三峡永久船闸高强锚杆的应用与研究

摘要：在三峡双线五级船闸主体段的4面直立墙上实施的9.3万根高强锚杆,是锚固技术上的一大发展。它解决了直立坡岩体与薄衬砌钢筋混凝土墙的连接和衬砌墙的稳定，同时解决了岩体与衬砌墙间因温度变形差异而引起的剪切变形问题。对高强锚杆的结构特点、相应的工艺技术及效果研究作了介绍。

关键词：三峡船闸；高强锚杆；施工技术；效果；研究 

1 概述

　　长江三峡水利枢纽工程双线连续五级船闸，位于长江左岸坛子岭北侧，其轴线方向为110°，主体段长1607 m。船闸修建在花岗岩山体中深切开挖的深槽之中，开挖最大边坡高176m，上部为斜坡段，下部闸首及闸室为直立坡段，直立坡最大坡高68.5m，双线船闸间保留宽60m、高45～68 m的直立坡岩体隔墩。闸室采用薄衬砌钢筋混凝土墙结构，厚1.5～2.4m，墙体混凝土通过高强锚杆与岩体连接。

　　双线五级船闸四面直立坡总面积约25.6万m2，布置9.3万根高强锚杆，这些锚杆具有加固直立坡岩体、维持闸室段薄衬砌钢筋混凝土墙的连接作用；并在船闸运行期，当衬砌墙在闸室泄水后或检修工况下，承受水压力时，保证其稳定。在闸首部位，锚杆兼有控制岩体变形，以确保人字门挡水功能的作用。因此，高强锚杆的应用能否满足工程要求，是备受关注的问题，也是工程施工的难题之一。

　　2 高强锚杆的结构及布置

　　2.1 结构设计

　　高强锚杆钻孔为水平孔，孔径为76mm，杆体为32mm的Ⅴ级高强精轧螺纹钢筋，其结构由灌注于岩体内的内锚段、浇筑于混凝土内的外露段以及两者之间的自由段等三部分组成。内锚段设10mm钢筋的圆圈托架，外露段端部设置锚垫板，自由段经防腐处理安装橡胶套管保护。高强锚杆结构设计见图1。

　　图1 高强锚杆结构设计图

　　2.2 锚杆布置

　　高强锚杆的布置形式是根据水压力的分布形态布置的，总体原则是上疏下密、上长下短，沿垂直向分3档布置。

　　闸首按高度的不同有两种布置形式，第1种为与下闸室相接部位，锚杆长度为9m、11m和13m，排距1.5m，孔距1.5m，外露端长为2.5m；第2种为与上闸室相接部位，锚杆长度为8m、10m和12m，排距1.2m、1.5m和1.5m，孔距2.0m，外露端长为1.45m、1.75m和2.05m。

　　闸室锚杆长度为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，外露段长为1.45m、1.75m和2.05m。

　　3 受力特点及材质性能

　　3.1 高强锚杆的受力特点

　　3.1.1 抗拉强度

　　高强锚杆在船闸运行期，当衬砌墙在闸室泄水后或检修时，受透水压力、温度及自重荷载作用，单根锚杆可能要承受600kN抗拉荷载。

　　3.1.2 适应剪切变形

　　船闸高强锚杆是锚固直立坡岩体，连接和加固薄衬砌混凝土墙的杆体。在直立坡岩体和薄衬砌混凝土墙间，存在着温度荷载作用下的差异形变所形成的剪切应力和变形，最大剪切位移5mm。因此，高强锚杆必须具有适应剪切变形功能。

　　3.2 材质性能

　　根据锚杆在控制工况下，渗透水压力的作用强度计算分析，单根锚杆应具有承受340MPa荷载的能力，再加上温度变形差异而引起的剪切变形，锚杆要承受的荷载承受荷载更大。因此普通钢材的锚杆杆体已很难满足稳定船闸结构的要求。经调研论证，设计采用32mm的Ⅴ级高强精轧螺纹钢筋作为杆体，其力学性能指标为：屈服强度≥800MPa，极限抗拉强度≥1000MPa，伸长率≥6%，冷弯90°不出现裂纹，钢筋表面不得有结疤和横向裂纹。

　　4 施工工艺

　　4.1 造孔

　　双线五级船闸，直立坡高45～68.5m，高强锚杆布设于直立坡上，月生产强度7000余根，高峰期强度高达13 000余根。为解决高直立坡、高强度的钻孔条件，采用搭设钢管排架的方案。

　　高强锚杆钻孔为水平孔，终孔孔径为76mm，孔斜率为2°[FS:PAGE]～4°，孔深和孔位误差小于10cm。解决高强锚杆钻孔技术，关键是解决钻孔的设备问题。国内现有钻机虽能满足钻孔的要求，但进尺慢、耗风量大，很难适应高强度、高速度施工的需要。针对锚杆钻机的现状，我们研制了一种新型的DCZ型锚杆钻机。DCZ锚杆钻机与其它锚杆钻机有两大改进，一是用孔外顶锤代替孔内潜孔锤，增大了单次冲击能1～3倍；二是用电马达代替了风马达，降低了耗风量。经多次试验比较钻孔进尺由原来2～6m/h提高到7～10m/h。在锚杆钻孔施工中采用以DCZ型钻机为主，其它钻机为辅的施工方案。

　　4.2 自由段防腐处理

　　4.2.1 防腐技术要求

　　1）自由段范围内表面除锈达到的标准

　　表面清洁度达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB8923-88）中规定的Sa2等级，表面粗糙度应在60～80μm的范围内。

　　2）喷涂材料及涂装道数和厚度

　　喷锌材料的粒径为2～3mm，纯度为99.99%。封闭材料采用BW9355型改性环氧防腐涂料，干膜厚度不得低于200μm。喷锌2道，总厚度120～180μm，封闭层的干膜总厚度不小于400μm。面漆的颜色为灰色。

　　3）橡胶套管主要性能控制指标

　　橡胶套管主要性能控制指标见表1。

表1 橡胶套管主要性能控制指标表

　　4.2.2 工艺流程及技术

　　1）试验流程

　　自由段除锈处理→喷锌→涂料封闭→橡胶套管保护

　　2）除锈

　　高强锚杆自由段采用喷砂除锈。喷砂除锈在封闭式车间内进行，风采用经过冷干机净化的压缩空气。喷砂磨料是经过调配的棱角钢砂，平均粒径为0.5～1.5mm。喷砂风压为0.5MPa。除锈后，表面清洁度及粗糙度均达设计要求。

　　3）喷锌

　　喷锌工艺采用先进的热喷方法——电弧喷涂。喷锌设备为XDP-5型电弧喷涂机，喷锌材料为3mm锌丝。在喷锌作业过程中，喷枪喷距10～20cm，喷角0°～15°，喷枪移动速度12～18cm/s。更换喷涂面时，应有1/3宽度的重叠喷涂带，喷压不低于0.4 MPa。

　　4）涂料封闭

　　涂料封闭采用人工单根分两次涂刷，先涂刷低粘度BW9306涂料作底层涂漆，然后再涂BW9355作为面层涂漆，封闭效果好，且表面光滑平整。

　　5）橡胶套管生产及保护工艺

　　根据设计对橡胶保护套管材料性能要求，当时市场上没有符合这种性能橡胶管。为了解决橡胶保护套管，建设四方一起到机械工业部武汉材料保护研究所请教，并委托武汉材料保护研究所试验和提供配方，由武汉市国营武汉胶管厂试生产。厂家生产的橡胶管，经检验合格后，再投入生产使用。（具体生产检验性能见表1）。

　　保护橡胶管的安装工艺很简单，安装要求是待漆膜固化后，套上橡胶管，两端用高压绝缘带绑扎牢固，并密封好。

　　6）检测器具及方法

　　表面清洁度的检查采用10倍放大镜和光线进行检查鉴定。表面粗糙度的检查方法，采用仪器测量法和样块对比法。喷锌和涂料封闭厚度检测，采用BC-100A杠杆测厚仪、德国产PENTEST厚度测试笔，探针式千分表和齿式湿膜测厚仪等仪器检测。

　　4.3 锚固段灌浆技术

　　4.3.1 灌浆泵及配合比

　　灌浆泵选用150/15型砂浆泵，该泵输送砂浆水平距离200m，垂直距离40m，流量150l/min，拌和均匀，连续性能好。砂浆强度为R28300#，砂浆配合比分别对水∶水泥∶砂=0.38∶1.0∶1.0。外加剂用量，AEA膨胀剂为水泥重量的8.7%，JG-2型减水剂为水泥和AEA膨胀剂用量的0.5%。水泥为525#普通硅酸盐水泥，砂为天然河砂或人工砂，最大粒径不大于2.5mm

　　4.3.2 灌浆方法及结束标准

　　灌浆采用了孔口封闭和循环灌浆的方式。灌浆结束标准选用达到设计规定压力，孔内不吸浆，回浆管回浆浓度比重与进浆管浓度比重一致后，抬高回浆管高于孔口2m绑扎固定后结束灌浆。

　　4.4 组装和安装

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锚杆的组装，采取现场设组装间，对锚固段杆体进行除锈去污，安装对中圆圈托架，绑扎进浆管和回浆管。

　　锚杆的安装，根据设计图纸及要求进行控制。锚杆由工人运送到安装现场，利用施工排架安装手拉葫芦将锚杆垂直运送到安装位置，辅以人工安装。安装时主要控制两项指标，孔外自由段长度及锚杆的外露长度。锚杆的安装分排分区测量拉线控制，自由段长度按不小于20cm进行控制和调整；外露段长度按小于外端边线5～10cm进行控制。

　　4.5 外露段的保护和埋设

　　高强锚杆外露端的保护主要采用橡胶套管进行封闭措施进行保护。

　　高强锚杆外露端锚垫板的安装，选择在混凝土块号准备时安装。固定锚垫板的结构，经过多种结构比较，最后选定锚垫板内侧上普通螺帽，外侧上垫片和YCW-32螺帽的固定结构。

　　4.6 套接技术

　　为了解决高强锚杆由于地质缺陷处理超挖部位和后期施工过程中受不确定因素作用造成外露段长度不够或断折，不能满足要求等问题，施工中引进冷挤压套筒技术。

　　在引进冷挤压套筒技术中，对套筒长度为260mm，8道压痕套筒接头，其挤压连接套筒参数见表2。

表2 锚杆连接挤压参数推荐表

　　5 效果研究

　　由于船闸最大直立墙高强锚杆受力复杂以及对结构的稳定和运行安全具有关键性作用。因此，在施工过程中，根据锚杆各组成部分的受力特点进行了针对性的研究。

　　5.1 锚固段效果

　　锚固段的效果研究，主要进行常规拉拔检测和反复拉拔试验。常规拉拔检测对3根锚杆进行了拉拔试验，拉拔荷载分级施工，最大张拉荷载为600kN。拉拔结果表明，在600kN张拉荷载作用下，杆体均处于弹性装态，卸荷后杆体和砂浆均未出现不可恢复变形。具备600kN的抗拉能力和承载能力。

　　反复循环张拉试验，对3根锚杆进行了3个循环的张拉，每一个循环的张拉荷载按300kN、450kN和600kN分级加荷。3根锚杆在安装时，分别在孔内0.2m、0.7m、1.2m、2.0m、3.0m、4.0m和5.7m处安装应变片，通过应变片测出杆体各部位的受力状况，其锚杆的受力状况及影响深度见表3。

表3 反复张拉最大荷载作用下锚杆应力单位/Mpa

　　① 每一循环按300kN、450kN和600kN加荷。

　　② 本表只汇总每根试验锚杆最大一级张拉荷载作用下应力分布。

　　结果显示，锚杆在反复循环荷载作用下，锚杆的应力及影响的特征是：锚杆应力随加载循环次数增加，不断向孔内传递。第一次循环在600kN张拉荷载作用下，孔深0.2m处锚杆的平均应力595.28MPa，最大应力679.70 MPa；在第三次循环荷载作用下，锚杆应力影响深度一般在0.7～1.2m的范围内，最大应力330.8 MPa，平均应力180.23 MPa。结果同时显示，随着荷载循环次数增加，锚杆应力的影响深度增加，并有滞后张拉荷载的现象。结果也说明，在反复循环荷载作用下锚固段的锚固效果很好，满足最大受力的要求。

　　5.2 自由段剪切变形效果

　　自由段剪切变形效果研究，主要对自由段孔内埋深为0.3m、0.8m和1.0m等3种形式，在不同荷载和剪切变形条件下，锚杆剪切荷载的变化装况的试验研究。锚杆剪切试验成果见表4。

　　结果显示如下特征和范围：

　　在同一荷载作用下，随着剪切位移的增大，剪切荷载也不断增大，二者存在较好的线性关系；

　　在孔内自由段长度相同和剪切位移相等条件下，剪切荷载随张拉荷载增大，有较好的线性关系。表4锚杆剪切试验成果表孔内自由段长度对剪切荷载的影响不显著，并没有显示剪切荷载变化因自由段长度增加向某种趋势发展的规律，这意味着孔内有0.3m长的自由段长度，即可满足最大张拉荷载600kN的作用和产生5mm剪切位移的要求。

　　5.3 外露段加固效果研究

　　5.3.1 研究项目及内容

　　主要通过循环、分级张拉[FS:PAGE]试验，全面测试外露段杆体（含锚垫板）和周边混凝土的受力状态和变形特征，验证其加固效果的可靠性。试验的种类和参数见表5。

表5 试验项目及参数表

　　5.3.1 锚杆应力及影响深度

　　三类锚杆在350kN和600kN荷载作用下锚杆应力分布见表6。

表6 不同荷载作用下锚杆应力分布表 单位/MPa

　　在同等条件下，混凝土结构内锚杆应力比岩体内的砂浆锚杆应力要低得多。这一结果显示，混凝土结构内锚杆的粘结条件及介质承载能力要比岩石内砂浆锚杆好得多，它承担了更多的外荷。

　　三次循环荷载作用下，锚杆应力随深度不超过0.8m，且衰减速率非常快。锚杆深度0.8m处应力很小，平均值为5.74MPa。

　　锚垫板的应力在零左右波动，主要受测试系统的影响。显然应力很小或为零。锚垫板作为一种结构上的安全储备措施也是很有必要的。结果表明，外露段加固效果满足设计要求。

　　6 结语

　　在三峡双线5级船闸直立坡，应用9万余根高强锚杆，作为锚固岩体，连结闸墙混凝土结构与岩体一起联合受力，在技术上是一个创新和发展，在数量上也是空前的。因此，在高强锚杆的施工过程中，除认真研究施工工艺技术和严格工序工艺控制外，还进行了8894根锚杆的拉拔检测和1225组砂浆强度检测。通过工序验收和检测成果分析，工程施工过程控制严格有效，工程质量优良。

　　为验证高强锚杆施工质量的可靠性和杆体各组成部分是否满足设计要求，对杆体各组成部分进行了针对性的试验研究。通过试验分析，结果表明，锚杆在岩体内锚固段和在混凝土结构内的外露段，在最大拉拔荷载600kN的反复作用下和施加最大5mm剪切变形的条件下，具有足够的承载能力和抗拉拔能力；自由段完全适应和满足设计最大剪切变形的要求。总之，锚杆具备了直立坡岩体与薄衬砌钢筋混凝土连接和确保砌衬混凝土墙稳定的功能。试验结果，同时也验证了高强锚杆的施工技术是可靠的，锚固效果好，满足设计功能要求。

　　虽然永久船闸直立坡高强锚杆已于2000年9月竣工，闸墙结构混凝土工程也于2002年4月竣工，目前直立墙结构稳定，并分别通过分部分项工程验收，但是工程有待经受通航运行的考验，有待通过运行检验。