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1、岩锚梁施工工法岩锚梁施工工法一、前言岩锚梁(见图 1)是岩壁吊车梁的简称，利用一定深度的注浆长锚杆将钢筋混凝土梁体牢牢地锚固在岩石上，它承受的荷载通过长锚杆和岩石壁面摩擦力传到岩体上。它与普通的现浇梁相比，不设立柱，充分利用围岩的承载能力。岩锚梁是从挪威引进的高新技术成果，它是一项集光面(预裂)爆破、锚固技术，混凝土技术，应力、应变和位移量测技术于一体的综合性施工技术，技术要求高，施工难度大。图 1 岩锚梁结构岩锚梁主要应用于大型水利枢纽工程地下厂房中机电设备的安装、维修等。它与岩台梁及其他结构梁相比，能缩窄地下厂房的跨度，减少工程量，降低工程造价，增加洞室的稳定。开挖到相应部位即可施工岩锚梁
2、，无需等整个洞室全部开挖完成后再施作，岩锚梁的提前施工又为下一步的施工创造了十分有利的条件，可使整个主厂房的工期缩短 8 个月左右，经济效益极为显著。在我国，岩锚梁的应用正处于起步和推广阶段，其施工技术正逐步完善。已建成投入运行的有云南鲁布革电站、贵州东风电站和太平驿电站、广东抽水蓄能电站。江垭电站于 1997 年 12 月建成并投入机电安装，现已投入运营。正在建设的黄河小浪底水利枢纽等水利工程也将采用这种新型结构。中铁第十六工程局承担的湖南省江垭电站地下厂房和尾调室均设有岩锚梁。施工过程中对其施工工艺进行研究、总结，形成本工法。二、工法特点1施工工艺完善、简便，可操作性强，降低劳动强度。2施
3、工速度快，工效高，确保工期。3施工质量容易得到保证，能够满足设计要求。三、适用范围本工法适用于地下厂房岩锚梁施工，也适用于类似结构的工程项目。四、施工要点岩锚梁施工技术是水电施工的尖端技术之一。岩台开挖、长锚杆施工、梁体混凝土施工是岩锚梁施工的三大技术难题，特别对岩台开挖、长锚杆施工质量要求极严。地下厂房的开挖深度一般在 50m 左右，分层开挖，第 1 层(拱部)施工完成以后，即可进行第层开挖及岩锚梁的施工，然后再进行第层以下的开挖。因此 I、层分层高度要合理，主要考虑以下因素：满足岩台开挖前预留保护层的厚度；满足岩锚梁锚杆施工所需的空间；梁体混凝土施工要方便；第层开挖爆破振动对已施工完成的岩
4、锚梁影响要小。1岩台开挖岩台开挖是岩锚梁施工最关键的技术。要预留 2.53.0m 的保护层，然后再进行岩台开挖。岩台用 7655 型凿岩机人工开挖，分四步进行(见图 2)，造孔方向、爆破参数和开挖方法要根据不同的地质情况经试验、模拟后确定。第层边墙在梁体施工前预裂，目的是减少第层开挖爆破对岩锚梁产生不利影响。图 2 岩台开挖图 3 锚杆角度控制2锚杆施工(1)用 H178 型三臂钻孔台车造孔，锚杆角度用角度架控制(如图 3 所示)。锚杆位置用油漆按设计要求标出。必须核实锚杆角度，符合要求后，方可开钻。钻杆长度根据孔深确定，并用连接套连接。钻孔完成后用高压水将孔内岩粉冲洗干净，下倾角锚孔内积水和
5、岩粉在注浆前用高压风吹干净。(2)注浆方式决定着锚杆锚固质量。注浆方式原则上分为双管注浆和单管注浆两大类。双管注浆是先安装锚杆和排气管，然后注浆，注浆后将排气管抽出，锚孔直径应大于锚杆直径 25mm 以上，便于安装排气管和注浆管；单管注浆是先注浆后插锚杆，锚孔直径大于锚杆直径 15mm 以上。注浆施工前要作注浆密实性模拟试验。试验选取内径与锚孔相近，长度与锚孔一样的塑料管，将管一端密封，按预定方向固定，分别采用两种方式注浆和安装锚杆，养生一周后，将管剖开，检查杆体位置及注浆密实程度。根据试验结果确定相应的注浆方式。一般情况，受拉锚杆直径粗，杆体长，重量大，采用双管注浆；辅助锚杆和受压锚杆采用单
6、管注浆。(3)采用棉纱或牛皮纸注浆塞，操作方便，密封性好，经济节约。(4)经对比试验确定的配合比(重量比)为：425#水泥：细砂：水 = 1：1.0：(0.400.42)。细砂用细度模数小于 2.0 的天然砂，使用前要过筛，不宜使用机制砂。(5)锚杆施工工艺流程(见图 4)。图 4 锚杆施工工艺流程3梁体施工(1)梁体钢筋混凝土施工。岩锚梁构造特殊，体积大，模板和支撑的设计必须进行计算，并考虑适度的安全系数。在底模和下部支撑完工后经复测符合要求后进行钢筋绑扎。钢筋笼绑扎后要与锚杆焊接牢固，确保钢筋笼在混凝土入模时不移位、不变形。混凝土采用分段平仓、连续灌注。(2)预防裂缝。我国已经完工的岩锚梁
7、，绝大多数的梁体均出现不同程度的垂直于梁长方面的横向裂缝。岩锚梁作为一种悬臂结构梁，梁体的横向裂缝对梁体的使用并无多大影响，但对梁体的耐久性是有影响的(主要是钢筋锈蚀)，需修补处理。我们在岩锚梁施工的初期也出现过类似情况。岩锚梁裂缝是梁体混凝土热量散失引起的冷缩变形和内外约束条件共同作用的结果，这种裂缝的特征是有序分段开裂，呈“八”字形，远离岩台面一侧较宽；洞室开挖后地质构造产生不均匀变形也是产生梁体裂缝的一个十分重要的原因；爆破震动对梁体裂缝的形成也是不可忽视的因素。岩锚梁梁体混凝土属大体积的范畴，应看作超长大体积且受到外界约束条件较强的结构物。裂缝的控制从设计和施工两个方面着手，综合治理。
8、1)合理选择混凝土配合比。在满足设计要求的前提下，粗骨料选用二级配或三级配，掺入减水剂，控制水泥用量，降低水化过程中产生的热量。控制粗骨料、细骨料的含泥量不超过 1和 3。2)改善内外约束条件。改善约束条件的有效途径是：合理配筋，加大对混凝土的内在约束力，改变内外约束的力量对比，控制混凝土拉应力裂缝产生。梁体混凝土不出现拉应力开裂的最大允许长度可用下式(傅温主编混凝土工程新技术 ，中国建筑工业出版社，1998 年版，156 页)计算：式中 E混凝土弹性模量，C23 级混凝土：E=2.9104MPa；H基础混凝土厚度，岩锚梁不等同于基础，它在竖直方向和水平方向跟岩面接触，受到约束力偏大，计算中“
9、应扣除水平方向与岩面接触的高度；CX约束系数，取 CX = 15010 2 Nmm3；钢筋混凝土线膨胀系数，取 = 1010 6 mm；T约束体与被约束体温差；P钢筋混凝土极限拉伸，已考虑配筋，取 P = 1.210 4 。3)尽量降低入仓混凝土的温度。混凝土内部温度是水泥水化热的绝热温度、灌注温度和混凝土散热温度三者的叠加。灌注温度降低后，就能适当降低混凝土内部温度。尽量避开气温较高的日子，必要时采取洒水降温等措施。4)改善养护条件。保持表面不干燥即可，不宜过量洒水，以至混凝土表面降温过快，加大内外部温差。5)控制爆破振动对梁体混凝土的影响程度。梁体内部存在拉应力时，爆破振动导致梁体出现裂缝
10、的可能性大大增加。下层边墙在梁体施工前进行预裂爆破，可以降低地震波的传播范围。因为爆破产生的冲击波 95以上在预裂分界面返回开挖区。采用微差控爆技术，使相邻炮眼起爆时差不小于 50ms，控制一次起爆药量。6)合理设置临时变形缝。在施工条件和工期允许的情况下，设临时性变形缝(即后浇带)是控制裂缝的有效方法，能使施工期间较高温差产生的收缩应力得到有效的释放。需要说明的是后浇段一般在先浇段完成后不小于 40d 施工，时间过短将失去作用，因此在抢工期的前提下意义不大。另外，控制地应力引起的梁体裂缝较为困难，通常借助量测技术进行观测、分析判断，确认稳定后再作处理，或者采用深层岩体预应力锚固技术限制岩体的
11、变形。五、机具设备(见表 1)表 1 机具设备六、劳动组织(见表 2)表 2 劳动组织七、质量控制1岩台开挖光面爆破和预裂爆破的炮痕率，整体性好的岩体95以上，其他岩体不低于 90。岩台上边墙和岩台台面超挖不得大于 5cm，不得欠挖，岩台下边墙不得超挖，欠挖不得大于 10 cm。爆破后原有裂隙不得有明显扩展，不增加新的裂隙。2锚杆施工允许误差：孔位5cm，深度5cm，锚杆偏角3，抗拨力达到设计强度的 95以上，注浆密实度达到设计注浆长度的 95以上。八、安全措施1进入施工现场的人员，必须戴安全帽。2洞内爆破时，所有人员必须撤离安全地带。3洞内施工机械、车辆较多，加强现场调度指挥，注意安全。4非
12、专业人员不得操作施工机械和洞内的其他设备。5注浆压力表或安全阀如发生损坏或失灵，立即更换，注浆管前严禁站人。九、效益分析1施工方法针对性强，技术可靠，施工质量容易得到保证。2降低劳动强度，工效高。但岩锚梁施工仍然是一项费工费时费用较高的项目，加上现在还没有配套定额对比分析，其经济效益很难估算和比较。3岩锚梁施工是地下厂房土建工程核心部位最重要、最关键的技术。岩锚梁施工效益体现在社会效益方面。谁掌握了该项新技术就意味着谁有资格参与该工程项目的竞争。十、工程实例湖南省江垭水电站地下厂房和尾调室均设有岩锚梁。主厂房岩锚梁高 2.33m，宽 2.05m，单侧梁长 83.0m，设计荷载为 5000kN；
13、尾调室岩锚梁高 1.50m，宽 1.45m，单侧梁长 56.0m，设计荷载为2000kN。二者断面形状、配筋情况、锚杆布置相似，采用相同的施工方法。1岩台开挖。主厂房和尾调室岩锚梁岩台部位的岩体不同程度存在断层、层间错动挤压破碎带等不良地质情况，增加了岩台成型的难度。为确保岩台开挖一次成优，针对不同的地质情况，选取不同的爆破参数进行优化试验比较，然后确定合理的爆破参数和开挖方法。经试验优化后确定的参数见表 3。表 3 试验比较优化后确定的爆破参数注：导爆索的炸药量已换算到线装药量中。通过岩石模拟开挖对比试验，确定岩台上、下边墙采用竖向孔，岩台台面采用水平孔。岩台开挖炮痕率在 98以上，超欠挖满
14、足规定值，岩台成型规则，大面平顺，棱角分明，开挖质量优良。2锚杆施工。岩锚梁锚杆参数见表 4。受拉锚杆采用双管注浆，辅助锚杆和受压锚杆采用单管注浆，砂浆密实度在 96以上，抗拔力均超过设计要求，锚杆施工质量优良。表 4 岩锚梁锚杆参数3梁体施工。由于设计、施工上的认识不足，未采用综合防治措施的地段，出现了混凝土拉应力裂缝，裂缝多数在混凝土浇注后814d 出现，每 68m 就出现一条。尾调室和主厂房岩锚梁混凝土施工配合比、灌注方式相同，施工季节也大体相同。表 5 为梁体混凝土内部实际温度计算和温差比较。表 5 岩锚梁混凝土内部温度与温差比较主厂房岩锚梁不出现裂缝最大允许长度由岩锚梁梁高为2.33
15、m，岩锚梁混凝土与岩台水平方向的接触长度为 0.75m，故取 H = 2.33 0.75 = 1.58m。计算可得：由计算可知，主厂房梁体混凝土浇筑段在当时施工条件大于7.95m 就出现开裂。如果每段取 7.5m 施工，可以避免出现混凝土拉应力裂缝，但工期要延长。江垭电站地下主厂房的岩锚梁配筋如图5。其纵向钢筋为 16 光面钢，对混凝土的约束力为摩擦力，同混凝土接触面积为 2.16m2m，钢筋单根长 82.9m，两端设 180 弯钩，中间采用搭接焊。混凝土与岩台壁接触面理论面积为 2.654m2m，考虑其凹凸情况，实际面积不小于 3m2m，而岩台壁与混凝土之间的约束力以咬合力为主，出现混凝土开
16、裂是必然的。施工中为克服岩锚梁混凝土开裂，在配筋方面增加内部约束，即梁体远离岩台一侧增加 25 螺纹钢代替外侧 16 光面钢，见图5，原来光面钢采用搭接焊，改为两端增加 180 弯钩再搭接焊接。钢筋搭接位置有序分开，确保相邻两个搭接位置不大于 7.5m(温差变化时，重新计算确定)，如图 6。这样相邻两个搭接位置梁体近似一个单元体，当混凝土拉应力过大时，因钢筋两端产生咬合力抵消部分拉应力，从而达到限制开裂的目的。图 5 岩锚梁钢筋布置图 6 钢筋搭接两端弯钩有序布置主厂房岩锚梁采用综合防治措施的地段，一般不出现裂缝，只有一段地质情况比较复杂的部位出现了 1 条裂缝，是由于该部位工程岩体的变形位移有差别而引起的。尾调室岩锚梁在施工过程采用综合防治裂缝的措施(该岩锚梁不出现裂缝允许长度计算值为 8.5m，施工中取 8.0m 进行控制)，一次灌注混凝土长度为 28m，均未发现裂缝，证明这种综合防治措施
