三峡永久船闸高边坡预应力锚固技术的研究与应用1.doc

三峡双线连续五级船闸是三峡水利枢纽工程的三大重要建筑物之一，主体段长1607m，总水头113m，设计年单向通航能力5000万t，是三峡工程主要的通航建筑物。该船闸是在山体中深切开挖岩石后，形成高达170m，下部4568m直立墙的双向岩质高边坡（见图1），为确保高边坡稳定性和严格控制变形，设计采用截、防、排水与岩体锚固相结合的方法，共采用3000kN级预应力锚索4000余根，高强锚杆100000余根（图2），其工程规模和技术难度之大在世界岩石工程史上都是空前的。图1 永久船闸典型横剖面开挖图图2 船闸高边坡加固支护结构图一、立项背景及主要研究内容 船闸预应力锚固工程规模空前，设计要求锚索钻孔偏斜率1%，并要进入狭小的排水洞施工，试验表明，国内外钻机无法满足，成为制约永久船闸工程质量和进度的拦路虎。 锚索对开挖损伤区的加固效果急待检验 锚索施工及其质量控制必须满足边坡位移控制和长期稳定性的要求。为此，我们课题组30余名科技人员，以三峡永久船闸工程为基地经过四年多的工作，取得以下创新成果，为快速、优质建成三峡永久船闸工程提供了基本技术保证，这些创新成果集中表现在: 研制了DKM型锚索钻孔机； 深孔钻进偏斜率1%的精度控制技术； 建立了3000kN锚索快速施工和质量控制体系； 揭示了锚索对开挖损伤区的力学作用和加固效果； 用二维、三维有限差分法，块体理论、断裂力学分析了岩石锚固的作用机理和加固效果，并为边坡锚固动态设计提供了理论依据。二、关键技术及创新点1DKM钻机（国内首创、国家专利）开发研制成功的适用于船闸预应力锚索钻孔的DKM钻机，体积小、易于整体搬移、配有液压调平机构，成为三峡船闸预应力锚索施工的主力钻机，截至2000年8月，该钻机共完成锚索孔3000余个，占整个船闸锚索工程总量的80%以上。DKM钻机DKM型钻机的主要特点： 液压给进调平机构钻进过程能随时纠偏 滚动迁移机构整体搬迁 浮动动力头提高刚性连接钻杆的丝扣寿命 气水分流双通道高效水雾除尘 给进机构的倍速设计解决狭小场地施工与钻机机身长度间的矛盾。2高精度长锚索孔钻进技术（国际领先水平）能否使平均长度40m的锚索安装偏斜率达到1%，是制约边坡预应力锚固工程质量的关键，我们经过近百次试验，创造性地建立了一套支点纠编、刚度匹配、合理的工艺参数为主的高精度深孔钻进工艺，解决了这一关键技术难题，彻底根除了预应力分布不均匀的不良影响。钻孔孔斜实测数据孔号类型孔径（mm）倾角（）孔深（mm）水平方向偏斜（m）垂直方向偏斜（m）孔斜率（%）备注NC2-2-27NC2-2-28NC2-2-29NC2-2-30MC1-7端头锚165035.2035.1735.0035.1041.27+0.05-0.19+0.04+0.14+0.29-0.28-0.33-0.16-0.35+0.280.81.10.51.01.0要求孔斜2%以内NC2-1-31NC2-1-32NC2-1-33NC1-2-32NC1-2-33NC1-1-34NC1-1-35NC1-1-36NC1-1-37NC1-3-8NC1-3-9NC1-3-10NC1-3-27NC1-3-28NC1-3-29对穿锚165040.2740.3639.7436.0436.1206.0435.1636.4536.0636.0735.4135.5336.1236.0435.68-0.04+0.05+0.34+0.12+0.12+0.01+0.04-0.07+0.23-0.22-0.08-0.03+0.15-0.05+0.28+0.13-0.02+0.20+0.32+0.04-0.04-0.09+0.11-0.11-0.21-0.18-0.04-0.01-0.16-0.020.160.390.840.950.350.110.280.500.710.970.560.140.420.470.79要求孔斜1%以内NC2-1-6NC2-1-7NC2-1-85.7729.8529.8529.85+0.22-0.15-0.14+0.12-0.20-0.090.540.840.533快速施工和质量控制技术快速施工： 合理选择钻孔参数，大大提高成孔速度（由23m/h提高到57m/h）； 配制高强混凝土（R7大于40MPa）。质量控制： 锚索预应力均匀度的控制锚索安装偏斜率1%； 钢绞线的受力均匀度控制双向预紧； 锚索长期工作稳定性的控制低松弛钢绞线，控制张拉锁定应力，预加固破碎岩体等。 至今，船闸高边坡直立墙实测位移为2043mm，且近两年以来已经稳定。完全符合设计要求，锚索预应力变化在10%以内，符合规范要求。图3 锚索荷载时间曲线图4 锚索荷载时间曲线图5 锚索荷载时间曲线图3 锚索荷载时间曲线图4 锚索荷载时间曲线图5 锚索荷载时间曲线爆破对锚索荷载变化的影响（爆破孔距锚头1.5m时）4揭示高边坡开挖损伤区的锚固效应与加固效果采用钻孔电视、多点位移计、声波、钻孔弹模揭示了在3000kN预应力锚索作用下的锚固效应与加固效果。开挖损伤区812m。能在锚固作用点周围形成一个半径2.0m左右、深8m左右的锥形受压区。在离坡面4m范围内，岩体波速提高10%48.34%，提高了岩体的完整性。在离坡面4m范围内，岩体弹模提高30%左右。图6 D5孔张拉前后轴线方向压缩变形曲线图7 D1孔张拉前后轴线方向压缩变形曲线图8 张拉前后弹模测试曲线图5预应力锚索加固效果系统的理论分析（1）二维三维显示有限差分法研究表明，在3000kN预应力作用后： 形成浅层压缩区，压缩区沿锚索径向约为23m，轴向为57m。 减少了边坡岩体的开挖位移、拉应力区和塑性区范围。 锚索密度、承载力大小、支护时机对锚索的加固作用有重要影响。开挖完成后位移矢量图（方案1），无锚固 开挖完成后位移矢量图（方案2） （边挖边锚按加固设计图锚固，弹模及粘聚力取中值） 水平位移等色区图（方案1） 水平位移等色区图（方案2） 水平应力等色区图（方案1） 水平应力等色区图（方案2） 拉应力区分布图（方案1） 拉应区分布图（方案2） 塑性区分布图（方案1） 塑性区分布图（方案2）（2）采用块体理论，分析论证了船闸边坡大型不稳定块体的锚固效果，为动态设计提供了理论依据。以f5块体为例，该块体积达29658.6m3，通过块体理论计算，预锚加固后，安全系数满足规范要求。预应力锚索加固不稳定块效果工作状态滑动模式安全系数kc自重状态单滑0.39施加3000kN锚索200根双滑1.72图 f5块体几何性状图 f5块体稳定安全系数kc与锚索数量的关系曲线图 TP/BM70位移曲线（中隔墩北侧）三、技术水平鉴定委员们一致认为：本课题综合研究成果，达到了国际先进水平，部分成果（可采用DKM钻机及相应的纠偏方法使钻孔偏斜率小于1%）居国际领先水平。高边坡预应力岩石锚固技术比较项 目工程名称及施工单位边坡高度锚索长度(m)锚索预应力(kN)钻孔偏斜率锚索用量（根）意大利rajont水电站拱坝附近边坡（法国polenskg和Zollner公司）拱坝为233m185150010003300捷克Labe峡谷岩石边坡90（高）250（长）10302006003436西班牙EI Ataraz水电站拱坝附近边坡134m1000230031000中国三峡永久船闸边坡（武警水电部队，冶金部建筑研究总院，东北岩土工程公司）170m3060300014200本项目所获专利一览表专利名称专利号备注水平锚索钻进机ZL97223396.2四、经济社会效益及推广应用本课题的综合研究成果在三峡永久船闸预应力锚固工程中得到迅速应用，圆满完成了预锚施工，对按期优质建成永久船闸工程及提高永久船闸长期可靠性发挥了重要作用。该成果已在水布垭水电站、龙滩水电站、京福高速公