三峽永久船閘高強錨桿的應用與研究

摘要：在三峽雙線五級船閘主體段的4面直立墻上實施的9.3萬根高強錨桿,是錨固技術上的一大發展。它解決了直立坡巖體與薄襯砌鋼筋混凝土墻的連接和襯砌墻的穩定，同時解決了巖體與襯砌墻間因溫度變形差異而引起的剪切變形問題。對高強錨桿的結構特點、相應的工藝技術及效果研究作了介紹。

關鍵詞：三峽船閘；高強錨桿；施工技術；效果；研究 

1 概述

　　長江三峽水利樞紐工程雙線連續五級船閘，位于長江左岸壇子嶺北側，其軸線方向為110°，主體段長1607 m。船閘修建在花崗巖山體中深切開挖的深槽之中，開挖最大邊坡高176m，上部為斜坡段，下部閘首及閘室為直立坡段，直立坡最大坡高68.5m，雙線船閘間保留寬60m、高45～68 m的直立坡巖體隔墩。閘室采用薄襯砌鋼筋混凝土墻結構，厚1.5～2.4m，墻體混凝土通過高強錨桿與巖體連接。

　　雙線五級船閘四面直立坡總面積約25.6萬m2，布置9.3萬根高強錨桿，這些錨桿具有加固直立坡巖體、維持閘室段薄襯砌鋼筋混凝土墻的連接作用；并在船閘運行期，當襯砌墻在閘室泄水后或檢修工況下，承受水壓力時，保證其穩定。在閘首部位，錨桿兼有控制巖體變形，以確保人字門擋水功能的作用。因此，高強錨桿的應用能否滿足工程要求，是備受關注的問題，也是工程施工的難題之一。

　　2 高強錨桿的結構及布置

　　2.1 結構設計

　　高強錨桿鉆孔為水平孔，孔徑為76mm，桿體為32mm的Ⅴ級高強精軋螺紋鋼筋，其結構由灌注于巖體內的內錨段、澆筑于混凝土內的外露段以及兩者之間的自由段等三部分組成。內錨段設10mm鋼筋的圓圈托架，外露段端部設置錨墊板，自由段經防腐處理安裝橡膠套管保護。高強錨桿結構設計見圖1。

　　圖1 高強錨桿結構設計圖

　　2.2 錨桿布置

　　高強錨桿的布置形式是根據水壓力的分布形態布置的，總體原則是上疏下密、上長下短，沿垂直向分3檔布置。

　　閘首按高度的不同有兩種布置形式，第1種為與下閘室相接部位，錨桿長度為9m、11m和13m，排距1.5m，孔距1.5m，外露端長為2.5m；第2種為與上閘室相接部位，錨桿長度為8m、10m和12m，排距1.2m、1.5m和1.5m，孔距2.0m，外露端長為1.45m、1.75m和2.05m。

　　閘室錨桿長度為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，外露段長為1.45m、1.75m和2.05m。

　　3 受力特點及材質性能

　　3.1 高強錨桿的受力特點

　　3.1.1 抗拉強度

　　高強錨桿在船閘運行期，當襯砌墻在閘室泄水后或檢修時，受透水壓力、溫度及自重荷載作用，單根錨桿可能要承受600kN抗拉荷載。

　　3.1.2 適應剪切變形

　　船閘高強錨桿是錨固直立坡巖體，連接和加固薄襯砌混凝土墻的桿體。在直立坡巖體和薄襯砌混凝土墻間，存在著溫度荷載作用下的差異形變所形成的剪切應力和變形，最大剪切位移5mm。因此，高強錨桿必須具有適應剪切變形功能。

　　3.2 材質性能

　　根據錨桿在控制工況下，滲透水壓力的作用強度計算分析，單根錨桿應具有承受340MPa荷載的能力，再加上溫度變形差異而引起的剪切變形，錨桿要承受的荷載承受荷載更大。因此普通鋼材的錨桿桿體已很難滿足穩定船閘結構的要求。經調研論證，設計采用32mm的Ⅴ級高強精軋螺紋鋼筋作為桿體，其力學性能指標為：屈服強度≥800MPa，極限抗拉強度≥1000MPa，伸長率≥6%，冷彎90°不出現裂紋，鋼筋表面不得有結疤和橫向裂紋。

　　4 施工工藝

　　4.1 造孔

　　雙線五級船閘，直立坡高45～68.5m，高強錨桿布設于直立坡上，月生產強度7000余根，高峰期強度高達13 000余根。為解決高直立坡、高強度的鉆孔條件，采用搭設鋼管排架的方案。

　　高強錨桿鉆孔為水平孔，終孔孔徑為76mm，孔斜率為2°[FS:PAGE]～4°，孔深和孔位誤差小于10cm。解決高強錨桿鉆孔技術，關鍵是解決鉆孔的設備問題。國內現有鉆機雖能滿足鉆孔的要求，但進尺慢、耗風量大，很難適應高強度、高速度施工的需要。針對錨桿鉆機的現狀，我們研制了一種新型的DCZ型錨桿鉆機。DCZ錨桿鉆機與其它錨桿鉆機有兩大改進，一是用孔外頂錘代替孔內潛孔錘，增大了單次沖擊能1～3倍；二是用電馬達代替了風馬達，降低了耗風量。經多次試驗比較鉆孔進尺由原來2～6m/h提高到7～10m/h。在錨桿鉆孔施工中采用以DCZ型鉆機為主，其它鉆機為輔的施工方案。

　　4.2 自由段防腐處理

　　4.2.1 防腐技術要求

　　1）自由段范圍內表面除銹達到的標準

　　表面清潔度達到《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB8923-88）中規定的Sa2等級，表面粗糙度應在60～80μm的范圍內。

　　2）噴涂材料及涂裝道數和厚度

　　噴鋅材料的粒徑為2～3mm，純度為99.99%。封閉材料采用BW9355型改性環氧防腐涂料，干膜厚度不得低于200μm。噴鋅2道，總厚度120～180μm，封閉層的干膜總厚度不小于400μm。面漆的顏色為灰色。

　　3）橡膠套管主要性能控制指標

　　橡膠套管主要性能控制指標見表1。

表1 橡膠套管主要性能控制指標表

　　4.2.2 工藝流程及技術

　　1）試驗流程

　　自由段除銹處理→噴鋅→涂料封閉→橡膠套管保護

　　2）除銹

　　高強錨桿自由段采用噴砂除銹。噴砂除銹在封閉式車間內進行，風采用經過冷干機凈化的壓縮空氣。噴砂磨料是經過調配的棱角鋼砂，平均粒徑為0.5～1.5mm。噴砂風壓為0.5MPa。除銹后，表面清潔度及粗糙度均達設計要求。

　　3）噴鋅

　　噴鋅工藝采用先進的熱噴方法——電弧噴涂。噴鋅設備為XDP-5型電弧噴涂機，噴鋅材料為3mm鋅絲。在噴鋅作業過程中，噴槍噴距10～20cm，噴角0°～15°，噴槍移動速度12～18cm/s。更換噴涂面時，應有1/3寬度的重疊噴涂帶，噴壓不低于0.4 MPa。

　　4）涂料封閉

　　涂料封閉采用人工單根分兩次涂刷，先涂刷低粘度BW9306涂料作底層涂漆，然后再涂BW9355作為面層涂漆，封閉效果好，且表面光滑平整。

　　5）橡膠套管生產及保護工藝

　　根據設計對橡膠保護套管材料性能要求，當時市場上沒有符合這種性能橡膠管。為了解決橡膠保護套管，建設四方一起到機械工業部武漢材料保護研究所請教，并委托武漢材料保護研究所試驗和提供配方，由武漢市國營武漢膠管廠試生產。廠家生產的橡膠管，經檢驗合格后，再投入生產使用。（具體生產檢驗性能見表1）。

　　保護橡膠管的安裝工藝很簡單，安裝要求是待漆膜固化后，套上橡膠管，兩端用高壓絕緣帶綁扎牢固，并密封好。

　　6）檢測器具及方法

　　表面清潔度的檢查采用10倍放大鏡和光線進行檢查鑒定。表面粗糙度的檢查方法，采用儀器測量法和樣塊對比法。噴鋅和涂料封閉厚度檢測，采用BC-100A杠桿測厚儀、德國產PENTEST厚度測試筆，探針式千分表和齒式濕膜測厚儀等儀器檢測。

　　4.3 錨固段灌漿技術

　　4.3.1 灌漿泵及配合比

　　灌漿泵選用150/15型砂漿泵，該泵輸送砂漿水平距離200m，垂直距離40m，流量150l/min，拌和均勻，連續性能好。砂漿強度為R28300#，砂漿配合比分別對水∶水泥∶砂=0.38∶1.0∶1.0。外加劑用量，AEA膨脹劑為水泥重量的8.7%，JG-2型減水劑為水泥和AEA膨脹劑用量的0.5%。水泥為525#普通硅酸鹽水泥，砂為天然河砂或人工砂，最大粒徑不大于2.5mm

　　4.3.2 灌漿方法及結束標準

　　灌漿采用了孔口封閉和循環灌漿的方式。灌漿結束標準選用達到設計規定壓力，孔內不吸漿，回漿管回漿濃度比重與進漿管濃度比重一致后，抬高回漿管高于孔口2m綁扎固定后結束灌漿。

　　4.4 組裝和安裝

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錨桿的組裝，采取現場設組裝間，對錨固段桿體進行除銹去污，安裝對中圓圈托架，綁扎進漿管和回漿管。

　　錨桿的安裝，根據設計圖紙及要求進行控制。錨桿由工人運送到安裝現場，利用施工排架安裝手拉葫蘆將錨桿垂直運送到安裝位置，輔以人工安裝。安裝時主要控制兩項指標，孔外自由段長度及錨桿的外露長度。錨桿的安裝分排分區測量拉線控制，自由段長度按不小于20cm進行控制和調整；外露段長度按小于外端邊線5～10cm進行控制。

　　4.5 外露段的保護和埋設

　　高強錨桿外露端的保護主要采用橡膠套管進行封閉措施進行保護。

　　高強錨桿外露端錨墊板的安裝，選擇在混凝土塊號準備時安裝。固定錨墊板的結構，經過多種結構比較，最后選定錨墊板內側上普通螺帽，外側上墊片和YCW-32螺帽的固定結構。

　　4.6 套接技術

　　為了解決高強錨桿由于地質缺陷處理超挖部位和后期施工過程中受不確定因素作用造成外露段長度不夠或斷折，不能滿足要求等問題，施工中引進冷擠壓套筒技術。

　　在引進冷擠壓套筒技術中，對套筒長度為260mm，8道壓痕套筒接頭，其擠壓連接套筒參數見表2。

表2 錨桿連接擠壓參數推薦表

　　5 效果研究

　　由于船閘最大直立墻高強錨桿受力復雜以及對結構的穩定和運行安全具有關鍵性作用。因此，在施工過程中，根據錨桿各組成部分的受力特點進行了針對性的研究。

　　5.1 錨固段效果

　　錨固段的效果研究，主要進行常規拉拔檢測和反復拉拔試驗。常規拉拔檢測對3根錨桿進行了拉拔試驗，拉拔荷載分級施工，最大張拉荷載為600kN。拉拔結果表明，在600kN張拉荷載作用下，桿體均處于彈性裝態，卸荷后桿體和砂漿均未出現不可恢復變形。具備600kN的抗拉能力和承載能力。

　　反復循環張拉試驗，對3根錨桿進行了3個循環的張拉，每一個循環的張拉荷載按300kN、450kN和600kN分級加荷。3根錨桿在安裝時，分別在孔內0.2m、0.7m、1.2m、2.0m、3.0m、4.0m和5.7m處安裝應變片，通過應變片測出桿體各部位的受力狀況，其錨桿的受力狀況及影響深度見表3。

表3 反復張拉最大荷載作用下錨桿應力單位/Mpa

　　① 每一循環按300kN、450kN和600kN加荷。

　　② 本表只匯總每根試驗錨桿最大一級張拉荷載作用下應力分布。

　　結果顯示，錨桿在反復循環荷載作用下，錨桿的應力及影響的特征是：錨桿應力隨加載循環次數增加，不斷向孔內傳遞。第一次循環在600kN張拉荷載作用下，孔深0.2m處錨桿的平均應力595.28MPa，最大應力679.70 MPa；在第三次循環荷載作用下，錨桿應力影響深度一般在0.7～1.2m的范圍內，最大應力330.8 MPa，平均應力180.23 MPa。結果同時顯示，隨著荷載循環次數增加，錨桿應力的影響深度增加，并有滯后張拉荷載的現象。結果也說明，在反復循環荷載作用下錨固段的錨固效果很好，滿足最大受力的要求。

　　5.2 自由段剪切變形效果

　　自由段剪切變形效果研究，主要對自由段孔內埋深為0.3m、0.8m和1.0m等3種形式，在不同荷載和剪切變形條件下，錨桿剪切荷載的變化裝況的試驗研究。錨桿剪切試驗成果見表4。

　　結果顯示如下特征和范圍：

　　在同一荷載作用下，隨著剪切位移的增大，剪切荷載也不斷增大，二者存在較好的線性關系；

　　在孔內自由段長度相同和剪切位移相等條件下，剪切荷載隨張拉荷載增大，有較好的線性關系。表4錨桿剪切試驗成果表孔內自由段長度對剪切荷載的影響不顯著，并沒有顯示剪切荷載變化因自由段長度增加向某種趨勢發展的規律，這意味著孔內有0.3m長的自由段長度，即可滿足最大張拉荷載600kN的作用和產生5mm剪切位移的要求。

　　5.3 外露段加固效果研究

　　5.3.1 研究項目及內容

　　主要通過循環、分級張拉[FS:PAGE]試驗，全面測試外露段桿體（含錨墊板）和周邊混凝土的受力狀態和變形特征，驗證其加固效果的可靠性。試驗的種類和參數見表5。

表5 試驗項目及參數表

　　5.3.1 錨桿應力及影響深度

　　三類錨桿在350kN和600kN荷載作用下錨桿應力分布見表6。

表6 不同荷載作用下錨桿應力分布表 單位/MPa

　　在同等條件下，混凝土結構內錨桿應力比巖體內的砂漿錨桿應力要低得多。這一結果顯示，混凝土結構內錨桿的粘結條件及介質承載能力要比巖石內砂漿錨桿好得多，它承擔了更多的外荷。

　　三次循環荷載作用下，錨桿應力隨深度不超過0.8m，且衰減速率非常快。錨桿深度0.8m處應力很小，平均值為5.74MPa。

　　錨墊板的應力在零左右波動，主要受測試系統的影響。顯然應力很小或為零。錨墊板作為一種結構上的安全儲備措施也是很有必要的。結果表明，外露段加固效果滿足設計要求。

　　6 結語

　　在三峽雙線5級船閘直立坡，應用9萬余根高強錨桿，作為錨固巖體，連結閘墻混凝土結構與巖體一起聯合受力，在技術上是一個創新和發展，在數量上也是空前的。因此，在高強錨桿的施工過程中，除認真研究施工工藝技術和嚴格工序工藝控制外，還進行了8894根錨桿的拉拔檢測和1225組砂漿強度檢測。通過工序驗收和檢測成果分析，工程施工過程控制嚴格有效，工程質量優良。

　　為驗證高強錨桿施工質量的可靠性和桿體各組成部分是否滿足設計要求，對桿體各組成部分進行了針對性的試驗研究。通過試驗分析，結果表明，錨桿在巖體內錨固段和在混凝土結構內的外露段，在最大拉拔荷載600kN的反復作用下和施加最大5mm剪切變形的條件下，具有足夠的承載能力和抗拉拔能力；自由段完全適應和滿足設計最大剪切變形的要求。總之，錨桿具備了直立坡巖體與薄襯砌鋼筋混凝土連接和確保砌襯混凝土墻穩定的功能。試驗結果，同時也驗證了高強錨桿的施工技術是可靠的，錨固效果好，滿足設計功能要求。

　　雖然永久船閘直立坡高強錨桿已于2000年9月竣工，閘墻結構混凝土工程也于2002年4月竣工，目前直立墻結構穩定，并分別通過分部分項工程驗收，但是工程有待經受通航運行的考驗，有待通過運行檢驗。