控制巖體變形，以確保人字門擋水功能的作用。因此，高強(qiáng)錨桿的應(yīng)用能否滿足工程要求，是備受關(guān)注的問題，也是工程施工的難題之一。

　　2 高強(qiáng)錨桿的結(jié)構(gòu)及布置

　　2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　高強(qiáng)錨桿鉆孔為水平孔，孔徑為76mm，桿體為32mm的Ⅴ級(jí)高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，其結(jié)構(gòu)由灌注于巖體內(nèi)的內(nèi)錨段、澆筑于混凝土內(nèi)的外露段以及兩者之間的自由段等三部分組成。內(nèi)錨段設(shè)10mm鋼筋的圓圈托架，外露段端部設(shè)置錨墊板，自由段經(jīng)防腐處理安裝橡膠套管保護(hù)。高強(qiáng)錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

　　圖1 高強(qiáng)錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

　　2.2 錨桿布置

　　高強(qiáng)錨桿的布置形式是根據(jù)水壓力的分布形態(tài)布置的，總體原則是上疏下密、上長(zhǎng)下短，沿垂直向分3檔布置。

　　閘首按高度的不同有兩種布置形式，第1種為與下閘室相接部位，錨桿長(zhǎng)度為9m、11m和13m，排距1.5m，孔距1.5m，外露端長(zhǎng)為2.5m；第2種為與上閘室相接部位，錨桿長(zhǎng)度為8m、10m和12m，排距1.2m、1.5m和1.5m，孔距2.0m，外露端長(zhǎng)為1.45m、1.75m和2.05m。

　　閘室錨桿長(zhǎng)度為8m、10m和12m，排距1.35～1.5 m、1.5～1.8m和1.8～2m，孔距1.3～2m、2m、2m，外露段長(zhǎng)為1.45m、1.75m和2.05m。

　　3 受力特點(diǎn)及材質(zhì)性能

　　3.1 高強(qiáng)錨桿的受力特點(diǎn)

　　3.1.1 抗拉強(qiáng)度

　　高強(qiáng)錨桿在船閘運(yùn)行期，當(dāng)襯砌墻在閘室泄水后或檢修時(shí)，受透水壓力、溫度及自重荷載作用，單根錨桿可能要承受600kN抗拉荷載。

　　3.1.2 適應(yīng)剪切變形

　　船閘高強(qiáng)錨桿是錨固直立坡巖體，連接和加固薄襯砌混凝土墻的桿體。在直立坡巖體和薄襯砌混凝土墻間，存在著溫度荷載作用下的差異形變所形成的剪切應(yīng)力和變形，最大剪切位移5mm。因此，高強(qiáng)錨桿必須具有適應(yīng)剪切變形功能。

　　3.2 材質(zhì)性能

　　根據(jù)錨桿在控制工況下，滲透水壓力的作用強(qiáng)度計(jì)算分析，單根錨桿應(yīng)具有承受340MPa荷載的能力，再加上溫度變形差異而引起的剪切變形，錨桿要承受的荷載承受荷載更大。因此普通鋼材的錨桿桿體已很難滿足穩(wěn)定船閘結(jié)構(gòu)的要求。經(jīng)調(diào)研論證，設(shè)計(jì)采用32mm的Ⅴ級(jí)高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋作為桿體，其力學(xué)性能指標(biāo)為：屈服強(qiáng)度≥800MPa，極限抗拉強(qiáng)度≥1000MPa，伸長(zhǎng)率≥6%，冷彎90°不出現(xiàn)裂紋，鋼筋表面不得有結(jié)疤和橫向裂紋。

　　4 施工工藝

　　4.1 造孔

　　雙線五級(jí)船閘，直立坡高45～68.5m，高強(qiáng)錨桿布設(shè)于直立坡上，月生產(chǎn)強(qiáng)度7000余根，高峰期強(qiáng)度高達(dá)13 000余根。為解決高直立坡、高強(qiáng)度的鉆孔條件，采用搭設(shè)鋼管排架的方案。

　　高強(qiáng)錨桿鉆孔為水平孔，終孔孔徑為76mm，孔斜率為2°[FS:PAGE]～4°，孔深和孔位誤差小于10cm。解決高強(qiáng)錨桿鉆孔技術(shù)，關(guān)鍵是解決鉆孔的設(shè)備問題。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有鉆機(jī)雖能滿足鉆孔的要求，但進(jìn)尺慢、耗風(fēng)量大，很難適應(yīng)高強(qiáng)度、高速度施工的需要。針對(duì)錨桿鉆機(jī)的現(xiàn)狀，我們研制了一種新型的DCZ型錨桿鉆機(jī)。DCZ錨桿鉆機(jī)與其它錨桿鉆機(jī)有兩大改進(jìn)，一是用孔外頂錘代替孔內(nèi)潛孔錘，增大了單次沖擊能1～3倍；二是用電馬達(dá)代替了風(fēng)馬達(dá)，降低了耗風(fēng)量。經(jīng)多次試驗(yàn)比較鉆孔進(jìn)尺由原來2～6m/h提高到7～10m/h。在錨桿鉆孔施工中采用以DCZ型鉆機(jī)為主，其它鉆機(jī)為輔的施工方案。

　　4.2 自由段防腐處理

　　4.2.1 防腐技術(shù)要求

　　1）自由段范圍內(nèi)表面除銹達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)

　　表面清潔度達(dá)到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB8923-88）中規(guī)定的Sa2等級(jí)，表面粗糙度應(yīng)在60～80μm的范圍內(nèi)。

　　2）噴涂材料及涂裝道數(shù)和厚度

　　噴鋅材料的粒徑為2～3mm，純度為99.99%。封閉材料采用BW9355型改性環(huán)氧防腐涂料，干膜厚度不得低于200μm。噴鋅2道，總厚度120～180μm，封閉層的干膜總厚度不小于400μm。面漆的顏色為灰色。

　　3）橡膠套管主要性能控制指標(biāo)

　　橡膠套管主要性能控制指標(biāo)見表1。

表1 橡膠套管主要性能控制指標(biāo)表

　　4.2.2 工藝流程及技術(shù)

　　1）試驗(yàn)流程

　　自由段除銹處理→噴鋅→涂料封閉→橡膠套管保護(hù)

　　2）除銹

　　高強(qiáng)錨桿自由段采用噴砂除銹。噴砂除銹在封閉式車間內(nèi)進(jìn)行，風(fēng)采用經(jīng)過冷干機(jī)凈化的壓縮空氣。噴砂磨料是經(jīng)過調(diào)配的棱角鋼砂，平均粒徑為0.5～1.5mm。噴砂風(fēng)壓為0.5MPa。除銹后，表面清潔度及粗糙度均達(dá)設(shè)計(jì)要求。

　　3）噴鋅

　　噴鋅工藝采用先進(jìn)的熱噴方法——電弧噴涂。噴鋅設(shè)備為XDP-5型電弧噴涂機(jī)，噴鋅材料為3mm鋅絲。在噴鋅作業(yè)過程中，噴槍噴距10～20cm，噴角0°～15°，噴槍移動(dòng)速度12～18cm/s。更換噴涂面時(shí)，應(yīng)有1/3寬度的重疊噴涂帶，噴壓不低于0.4 MPa。

　　4）涂料封閉

　　涂料封閉采用人工單根分兩次涂刷，先涂刷低粘度BW9306涂料作底層涂漆，然后再涂BW9355作為面層涂漆，封閉效果好，且表面光滑平整。

　　5）橡膠套管生產(chǎn)及保護(hù)工藝

　　根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)橡膠保護(hù)套管材料性能要求，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上沒有符合這種性能橡膠管。為了解決橡膠保護(hù)套管，建設(shè)四方一起到機(jī)械工業(yè)部武漢材料保護(hù)研究所請(qǐng)教，并委托武漢材料保護(hù)研究所試驗(yàn)和提供配方，由武漢市國(guó)營(yíng)武漢膠管廠試生產(chǎn)。廠家生產(chǎn)的橡膠管，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，再投入生產(chǎn)使用。（具體生產(chǎn)檢驗(yàn)性能見表1）。

　　保護(hù)橡膠管的安裝工藝很簡(jiǎn)單，安裝要求是待漆膜固化后，套上橡膠管，兩端用高壓絕緣帶綁扎牢固，并密封好。

　　6）檢測(cè)器具及方法

　　表面清潔度的檢查采用10倍放大鏡和光線進(jìn)行檢查鑒定。表面粗糙度的檢查方法，采用儀器測(cè)量法和樣塊對(duì)比法。噴鋅和涂料封閉厚度檢測(cè)，采用BC-100A杠桿測(cè)厚儀、德國(guó)產(chǎn)PENTEST厚度測(cè)試筆，探針式千分表和齒式濕膜測(cè)厚儀等儀器檢測(cè)。

　　4.3 錨固段灌漿技術(shù)

　　4.3.1 灌漿泵及配合比

　　灌漿泵選用150/15型砂漿泵，該泵輸送砂漿水平距離200m，垂直距離40m，流量150l/min，拌和均勻，連續(xù)性能好。砂漿強(qiáng)度為R28300#，砂漿配合比分別對(duì)水∶水泥∶砂=0.38∶1.0∶1.0。外加劑用量，AEA膨脹劑為水泥重量的8.7%，JG-2型減水劑為水泥和AEA膨脹劑用量的0.5%。水泥為525#普通硅酸鹽水泥，砂為天然河砂或人工砂，最大粒徑不大于2.5mm

　　4.3.2 灌漿方法及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

　　灌漿采用了孔口封閉和循環(huán)灌漿的方式。灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)選用達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定壓力，孔內(nèi)不吸漿，回漿管回漿濃度比重與進(jìn)漿管濃度比重一致后，抬高回漿管高于孔口2m綁扎固定后結(jié)束灌漿。

　　4.4 組裝和安裝

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錨桿的組裝，采取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)組裝間，對(duì)錨固段桿體進(jìn)行除銹去污，安裝對(duì)中圓圈托架，綁扎進(jìn)漿管和回漿管。

　　錨桿的安裝，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及要求進(jìn)行控制。錨桿由工人運(yùn)送到安裝現(xiàn)場(chǎng)，利用施工排架安裝手拉葫蘆將錨桿垂直運(yùn)送到安裝位置，輔以人工安裝。安裝時(shí)主要控制兩項(xiàng)指標(biāo)，孔外自由段長(zhǎng)度及錨桿的外露長(zhǎng)度。錨桿的安裝分排分區(qū)測(cè)量拉線控制，自由段長(zhǎng)度按不小于20cm進(jìn)行控制和調(diào)整；外露段長(zhǎng)度按小于外端邊線5～10cm進(jìn)行控制。

　　4.5 外露段的保護(hù)和埋設(shè)

　　高強(qiáng)錨桿外露端的保護(hù)主要采用橡膠套管進(jìn)行封閉措施進(jìn)行保護(hù)。

　　高強(qiáng)錨桿外露端錨墊板的安裝，選擇在混凝土塊號(hào)準(zhǔn)備時(shí)安裝。固定錨墊板的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過多種結(jié)構(gòu)比較，最后選定錨墊板內(nèi)側(cè)上普通螺帽，外側(cè)上墊片和YCW-32螺帽的固定結(jié)構(gòu)。

　　4.6 套接技術(shù)

　　為了解決高強(qiáng)錨桿由于地質(zhì)缺陷處理超挖部位和后期施工過程中受不確定因素作用造成外露段長(zhǎng)度不夠或斷折，不能滿足要求等問題，施工中引進(jìn)冷擠壓套筒技術(shù)。

　　在引進(jìn)冷擠壓套筒技術(shù)中，對(duì)套筒長(zhǎng)度為260mm，8道壓痕套筒接頭，其擠壓連接套筒參數(shù)見表2。

表2 錨桿連接擠壓參數(shù)推薦表

　　5 效果研究

　　由于船閘最大直立墻高強(qiáng)錨桿受力復(fù)雜以及對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和運(yùn)行安全具有關(guān)鍵性作用。因此，在施工過程中，根據(jù)錨桿各組成部分的受力特點(diǎn)進(jìn)行了針對(duì)性的研究。

　　5.1 錨固段效果

　　錨固段的效果研究，主要進(jìn)行常規(guī)拉拔檢測(cè)和反復(fù)拉拔試驗(yàn)。常規(guī)拉拔檢測(cè)對(duì)3根錨桿進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，拉拔荷載分級(jí)施工，最大張拉荷載為600kN。拉拔結(jié)果表明，在600kN張拉荷載作用下，桿體均處于彈性裝態(tài)，卸荷后桿體和砂漿均未出現(xiàn)不可恢復(fù)變形。具備600kN的抗拉能力和承載能力。

　　反復(fù)循環(huán)張拉試驗(yàn)，對(duì)3根錨桿進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)的張拉，每一個(gè)循環(huán)的張拉荷載按300kN、450kN和600kN分級(jí)加荷。3根錨桿在安裝時(shí)，分別在孔內(nèi)0.2m、0.7m、1.2m、2.0m、3.0m、4.0m和5.7m處安裝應(yīng)變片，通過應(yīng)變片測(cè)出桿體各部位的受力狀況，其錨桿的受力狀況及影響深度見表3。

表3 反復(fù)張拉最大荷載作用下錨桿應(yīng)力單位/Mpa

　　① 每一循環(huán)按300kN、450kN和600kN加荷。

　　② 本表只匯總每根試驗(yàn)錨桿最大一級(jí)張拉荷載作用下應(yīng)力分布。

　　結(jié)果顯示，錨桿在反復(fù)循環(huán)荷載作用下，錨桿的應(yīng)力及影響的特征是：錨桿應(yīng)力隨加載循環(huán)次數(shù)增加，不斷向孔內(nèi)傳遞。第一次循環(huán)在600kN張拉荷載作用下，孔深0.2m處錨桿的平均應(yīng)力595.28MPa，最大應(yīng)力679.70 MPa；在第三次循環(huán)荷載作用下，錨桿應(yīng)力影響深度一般在0.7～1.2m的范圍內(nèi)，最大應(yīng)力330.8 MPa，平均應(yīng)力180.23 MPa。結(jié)果同時(shí)顯示，隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加，錨桿應(yīng)力的影響深度增加，并有滯后張拉荷載的現(xiàn)象。結(jié)果也說明，在反復(fù)循環(huán)荷載作用下錨固段的錨固效果很好，滿足最大受力的要求。

　　5.2 自由段剪切變形效果

　　自由段剪切變形效果研究，主要對(duì)自由段孔內(nèi)埋深為0.3m、0.8m和1.0m等3種形式，在不同荷載和剪切變形條件下，錨桿剪切荷載的變化裝況的試驗(yàn)研究。錨桿剪切試驗(yàn)成果見表4。

　　結(jié)果顯示如下特征和范圍：

　　在同一荷載作用下，隨著剪切位移的增大，剪切荷載也不斷增大，二者存在較好的線性關(guān)系；

　　在孔內(nèi)自由段長(zhǎng)度相同和剪切位移相等條件下，剪切荷載隨張拉荷載增大，有較好的線性關(guān)系。表4錨桿剪切試驗(yàn)成果表孔內(nèi)自由段長(zhǎng)度對(duì)剪切荷載的影響不顯著，并沒有顯示剪切荷載變化因自由段長(zhǎng)度增加向某種趨勢(shì)發(fā)展的規(guī)律，這意味著孔內(nèi)有0.3m長(zhǎng)的自由段長(zhǎng)度，即可滿足最大張拉荷載600kN的作用和產(chǎn)生5mm剪切位移的要求。

　　5.3 外露段加固效果研究

　　5.3.1 研究項(xiàng)目及內(nèi)容

　　主要通過循環(huán)、分級(jí)張拉[FS:PAGE]試驗(yàn)，全面測(cè)試外露段桿體（含錨墊板）和周邊混凝土的受力狀態(tài)和變形特征，驗(yàn)證其加固效果的可靠性。試驗(yàn)的種類和參數(shù)見表5。

表5 試驗(yàn)項(xiàng)目及參數(shù)表

　　5.3.1 錨桿應(yīng)力及影響深度

　　三類錨桿在350kN和600kN荷載作用下錨桿應(yīng)力分布見表6。

表6 不同荷載作用下錨桿應(yīng)力分布表 單位/MPa

　　在同等條件下，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)錨桿應(yīng)力比巖體內(nèi)的砂漿錨桿應(yīng)力要低得多。這一結(jié)果顯示，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)錨桿的粘結(jié)條件及介質(zhì)承載能力要比巖石內(nèi)砂漿錨桿好得多，它承擔(dān)了更多的外荷。

　　三次循環(huán)荷載作用下，錨桿應(yīng)力隨深度不超過0.8m，且衰減速率非常快。錨桿深度0.8m處應(yīng)力很小，平均值為5.74MPa。

　　錨墊板的應(yīng)力在零左右波動(dòng)，主要受測(cè)試系統(tǒng)的影響。顯然應(yīng)力很小或?yàn)榱恪ｅ^墊板作為一種結(jié)構(gòu)上的安全儲(chǔ)備措施也是很有必要的。結(jié)果表明，外露段加固效果滿足設(shè)計(jì)要求。

　　6 結(jié)語

　　在三峽雙線5級(jí)船閘直立坡，應(yīng)用9萬余根高強(qiáng)錨桿，作為錨固巖體，連結(jié)閘墻混凝土結(jié)構(gòu)與巖體一起聯(lián)合受力，在技術(shù)上是一個(gè)創(chuàng)新和發(fā)展，在數(shù)量上也是空前的。因此，在高強(qiáng)錨桿的施工過程中，除認(rèn)真研究施工工藝技術(shù)和嚴(yán)格工序工藝控制外，還進(jìn)行了8894根錨桿的拉拔檢測(cè)和1225組砂漿強(qiáng)度檢測(cè)。通過工序驗(yàn)收和檢測(cè)成果分析，工程施工過程控制嚴(yán)格有效，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良。

　　為驗(yàn)證高強(qiáng)錨桿施工質(zhì)量的可靠性和桿體各組成部分是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)桿體各組成部分進(jìn)行了針對(duì)性的試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，錨桿在巖體內(nèi)錨固段和在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的外露段，在最大拉拔荷載600kN的反復(fù)作用下和施加最大5mm剪切變形的條件下，具有足夠的承載能力和抗拉拔能力；自由段完全適應(yīng)和滿足設(shè)計(jì)最大剪切變形的要求。總之，錨桿具備了直立坡巖體與薄襯砌鋼筋混凝土連接和確保砌襯混凝土墻穩(wěn)定的功能。試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)也驗(yàn)證了高強(qiáng)錨桿的施工技術(shù)是可靠的，錨固效果好，滿足設(shè)計(jì)功能要求。

　　雖然永久船閘直立坡高強(qiáng)錨桿已于2000年9月竣工，閘墻結(jié)構(gòu)混凝土工程也于2002年4月竣工，目前直立墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并分別通過分部分項(xiàng)工程驗(yàn)收，但是工程有待經(jīng)受通航運(yùn)行的考驗(yàn)，有待通過運(yùn)行檢驗(yàn)。