资料自由式拉压复合型预应力锚索在边坡处理中的应用

1、自由式拉压复合型预应力锚索在金河水电站厂房后边坡处理中的应用岩体锚索由内锚固段（内锚根）及自由段（张拉段）两部分组成，施加在锚索上的荷载可由锚固段的顶端向下传递，亦可底部向上传递，这取决于锚索在内锚固段内的锚固方式。比较传统的拉力型，是将锚索直接埋置在水泥浆体内，靠彼此间的粘接传递拉力，锚固段的应力分布很不均匀，锚索周围灌浆体处于受拉状态，因而拉伸裂缝和剥离现象首先在顶端出现。另一种是压力型，由于锚索与灌浆体完全拖开，荷载是通过锚索直接传递到锚固段底部锚板上，然后由锚板向上推压灌浆体并传递给周围岩体。在这种情况下，灌浆体受压，锚固段的应力分布仍很不均匀，因此，本文提出的拉压复合型就是将上述两种

2、锚固方式联合应用，使锚固段的应力分部趋于均匀，并使最大应力值明显减小，因而在施加荷载条件下，灌浆体内的裂缝或剥离现象有可能不出现或很少出现，增加了锚固效果及防腐蚀系统的可能性，此外，它还可以提高锚索的锚固性能、降低施工成本。1拉力型、压力型和复合型锚荷载及应力分布特性及比较（1）荷载沿锚索长度方向的分布为了量测预应力锚索沿锚固段长度上的实际荷载分布，分别按照拉力型、压力型和复合型三种模型进行室内弹性模拟试验，结果表明：在相同荷载作用下，拉力型是锚固段顶端荷载最大，向下逐渐减小，至锚固段底部几乎为零。压力型的锚索与灌浆体完全脱开，所以顶端和底部的荷载完全相同，荷载通过锚索直接传递至底部锚板上，然

3、后由锚板推压灌浆体并传递给周围岩体。压力型与拉力型恰好相反，荷载的传递主要集中在锚固段的下部。复合型与上述两种锚固方式完全不同，首先是锚固段顶部荷载最大，向下逐渐减小，直到底部锚板仍有荷载。说明沿锚固段长度上锚索传给灌浆体再传给周围岩体；然后是传至底部锚板上的部分荷载，由锚板推压灌浆体再传给岩体，由此可见，复合型锚固方式使荷载分散作用于整个锚固段长度上，而不是集中作用于上部或下部，因而改善了锚固段的应力状态。（2）应力在灌浆体和锚索孔岩壁间的传递拉力型通过室内弹性模型试验，拉力型锚索的锚固段的剪应力呈倒三角形分布，顶端最大，为应力集中区，向下迅速减小，当顶端交界面上的剪应力超过它的抗剪强度，就

4、出现剪切破坏，最大剪应力则向下转移，由此可以说明当拉力型锚索承载后，从灌浆体到四周岩基的荷载转是以拉剪方式传递的，主要承载部位在锚固段顶部以下几米内。由于顶部剪切力过大常出现剥离现象。同时，锚索受拉力，锚孔壁亦受拉伸，因而锚索周围灌浆体处于受拉状态进而出现拉伸缝，因而影响锚固性能和永久防腐效果。压力型由于荷载是由锚固段下端的锚板向上推压灌浆体传递给基岩的，所以锚固段孔壁的应力与拉力型相反。交界面上的剪应力是底部最大，向上逐渐减小，呈正三角形分布，同时，锚固段孔壁中心方向受压缩，底部最大，向上逐渐减小。室内弹性试验也表明，当锚索承载后，从灌浆体到四周基岩的荷载转移是以压剪方式传递的，主要承载部位

5、是以上几米内，锚索周围灌浆体受压缩，因而不会出现拉伸裂应力区，由于底部锚索孔内灌浆体受力很大，允许应力问题值得考虑，特别在低强度岩体内易致使锚固体压裂而破坏。拉压复合型拉压复合型锚索摆脱了锚固体应力集中分布情况，使沿锚固段交接面上的剪应力分布趋于均匀，锚孔岩壁底部压应力最大，向上逐渐减小，并转为拉应力，其最大拉应力也减小一半。当锚索承载后，从灌浆体到四周岩基的荷载转移是以压剪方式传递的，而上部仍以拉剪方式传递，主要承载部位大致均匀地分布在整个锚固段上，因而锚固效果更好，增强了锚固寿命，同时根据分析还可以得出：锚索的埋置长度越短，越能发挥其粘接阻力作用，因而还可缩短锚固段长度。（3）拉压复合型锚

6、索的结构设计拉压复合型锚索是在传统拉力、压力型锚索基础上，利用承载板上部裸钢绞线与浆体的粘接力承受拉力，而承载板下部有PE管保护的无粘接钢绞线与浆体的粘接承受压力，这样使得锚固体内既有受拉部位，又有受压部位，从而整个锚固体内应力及锚固体与周围岩石间的粘接摩阻应力分布比较均匀，应力峰值大幅度降低。其大致结构组成为：高强度无粘接钢绞线、挤压头、锚板、托板等，2工程概况金河水电站厂房后边坡覆盖层深30m左右，岩石强风化，卸荷强烈，稳定性较差，为保证边坡在开挖及电站运行过程中的安全稳定，设计采用2000KN级预应力锚索进行加固处理。预应力锚索分3排布置，共59根，深度50m。第一排锚索19根，间距5m

7、，高程314150m；第二排锚索20根，间距5m，高程313150m；第三排锚索20根，间距5m，高程312150m。锚固段要求位于弱风化弱卸荷岩体内，见图1。预应力锚索型式采用自由式拉压复合型结构，其结构见图2。该锚索为单孔多锚头结构，有3个及以上锚头，每个锚头分别承载一定荷载，总锚固力沿锚固段长度进行分散分布，减少了单位面积上的围岩应力，改善了应力集中的状况，对工程的长效锚固起到了重要作用。根据锚索吨位不同，自由式拉压复合型预应力锚索锚头数目及组合结构亦不同。该锚索采用拉压复合型结构，使锚固段应力分布基本趋于均匀，对复杂及软弱地层适应性强。3自由式拉压复合型预应力锚索施工工艺金河水电站厂房

8、后边坡覆盖层采用跟管护壁钻进，基岩采用冲击器冲击回转钻进，相应的自由式拉压复合型预应力锚索施工工艺流程如下：（1）2000KN锚索孔基本设计技术参数孔径锚孔俯角锚固段长度锚索孔深度钻孔开孔偏差135mm1510m50m（由于预应力锚索的锚固段必须位于弱风化弱卸荷岩体内，故锚索孔深度根据实际钻孔揭示的地质条件进行了调整）20cm（2）造孔施工由于我国地域辽阔，东西南北地质构成差异极大，锚固施工地质条件十分复杂。在我国西部及东南沿海的山区，山高路险，交通运输十分不便，设备大多数是在人工搭建的脚手架上进行施工，给施工设备的搬迁运输造成了极大的困难；另一方面，长期造山运动形成了大量的裂隙破碎地层，古滑

9、坡及松散堆积体地层等，在这些复杂地层中施工时，极易发生钻孔坍塌，卡钻埋钻等孔内事故，施工设备及机具在这些复杂的负载下极易受到损伤。因此在这些复杂地质条件下进行工作的锚固钻机及机具必须具备以下优良性能：a、锚固钻机具有较大的扭矩输出，有一定的储备系数，能够克服钻孔内复杂的钻进负载变化及卡钻现象。b、具有较大的提升能力，当孔内出现掉块、坍塌等复杂现象时，能够采取强力起拔措施处理，防止卡钻、埋钻事故的发生。c、具有较大的调速范围，适应在土层、岩层不同地层条件下采用不同钻进方法时满足回转速度变化的需要。d、具有较长的给进行程，这一点对提高钻进效率和采用跟管钻进方法很重要，一般给进行程不小于182m。e

10、、具有最轻的重量和便利的分解组装性能，对于交通不便的山区和高边坡锚固施工，不仅可减轻在设备搬迁时的劳动强度，还减少了辅助作业时间，有利于提高施工综合效率。f、拧卸钻具的机械化程度要高，具有在较大负荷状态下机械拧卸钻具，减轻劳动强度。g、钻机具有较好的导向性能，便于保持钻孔的直线度。钻机应具有较好的工艺适应能力，能满足常规回转钻进、风动潜孔锤钻进、螺旋钻进、跟管钻进等多种钻进工艺方法的需要。h、钻机及钻具的可靠性能要好，能经受复杂地层负载变化的考验，便于维护保养。液压马达、泵机及换向操作阀，是钻机核心部件。山梁堆积体处于蠕滑变形阶段，抢险加固工程要求短期内控制坡体变形量，并最终达到稳定，对工期要

11、求相当高。而成孔效率高低对提高预应力锚索锚固工程进度、尽快稳定坡体起到关键作用。但山梁预应力锚索孔钻孔施工难度非常大，主要有以下难点：a、钻孔质量技术指标要求高。要求钻孔孔位偏差10cm，钻孔轴线方位角偏差25，孔斜度设计水平下倾510，孔斜允许偏差孔深的1，孔深不小于设计并不超深20cm，孔径不小于设计要求。为保证坡体的相对稳定，不允许采用液体作为冲洗介质。b、地层复杂。堆积体是由弱、微风化花岗片麻岩块石、孤石岩块组成骨架，岩块坚硬完整，可钻性级高；骨架之间充填碎石质土、碎石，软弱破碎；坡体整体结构松散，且局部有架空现象。地层的软硬不均、易塌孔掉块（该类地层，大斜度钻孔孔壁稳定本身就很差）、

12、冲洗介质漏失量大等均会造成钻进和成孔极其困难。c、施工条件恶劣。由于地形复杂、山高坡陡，必需在高排架上施工，由于抢险工程施工期限要求短，进场施工的队伍、设备很多，造成施工场地狭窄拥挤，设备搬迁频繁。施工工艺及钻机设备选择a、施工工艺针对施工难点，覆盖层采用以风动潜孔冲击器跟管钻进工艺为主的施工方法，其优点在于钻进效率高，能避免塌孔掉块、孔壁漏风现象，尽可能防止钻孔弯曲度过大、卡钻埋钻等事故。基岩的造孔方法采用风动潜孔锤冲击回转钻进。b、钻机设备选择鉴于钻进中孔底情况复杂多变，工艺参数调整频繁，跟管钻进深度大，以及施工条件受限，对钻机的性能要求就高。覆盖层选择全液压动力头式YG80型锚固工程钻机

13、，钻机特点是：钻机为分体式结构，钻机主机可以分为钻进机架、液压动力泵站及操纵台三大部分。钻机可拆性好，搬迁、安装迅速方便；并可远距离操纵，一次搬迁完成多孔施工；操作员工工作环境好，劳动强度低。钻机钻进能力强，适用范围广；钻孔速度快，处理事故能力强，钻进效率高。钻机动力头输出轴设有伸缩机构，可以有效保护钻机及钻具。钻机液压马达、泵、快速接头采用国际名牌产品。其它主要部件优选国内名优产品，使整机性能稳定、可靠、寿命长。钻机易损件的标准化、系列化程度高，互换性好。钻机机架前部设有上下调节立柱及哈夫，可调节桅杆高低，施工时对孔位快捷方便。基岩的造孔设备：MGY100A型锚固钻机。机具：168偏心跟管钻

14、具，89钻杆，168套管（波形扣连接），大吨位液压拔管机CIR110冲击器配套钻具；c、主要施工设备及机具序号设备名称设备型号单位数量1螺杆式空压机VHP750台22锚固钻机YG80台2MGY100A23钻杆89米2704套管168米21005偏心跟管钻具168套246跟管管靴168 只2107潜孔冲击器QCW100套5QCW1505YG80锚固钻机造孔工艺a、安装钻机设备，校正孔位，并校正钻机钻孔方位和倾角（利用钻机自身的钻孔倾角调节装置把钻机倾角调到钻孔的设计倾角并固定）。b、开孔。采用QCW150冲击器配185mm钻头裸孔钻进，开孔口径大些，跟管时易跟进，开孔孔斜易控制，一般开孔深度58

15、m，且采用中、低风压的动力。c、偏心钻头跟管钻进：采用QCW100冲击器配168偏心钻头（偏心公转直径172178）跟168套管钻进穿过堆积体。在施工过程中，根据需要选用不同的偏心钻具，遇较厚破碎松散地层，使用两件套偏心钻头（导正器偏心钻头），通过速度较快，但遇坚硬孤石时，由于钻头负荷大且受力不匀，钻头损耗大，寿命短。一般采用三件套偏心钻头（导正器偏心钻头中心钻头）钻进，具有钻进效率高，以及钻头在孔底受力较均衡，对预防钻孔偏斜和提高钻头寿命大有好处等优点。由于堆积体厚度大，套管跟进最大达65m，跟管深的钻孔，管靴、套管以及钻具的损耗都很大，为了保证顺利成孔，考虑到这些材料的使用寿命，当跟管到一

16、定深度，采取了多次起钻、拔管的手段，检查管靴、套管以及钻具的使用情况，如有损坏及时更新。d、潜孔锤裸孔钻进：跟管钻进穿过堆积后，改用QCW100冲击器配138钻头钻进。如遇岩体裂隙发育，钻进中塌孔或漏风严重，采取固壁灌浆处理后钻进。e、在整个的成孔施工过程中，为避免埋钻、卡钻的事故发生，做到勤倒杆，反复捅孔吹洗，尽量把孔内的岩粉和岩渣充分排尽。为避免钻孔弯曲，在容易孔斜地层中钻进注意控制进尺速度。f、钻进到设计孔深后，用高压风彻底冲洗钻孔。MGY100A锚固钻机造孔工艺a、用同径常规钎头先造孔1m左右，为跟管钻进提供定位和导向作用。开钻前，让偏心钻头伸出套管靴，正转速度达到一定时，张开偏心钻头

17、即可进行钻进；b、跟管钻进过程中，实行边加钻杆边加接套管。每钻进23m，进行提钻检查钎头与冲击器的联接状况、偏心钻头联接机构及锁紧机构状况，更换销子防止了掉钻事故的发生；c、当跟管钻进至覆盖层与基岩接触面时，即将跟管钻头、冲击器、钻杆提出孔外，再用135常规钎头钻进至设计深度。施工中遇到大孤石等障碍使得跟管困难时，用130常规钎头钻出导向通道后再偏心扩孔跟管；d、钻孔完毕后，连续不断地用水和高压风彻底冲洗钻孔，直至孔口返出之风手感无尘屑，延续510min，孔内沉渣不大于20cm。在套管内放入锚索体，用液压拔管机将套管拔出；e、在锚固段10m范围内，对岩石较破碎的锚孔进行了固结灌浆。灌浆压力采用

18、0102Mpa。（3）锚索体制作钢绞线及锚具的选用选用符合预应力混凝土用钢绞线的1860Mpa高强低松弛无粘结钢绞线，其性能指标见下表。2000KN级锚索由12束钢绞线编成，锚具选用OVM1512。强度级别公称直径截面积弹性模量极限1伸长最小载荷延伸率荷载强度1860Mpa1524mm140mm219510KN/mm2266KN1900Mpa2346KN35自由式拉压复合型锚索制作a、下料：使用砂轮切割机下料。各级锚头钢绞线下料长度L为：式中：锚固段长度；距第一级锚头之距离；自由段长度；锚墩长度；张拉长度。b、锚固挤压段钢绞线清洗：剥离挤压段钢绞线的聚乙烯塑料套；剔除钢绞线表层保护油脂；按顺序

19、分别使用C号油，Q号油，JSQJ剂，高温清洗液和热水（60）将钢绞线清洗干净，直至手感无油腻有涩感且表面乌黑发亮为止；c、组装：将钢绞线顺直排列在加工平台上，保持长度一致；按照图纸装配挤压头、锚板、托板并进行锚头部分的制作；按照隔离架上对应位置安放并顺直注浆管、排气管，同时注意使注浆管、排气管在锚索体中的相对位置满足图纸要求，按12m的间距安置隔离架、对中架；捆扎：自由段在两对中架中间使用黑铁丝捆扎。锚固段在两隔离架中间使用黑铁丝将其捆扎成纺锤型；在锚索体外侧安置塑料或钢制对中架，使预应力锚索体在钻孔内居中放置；锚固段顶部安装导向帽；对组装好的锚索按照对应的锚索孔进行编号，并妥善放置备用。（4

20、）下锚采用人工下锚方式。下锚时，锚索体由套管作导向，操作人员协调一致，均匀用力往锚孔里推，保证了锚索体在孔内顺直不扭曲。下锚完毕，用拔管机将套管拔出。（5）注浆锚索注浆是为了形成锚固段和为锚索提供防腐蚀保护层。另外，一定压力的注浆可以使浆液渗入地层的裂隙和缝隙里，从而起到固结地层、提高地层承载力的作用。注浆是锚索施工中最关键的工序之一，其效果的好坏直接影响到锚索的锚固性能和永久性。自由式拉压复合型锚索注浆为全孔一次注浆。制浆a、设备：100/35搅拌机。b、材料：水泥：采用四川峨眉水泥厂生产的425级水泥；外加剂：由于个别锚孔锚固段岩石较为破碎，裂隙发育，吃浆量较大，为了在保证工程质量的前提下

21、，尽量减少工程投资，施工中在水泥浆液中加入了2的速凝剂；c、浆液配比：采用水灰比036：1的水泥浆，锚固段浆液结石强度指标满足：；d、搅拌时间：。锚索孔注浆a、锚固注浆前，结合锚索造孔过程中发现的地质情况，充分分析了可能的浆液灌注量，以此检查库存水泥量是否足够；同时保证制浆设备、送浆管路、灌浆泵、灌浆管路正常；确保灌浆过程顺利，避免因中断而影响锚固注浆质量；b、自由式拉压复合型锚索注浆：采用3SNS泵灌注；灌注前先压入压缩空气，检查管道畅通情况；采用孔口阻塞器封闭灌注。浆液从注浆管向内灌入，空气直接排出；注浆结束标准：灌浆压力为0305Mpa，排出的浆液浓度与灌入的浆液浓度相同，且不含气泡时为

22、止。（6）锚墩混凝土浇筑锚墩钢筋制安：钢筋制安时，先用风钻在锚孔周围坡面上对称打孔46个，插入骨架钢筋并固定，将钢绞线束穿入导向钢管并把导向钢管插入孔口1020cm，然后按照图纸要求分别焊接3层钢筋网并固定于骨架钢筋上，焊接质量需符合要求。焊接过程中，不得损伤钢绞线。钢筋网为1415，L80cm，层距15cm。钢垫板安装：50cm50cm3cm钢垫板牢固焊接在钢筋骨架上，其预留孔的中心位置置于锚孔轴线上，平面与锚孔轴线正交，其误差不得大于05。导向钢管的作用是为锚索顺利通过预留孔，见图3。钢垫板与基岩面之间按照图示锚墩尺寸立模，混凝土浇筑时，进行了现场混凝土取样，确保了锚墩混凝土浇筑及养护质量

23、，为锚索张拉提供应力保证。（7）张拉设备仪器a、所有张拉设备仪器如电动油泵、千斤顶、压力表必需在张拉和试验前30d率定，以便获得油压与千斤顶张拉力之间的关系曲线，从而能指导张拉过程中张拉力的施加；b、ZB4500S电动油泵；c、YDC240Q单根张拉千斤顶；d、张拉设备技术指标值见下表。表2表ZB4500S超高压油泵技术指标YDC240Q单根张拉千斤顶技术指标额定压力额定流量质量额定压力公称张拉力行程质量穿心直径50Mpa22L/min130kg50Mpa240KN200mm18kg18mm（8）张拉锚索张拉应在锚固灌浆抗压强度达到35Mpa及锚墩混凝土的承载强度达到设计规定值后进行。张拉程序

24、穿锚初始循环张拉第一循环张拉第二循环张拉第三循环张拉第四循环张拉。张拉原则a、加载速率：保持在40KN/min左右；b、卸荷速率：每min不宜超过设计应力的20。张拉方式自由式拉压复合型预应力锚索由于各根钢绞线长度不等，必须采用单根张拉千斤顶间隔对称分序张拉，确保各根钢绞线平均受载，如此一个张拉循环完毕，继续进行下一循环张拉，直至设计工作荷载。a、先张拉锚具中心部位钢绞线；b、然后张拉锚具周边部位钢绞线，张拉时按照间隔对称分序进行。预应力的施加向张拉油缸加油使油表指针读数升至张拉系统标定曲线上预应力指示的相应油表压力值。初始循环张拉a、底盘荷载：对锚索施加30KN的总荷载，用单根张拉千斤顶YD

25、C240Q将钢绞线逐根拉直预紧，拉直预紧时不上工作夹片。张拉按照先中间、后周边对称分序张拉的原则进行；b、将钢绞线逐根按设计应力的10锁定(上工作夹片)，再张拉至设计应力的1/4锁定。单根张拉/10（稳定后锁定）/4（稳定3min）/10/4（稳定3min）。第一循环张拉初始张拉结束后，在/4荷载的基础上，继续加载至/2荷载锁定。/4/2（稳定3min）/4/2（稳定3min）/4/2（稳定后锁定）第二循环张拉第一循环张拉结束，在/2的基础上继续加载至3/4锁定。/23/4（稳定3min）/23/4（稳定3min）/23/4（稳定后锁定）。第三循环张拉第二循环张拉结束后，在3/4荷载的基础上继

26、续加载至锁定。3/4（稳定4min）3/4（稳定4min）3/4（稳定后锁定）。第四循环张拉第三循环张拉结束后，在的基础上加载至105。105（稳定1020min）锁定（稳定后锁定）。补偿张拉a、根据锚索监测观测记录可知，应力损失最大为12，赋存锚固力为968KN，应力损失最小的为10，赋存锚固力为990KN。b、锚索应力损失基本在集中张拉后第一月内，随后应力损失逐渐下降，至张拉3个月，锚索应力基本保持稳定。c、预应力损失的主要原因是由于钢绞线松弛所致。锚索第四循环张拉锁定后，由于锚固段与锚墩之间的覆盖层发生弹性收缩，发现锚索锁定的张拉力低于规定的设计值，遂对锚索进行补偿张拉，从而满足了设计永

27、久赋存力的要求。（9）封锚外锚头保护锚具外的钢绞线除留存15cm外，其余部分切除。对外锚具或钢绞线端头用标号为C15混凝土封闭保护，混凝土保护层厚度25cm。4结论对于具体的锚固工程施工来说，由于受锚固设计吨位的大小和地质条件因素的影响，锚固钻孔直径和钻孔深度存在有一定的差异，尤其是受不同地区，不同地质条件因素的影响，施工时对钻孔设备和机具的能力要求往往会有较大的差异，因此要想以一种设备来完成所有的工程施工是不合理的。针对我国岩土锚固工程施工的实际情况，从技术可行、经济合理的原则出发，对锚固钻机的输出能力也应是分层次的，以满足不同使用能力要求进行系列化开发、施工工艺相配套是锚固钻机研制过程中贯彻的主要设计思想。（1）锚固钻机的输出能力主要从以下几个方面来衡量：回转扭矩在不同地层、不同钻孔直径和孔深、不同钻孔工艺方法下所需要的钻机回转扭矩有较大的差别。风动潜孔锤钻进时，地层相对完整的情况下所需要的扭矩较小，但是在复杂地层情况下，钻孔的坍塌掉块会引起回转扭矩剧增，采用偏心跟管钻进时，同样需要较大的回转扭矩；如果采用螺旋钻杆干钻时，对钻机的输出扭矩要求会更大。给进力和起拔力起拔力是衡量钻机处理事故能力的重要标志。在复杂地层钻进时，经常会遇到掉块卡钻事故，如果不能及时加以处理克服，往往会引起事故