大型地下洞室錨索施工成套裝備與技術

齊界夷 ，江誼園

(1.中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.中國能建工程研究院水電施工設計研究所，湖北 宜昌 443002)

0 引言

預應力錨索是大型地下洞室工程普遍采用的一種深層支護型式。對于大型地下洞室工程，尤其是地質(zhì)條件較差的地下洞室工程，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及工程后期運行安全，通常采取在邊墻和頂拱布置系統(tǒng)預應力錨索實施深層加固。烏東德電站左岸地下廠房、主變洞和尾調(diào)室邊墻及頂拱布置1 500/2 000 kN級、深度為20～36 m的錨索總計超過1 500束。白鶴灘水電站右岸地下廠房及主變洞邊墻及頂拱布置500～3 000 kN級、深度為15～40 m的錨索約4 000束。

預應力錨索施工工序較復雜，一般需與開挖分層對應跟進施工，因此，直接制約開挖進程，對工程總體進度影響較大。傳統(tǒng)的施工技術機械化程度較低，無法滿足當前大型地下洞室工程錨索施工對工效、安全及質(zhì)量的要求，因此，有必要通過研發(fā)新裝備、新技術，滿足大型地下洞室工程錨索施工的實際需要，提升我國水電工程錨索施工技術水平。

1 施工難點

傳統(tǒng)錨索施工技術機械化、自動化程度都較低，設備性能較差，無法適應大型地下洞室工程大梯段開挖支護、安全、高效和優(yōu)質(zhì)等施工要求，主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1)施工干擾大、工效低。傳統(tǒng)錨索施工方法采用鋼管搭設腳手架作為操作平臺進行錨索鉆孔、安裝及注漿等工序作業(yè)，主要存在3個方面的不足，從而導致施工干擾大、工效低，具體包括：① 搭設腳手架需占用錨索施工直線工期，影響總體進度；② 腳手架搭設工作量較大，且為人工操作；③ 腳手架需占用工作面，影響所占壓工作面的其他施工安排及道路通行。

2)費時費工、安全風險大。傳統(tǒng)錨索安裝方法主要采用人工或手動葫蘆配合進行送索工序，費時費工，尤其對于頂拱大仰角及豎向錨索施工，受錨索自重影響，安裝操作難度極大，且索體脫落風險較大，安全隱患突出[1]。

3)質(zhì)量控制難度大。錨索孔口段設計為氣囊式橡膠止?jié){塞，需配備專用充氣設備，注漿前需提前充氣、預注漿檢查，注漿過程中需及時補氣以防漏漿，止?jié){效果難以保證；且操作過程中因止?jié){塞容易破損而經(jīng)常出現(xiàn)漏漿，導致錨索注漿無法正常進行[2]。此外，受邊墻密布的系統(tǒng)錨桿、鎖口錨桿及不良地質(zhì)條件等影響，對穿錨索鉆孔精度要求高，偏斜控制難度較大[2]。

2 成套裝備與技術

大型地下洞室錨索施工具有工期緊、施工難度大、安全風險高、施工質(zhì)量要求嚴等特點，根據(jù)不同部位錨索的布置型式及施工條件，研發(fā)了多功能錨索鉆機、錨索液壓自動送索裝置、錨索鉆機精確導向限位裝置、錨索下索保護裝置、可移動式鋼錨墩防護裝置等專用裝備和技術，形成一整套錨索施工新型裝備與技術，實現(xiàn)錨索安全高效施工。

2.1 多功能錨索鉆機

大型地下電站主廠房頂拱層開挖高度超過10 m，以下開挖各層高度約8 m[2]。每層開挖后開挖面距該層上部錨索孔位高度將近8 m，常規(guī)履帶式錨索鉆機只可實施距開挖面高度3 m左右的錨索鉆孔，故需搭設腳手架作為鉆孔平臺。但如前所述，腳手架施工方式存在占用直線工期、施工干擾大、工效低等問題，且影響交通，安全隱患較大。

為解決上述難題，以傳統(tǒng)履帶式錨索鉆機為基礎，首次研制出多功能錨索鉆機[3]，如圖1所示。該鉆機安裝兩個機械臂，主臂安裝鉆孔設備，水平鉆孔作業(yè)高度可達8.5 m，兼具頂拱大仰角錨索鉆孔能力，避免了搭設鋼管腳手架及其一系列問題；輔臂安裝輔助作業(yè)平臺，作為錨索注漿、錨墩施工及張拉等工序的操作平臺。同時，鉆機滑架上裝有導向裝置，對開孔和鉆孔精度進行有效控制。

多功能錨索鉆機采用電動全液壓動力系統(tǒng)、履帶式行走機構(gòu)，具體由電動機帶動液壓油泵，驅(qū)動液壓馬達及液壓油缸工作，實現(xiàn)行走、回轉(zhuǎn)、推進及鉆架變換角度等動作，采用齒輪減速機構(gòu)傳動，大油缸倍速給進，增加提拔力，油箱散熱效果好，性能可靠；采用風動沖擊型鉆機進行鉆孔，適應能力強，鉆孔深度大；鉆機滑架底部通過液壓馬達驅(qū)動的回轉(zhuǎn)支撐臺與主臂連接，能夠使鉆機360°旋轉(zhuǎn)，以滿足不同角度鉆孔需要，鉆機的靈活性和適應性顯著提高[2]，從而實現(xiàn)高精度、快速鉆孔。根據(jù)鉆機實際應用情況可知，該鉆機具有結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝性好、鉆進能力強、可遠距離操作、對施工工作面要求低、移動靈活、可快速就位和效率高等優(yōu)點。

多功能錨索在烏東德水電站左岸地下廠房、主變室開挖支護施工中獲得首次應用，取得良好效果，在每層爆破出渣完成后即可就位實施鉆孔作業(yè)，避免了搭設施工腳手架，并且占用空間小，行走靈活，對其他作業(yè)干擾小，施工效率高，能夠有效縮短開挖支護總體工期。多功能錨索鉆機性能參數(shù)詳見表1所列。

表1 多功能錨索鉆機主要性能參數(shù)表[2]

2.2 錨索液壓自動送索技術

錨索安裝常規(guī)方法采用手動提升葫蘆配合人工在鋼管腳手架上進行操作，長度30 m的錨索需配置10～15名人員方可順利實施安裝，且工效較低，此外搭設腳手架無法規(guī)避施工干擾大、工效低、安全風險高等問題。對于洞室頂拱大仰角和豎向錨索，因自重較大且具有柔性，安裝難度更大，一旦出現(xiàn)滑脫，人員傷亡概率較大。為此，研制出一種錨索液壓自動送索裝置[4]。該裝置由機架、固定導向管、活動導向管、液壓泵站、液壓伸縮缸、固定液壓卡箱和移動液壓卡箱等組成，如圖2所示。將該裝置安裝在吊車大臂頂端或多功能錨索鉆機輔助臂頂端，吊車就位后，只需人工在地面將錨索一端穿入該裝置的導向管內(nèi)，再操作吊車大臂使該裝置導向管與鉆孔對準并固定，然后在地面操作液壓系統(tǒng)，使液壓伸縮缸和液壓卡箱配合做往復運動即可將錨索體送入鉆孔內(nèi)，如圖3所示。該施工技術解決了因錨索自重大而安裝困難、提升葫蘆配合人工速度慢、安全風險高等問題，首次實現(xiàn)了錨索機械化安裝，大幅提高了施工效率。

圖2 錨索液壓自動送索裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 液壓自動送索裝置工作方式示意圖

2.3 錨索施工成套質(zhì)量控制技術

作為大型洞室深層支護措施，錨索的施工質(zhì)量直接影響洞室工程進度、施工安全和長期安全運行。通過改進施工工藝、研發(fā)應用專利技術，實現(xiàn)對錨索施工關鍵工序質(zhì)量的可靠控制。

2.3.1 錨索精準鉆孔技術

對穿錨索一般設置在兩個相鄰洞室間的巖體內(nèi)，多為水平孔。為使高邊墻淺層變形快速得到抑制，避免向深部擴展，通常邊墻系統(tǒng)錨桿需優(yōu)先快速實施，然后跟進實施深層支護。因此，受邊墻已實施密集系統(tǒng)錨桿影響，錨索鉆孔精度要求需更高，否則很容易與錨桿發(fā)生交叉，導致廢孔。確保精確的開孔定位及鉆進過程偏斜控制，能夠提高錨索施工成孔率，具體控制技術包括5個方面：①利用實際開挖成型面測量數(shù)據(jù)，采取三維空間復核確定錨索實際開孔位置及角度，避免實際開挖面凹凸不平導致終孔空間偏差；②利用多功能錨索鉆機車架液壓支腿、鉆機固定支桿，或設置固定樁和壓條鎖定對鉆機進行有效加固，確保鉆進穩(wěn)固，避免因鉆機晃動導致鉆孔偏斜；③采用后視點監(jiān)控裝置控制開孔傾角及方位角；④研制孔口導向精確定位裝置，配合鉆桿扶正器[2]控制鉆孔偏斜；⑤根據(jù)地質(zhì)條件和鉆孔深度調(diào)整開鉆及鉆進參數(shù)，通常將開鉆時鉆桿適當上傾一定角度，鉆進速度亦不同。地質(zhì)條件較差，則上傾角度略大，鉆進速度略慢；否則，上傾角度可略小，鉆進速度可略快。根據(jù)實際情況通過試驗總結(jié)具體確定。

2.3.2 注漿式止?jié){包技術

洞室內(nèi)錨索注漿一般采用氣囊式橡膠止?jié){塞止?jié){，這種止?jié){塞在市場上無專門廠家生產(chǎn)供應，通?，F(xiàn)場由摩托車內(nèi)胎改制而成，因此，其加工難度較大，尺寸及耐壓等質(zhì)量難以保證，導致施工中易發(fā)生移動、損壞，注漿質(zhì)量難以控制，返工率較高，且需配備專用充氣設備，需提前充氣、預注漿檢查；為防止注漿過程中漏漿，還需及時補充充氣以保證有足夠壓力[2]。為此，研制出一種注漿式止?jié){包裝置，如圖4～圖5所示，采用帆布制作的圓筒套在錨索體止?jié){環(huán)位置，兩端采用鉛絲綁扎牢固，綁扎處與鋼絞線間的空隙采用帆布或海綿填充緊密，帆布圓筒直徑大于鉆孔直徑5～10 cm；帆布圓筒包裹的進漿管上預留約5 cm長開口，在注漿初期壓力漿液首先充填帆布圓筒使其脹大，因帆布圓筒直徑大于鉆孔直徑，便于實現(xiàn)緊密填充索體與孔壁之間空隙的效果，達到止?jié){功能，同時利用進、回漿管漿液流動阻力形成的壓力差提高止?jié){效果[2]，進一步保證注漿質(zhì)量，并可簡化工序、縮短注漿時間。

圖4 注漿式止?jié){包裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 注漿式止?jié){包裝置

2.3.3 頂拱錨索止?jié){柱高壓止?jié){技術

頂拱錨索的特點是鉆孔軸線大角度上傾，甚至為豎向，這一特點帶來的問題除了錨索安裝困難外，還有注漿困難。注漿一般采用水泥濃漿，設計要求注漿壓力為0.3～0.5 MPa[2]。對于頂拱錨索注漿，隨著孔內(nèi)漿液逐漸上升，注漿泵的輸出壓力也需相應升高，以克服孔內(nèi)漿液自身產(chǎn)生的壓力，當孔內(nèi)注滿漿液時，注漿泵輸出的壓力為設計壓力與漿液自身壓力之和，還需考慮一定的壓力損失。以深度40 m豎向孔為例，實際輸出壓力達到約1 MPa[2]，為設計壓力的2倍以上，而承載這一壓力的關鍵是孔口的止?jié){裝置。而氣囊式止?jié){塞無法直接承載這一壓力，施工過程中普遍存在無法止?jié){，甚至出現(xiàn)氣囊破裂導致無法繼續(xù)注漿，對施工進度和質(zhì)量影響較大。

為解決這一問題，經(jīng)過理論研究和現(xiàn)場實踐，形成了頂拱錨索止?jié){柱施工工藝，即先利用氣囊式止?jié){塞阻塞孔口，進行濃漿限量注漿，使止?jié){塞以上2～3 m[2]充填漿液，待凝約24 h后即形成止?jié){柱，該止?jié){柱與孔壁緊密結(jié)合，不僅不會漏漿，且可承載很大的注漿壓力，單獨利用該止?jié){柱便可滿足二次注漿需要。采用止?jié){柱工藝后，徹底解決了頂拱錨索高壓止?jié){的技術難題，止?jié){效果可靠，保證了施工質(zhì)量，有利于提高工效。

2.3.4 錨索下索和錨墩保護技術

研制了錨索下索保護裝置。該裝置首先將護壁套筒放入錨索孔進口段，然后通過護壁套筒向錨索孔內(nèi)部插入編制完成的錨索體，錨索鋼絞線在弧形開口段的引導作用下逐漸進入到直壁段，最終通過直壁段進入到錨索孔內(nèi)部，避免了鋼絞線被孔口基巖損壞。研制了可移動式鋼錨墩防護裝置，該裝置在進行爆破之前，通過人工借助吊車將防護罩上的掛鉤固定在錨墩上方的鋼筋網(wǎng)或錨桿上，可以保護錨墩在爆破瞬間免遭飛石直接撞擊，降低錨墩損壞和廢索概率。

3 應用效果

該施工技術首次在烏東德水電站左岸地下廠房及主變洞錨索施工中得到成功應用，并在白鶴灘水電站地下工程中得到推廣應用，均取得良好效果。兩個工程的施工工效提高明顯，單元工程驗收合格率達100%[2]。

采用多功能錨索鉆機實施錨索鉆孔施工，首次實現(xiàn)了大型洞室開挖支護免腳手架施工。采用錨索液壓送索裝置，將頂拱錨索安裝時間由8 h左右縮短至2～3 h，工效提升顯著。應用錨索施工成套質(zhì)量控制技術，使錨索鉆孔成孔率由71.6%提高至95.0%以上，注漿質(zhì)量經(jīng)物探和超聲波等檢查，密實度均滿足設計及規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過研發(fā)新裝備、新裝置和改進施工工藝等措施，成功克服了傳統(tǒng)錨索施工技術存在的不足，形成大型地下洞室錨索施工成套裝備與技術。應用效果表明，該成套裝備與技術能夠顯著提高大型地下洞室錨索施工工效，降低施工安全風險，保證施工質(zhì)量和進度，對實現(xiàn)電站首臺機組發(fā)電控制性目標起到重要作用。該成套裝備與技術實現(xiàn)了大型地下洞室錨索施工機械化、自動化作業(yè)，提升了我國水利水電工程地下洞室施工技術水平。