锚喷支护技术在小浪底工程中的应用

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锚喷支护技术在小浪底工程中的应用

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-18 2461


不良的地质条件和特殊的水沙条件,决定了小浪底水利枢纽的泄洪、排沙、发电建筑物在黄河左岸集中布置的总体格局,最终形成了泄洪洞、排沙洞、引水发电洞、交通洞、排水洞、灌浆洞、施工洞、吊物井、通风竖井、电缆井等 100多个洞室组成的洞室群挤在左岸约1km2的单薄山体上。左岸山体为砂岩、粉砂岩和黏土砂岩,且被20多条大小断层切割,山体上下游均有冲沟切割。岩层层面接近水平(倾角8°~12°),节理裂隙发育,存在分布不规则的层间剪切破碎带和多层泥化夹层。在如此复杂的地质和地形条件下,进行水工建筑物的设计和施工实属国内外罕见。

  因此,中外建设者采用了目前世界上最先进的施工设备和技术措施。在采用种种先进施工技术中,锚喷支护技术在小浪底工程中得到了最充分的运用,并显示巨大的生命力。

一、进出口高边坡的锚喷支护

   1.进口高边坡锚喷支护

  小浪底工程将泄洪、排沙、灌溉和发电洞等16条隧洞进口组合成“一”字形排列的10座进水塔,其上游面在同一竖直面内,总宽度276.4m。为了布置进水塔群,在小浪底工程黄河左岸风雨沟进行了大量的土石方开挖,形成了塔后走向NE23°倾向NW,最大坡高120m,坡脚前缘宽277.30m的进口高边坡。这里地质构造异常复杂,对高边坡稳定造成一定影响。①左岸工程区规模较大的F28、F236、F238和F240断层在进口地层都有出露;在开挖过程中,还揭露出十几条小断层。②节理发育,个别地段形成节理密集带,节理面多附有泥膜或泥质充填,对塔后边坡稳定具有控制作用。③层间剪切破碎带。④在砂岩中发现有30层夹泥层,出露最长的达53.5m。

  通过分析和施工中所发生的各种问题,小浪底工程采取了一系列保证进口高边坡稳定的工程措施。

  ①将进口边坡南、北两山头顶部的第四系覆盖的黄土层和砂卵层全部挖除降低进口边坡高度。

  ②在高程205m、230m,250m,265m和280n分别设置了3m宽的马道以方便施工和增加边坡的稳定性。

  ③进行全面的、大规模的锚喷支护,增设了大量预应力锚索,提高高边坡稳定安全系数,确保边坡稳定。进水口高边坡锚喷支护量为砂浆锚杆3738根,总长3万多m,喷混凝土5687m3,钢纤维喷混凝土951.71m3,预应力锚索600根。

   2 泄洪建筑物出口高边坡锚喷支护

  泄洪建筑物出口高边坡基岩边坡高虽然只有50~80m,但其地质条件复杂,断层密布,地层结构倾向不利,因此其稳定问题严重,为了保持边坡稳定,小浪底工程采取了多种多样工程措施。

  出口上游坡为顺向坡,是3条导流洞(后改为孔板洞)、3条排沙洞、3条明流洞和1个正常溢洪道的出口,其下布置3个消力塘。

  出口边坡加固方案的形成,伴随施工的全过程,经历了4年多的时间。在这个期间做了大量的分析和研究工作,根据施工中揭露的地质情况和现场监测的结果不断对支护措施进行适当的调整,最终形成了较为合理安全的加固方案。

  ①削头减载,降低Ⅱ区边坡高度,并用钢筋混凝土板覆盖削头平台,以防雨水和施工用水进入边坡。

  ②沿消力塘上游坡和左右边坡设置“U”字形的排水洞,抽排渗水降低出口边坡及消力塘区域地下水位,提高边坡稳定性,方便施工。

  ③及时进行喷混凝土,挂钢筋网喷混凝土和系统砂浆锚杆支护,以防坡面岩体风化,卸荷张裂。

  ④预应力锚索全面加固出口边坡,针对不同区域的稳定性要求分别采用了 3000kN级和2000kN级锚索加固。共安装双层保护预应力锚索372根。

  ⑤在Ⅱ区边坡P.0+063.20~P.O+093.20段,每隔6m设置一钢筋混凝土抗滑桩,共设置6个抗滑桩。

二、地下洞群系统的锚喷支护

  小浪底水利枢纽地下洞群系统的锚喷支护可根据锚喷支护的作用不同而分为两种类型:第一种类型是锚喷支护作永久支护的1同室,包括地下厂房、主变室、尾闸室、尾水洞以及一些交通洞、排水洞、电缆洞和通风竖井;第二种类型是锚喷支护作临时支护的洞室,包括导流洞、明流洞、排沙洞、发电洞等。

  锚喷支护作为柔性支护可与围岩共同承担荷载,充分发挥围岩的承载能力和提高施工期的安全性等。

  按照新奥法原理对锚喷支护应采用“设计一施工:一监测一修正设计”的程序。以地下厂房为例,小浪底从三个方面加强监测工作。 ①承包商的收敛观测。几年来,地下厂房承包商不间断地进行收敛观测,及时向工程师通报情况。

  ②外部观测系统。包括厂房引张线、收敛观测系统、沉陷观测系统,由承包商按设计要求埋设,由工程师进行观测,并将数据及时通报业主、设计人员和承包商。

  ③内部监测系统。厂房及机组肘管共设计有各类仪器427支。这些仪器的安装由承包商随进度陆续完成。这些监测仪器的使用和管理由监理工程师进行。经过几年来的考验,到目前为止,用锚喷支护作为永久支护的各洞群系统,围岩稳定,没有发现任何不正常之处。

三、小浪底工程中几种先进的锚喷支护技术

HDPE土工膜是以(中)高密度聚乙烯树脂为原料生产的一种防水阻隔型材料。(密度为0.94g/cm3或以上的土工膜)。HDPE土工膜全称“高密度聚乙烯膜”,具有优良的耐环境应力开裂性能,抗低温、抗老化、耐腐蚀性能,以及较大的使用温度范围(-60--+60)和较长的使用寿命 (50年)。HDPE土工膜全称“高密度聚乙烯土工膜”,具有优良的耐环境应力开裂性能,抗低温、抗老化、耐腐蚀性能,以及较大的使用温度范围(-60--+60)和较长的使用寿命50年,广泛使用在生活垃圾填埋场防渗,固废填埋防渗,污水处理厂防渗,人工湖防渗,尾矿处理等防渗工程。

   1.锚杆支护

  (1)小浪底工程使用的锚杆类型、

  小浪底工程使用的锚杆类型主要有:砂浆锚杆、树脂张拉锚杆、水泥卷锚杆、胀壳锚杆、水胀锚杆、lBO-自钻锚杆、500kN双层保护预应力锚杆、双层保护预应力锚索等。

  ①砂浆锚杆(略)

  ②树脂张拉锚杆

  树脂张拉锚杆是由中速树脂锚固剂作为锚固段,填充段填充缓凝型水泥卷或超慢树脂卷或注水泥砂浆,锚固段与填充段用橡胶挡圈隔开。上述工作完成后,用钻机将锚杆插入孔底,再连续旋转30秒,待锚固剂固化后张拉。

  ③水泥卷锚杆

  水泥卷张拉锚杆用早强型水泥卷作为内锚固段,缓凝型水泥卷作为填充段;普通水泥卷锚杆全长均用缓凝型水泥卷填充,可以代替砂浆锚杆。

  ④胀壳锚杆(略)

  ⑤水胀锚杆

  水胀锚杆由一凹形断面的薄壁钢管组成,两端头封严,一端有进水小孔。把凹形钢管放人钻孔内,通过进水小孔向钢管内充人高压水使凹形钢管

  膨胀,在膨胀过程中,水胀锚杆与不规则钻孔内壁完全贴合,沿整个锚杆全长产生摩擦力和机械自锁力,从而达到加固岩体的作用。

  ⑥lBO-自钻锚杆

  1BO-自钻锚杆是国际专利产品,由钻头、钻杆、连接套管、垫板和螺母组成。钻杆外部成螺纹状,可较好用于清除钻孔内的岩屑。钻头、钻杆和连接套管中心设有孔,可作为灌浆或排气管用。钻杆单根长度为2m、3m、4m,可用连接套管组成各种长度。lBO的钻杆外径有Φ25mm、Φ32mm和Φ38mm等,各种部件可相互通用,保证了1BO系统的广泛应用。钻头和连接套管有带或不带单向阀门两种形式,如果lBO钻头和连接套管配备了单向阀门,可以在任何时间重新灌浆,不需要另外增设灌浆管。

  在软弱破碎的岩体中使用IBO自钻锚杆较好,钻孔后可直接通过钻杆和钻头中心的孔进行灌浆。如果安装顶拱的钻孔,则在孔口部位加一个短的PVC管作为灌浆塞,钻杆中心的孔作为排气孔,用泡沫胶封堵孔口作为止浆塞。

  ⑦500kN双层保护预应力锚杆

  500kN双层保护预应力锚杆主要应用于厂房岩壁梁。由内锚固段、自由段和外锚头组成。内锚固段是在 32mm螺纹钢外部套一根外径为56mm的HDPE波纹管;自由段则在波纹管外部再套一个外径为60.2mm的光滑管,能够使锚杆和孔壁不发生黏结,波纹管内灌浆在车间内完成。锚杆送人钻孔后注浆,浆液强度达到30MPa后张拉锁定。

  ⑧双层保护预应力锚索

  双层保护预应力锚索有两种形式,一种是有黏结的锚索,另一种是无黏结的锚索。有黏结的锚索先向内锚固端灌砂浆达到设计强度后,进行锚索张拉,再用水泥砂浆灌注自由端也叫全黏结锚索。无黏结预应力锚索的钢铰线周围带有胶套,中间有防腐油剂,铜铰线可以在胶套中自由滑移。在施工时内锚头和铜铰线周围的水泥砂浆是一次灌入的,砂浆凝固后再张拉。小浪底工程在国内首次大规模地使用这种无黏结的预应力锚索,在地下厂房顶拱和进出口高边坡加固等3处共使用这种锚索1000根以上。

  (2)锚杆支护质量控制

  ①原材料质量控制

  用于锚杆的国产钢筋符合中国标准GBl499Ⅱ级钢要求,进口钢筋符合美国ASTM M400级标准。

  ② 可行性试验 对承包商建议使用的每种类型的锚杆选择10根在与将要使用岩石条件相同的部位进行可行性试验,试验锚杆分别安装成水平至与水平成300范围内的不同方向。用液压千斤顶进行张拉,并用百分表观测锚杆的变形。

  若连续10根锚杆加载超过了控制荷载,则认为锚杆合格,可以在现场使用。

  ③ 现场质量控制

  按技术规范腰求,对锚杆安装质量进行控制,主要是检查拉拔力和饱满度。

   2.喷混凝土

  小浪底工程喷混凝土总量达10万m3。几乎所有岩石开挖面,都要用喷混凝土保护或承受荷载。从使用材料上可分为素喷混凝土、钢筋网喷混凝土、钢支撑(钢架)喷混凝土、钢纤维喷混凝土四种类型。从施工手段上分为干喷混凝土和湿喷混凝土。湿喷混凝土回弹小,空气污染少,因此小浪底国际承包商大都使用这一施工方法。国内承包商则因湿喷混凝土设备构置费用高,而多使用干喷混凝土。 喷混凝土的质量控制分为以下两个步骤。

  (1)喷混凝土试验板

  在喷混凝土之前,每种喷混凝土拌和设计都要按照美国规范ACl 506 R《喷混凝土指南》的要求进行喷混凝土试验板试验。

  (2)现场质量控制

  ① 喷混凝土强度检查

  从每天或每喷50m2中按GBJ86规范要求的尺寸喷一块大板,从每块大板上钻取2组010cm芯样。做1天、28天抗压强度试验,按要求确定是否合格。

  ② 喷混凝土厚度检查按规定在现场钻取050mm芯样检查厚度。

  ③ 喷混凝土补救措施

  以喷层最小厚度达到设计值为评价标准,厚度不够的部位进行补喷。

  喷混凝土强度以现场喷混凝土大板芯样强度作为评价标准,如果芯样强度不合格,则在不合格的部位钻取50mm的芯样作强度试验,如仍不合

  格则需采取补救措施,补救措施有挂钢筋网补喷、喷钢纤维混凝土、补喷素混凝土等。

四、结 语

  在一般地质条件,使用砂浆锚杆支护较为可靠,且易于施工,顶拱部位使用树脂或水泥卷张拉锚杆可及时给围岩施加预应力,从而达到快速支护、安全施工的目的。张拉锚杆要保证锚固段的长度及填充段的饱满度,根据计算来确定每孔需要的树脂或水泥卷的数量,即每孔所装入的树脂或水泥卷的体积大于钻孔与锚杆体积之差。普通水泥卷锚杆代替砂浆锚杆更易于施工,在地下工程中逐步得到推广使用。

  水胀锚杆适用于砂土、黏土到最坚硬的花岗岩各种不同的岩层,具有易于安装、快速支护的特点。1BO自钻锚杆适合于在软弱破碎的岩层中使用。500kN预应力锚杆可对锚杆体起到双层保护的作用,对于重要的建筑物是一种很好的永久支护形式。以上三种进口的锚杆虽各具特点,使用也较为可靠,但价格相对较为昂贵,我国可加以开发和研制。

  锚喷支护是——种“刚”“柔”适度的薄层支护,地下工程适时进行锚喷支护既可抑制围岩有害的变形,又可适应围岩的变形。利用锚喷混凝土早期强度的特点,可对围岩及时提供一定的支护抗力,可有效地限制围岩有害变形的发展。在隧洞开挖掘进中根据不同的洞径和地质条件采用不同的锚喷支护参数,不仅施工安全得到保证,而且可以快速掘进。


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