张传红

(中国水利水电第十四工程局有限公司锦屏项目经理部，四川凉山 615603)

0 引言

锚杆支护技术至今已有70多年发展历史，其技术特点、操作工艺已趋于成熟、稳定，国外锚杆支护技术以澳大利亚、美国发展最为迅速，其技术水平居于世界前列。我国从1956年起，在煤矿围岩中开始使用锚杆支护，主要是采用机械式锚杆。随着技术的进步，先后推出了树脂锚杆、管缝式锚杆、胀管式锚杆、长锚索、混合锚头锚杆、组合锚杆和桁架锚杆等。到“九五”期间，我国锚杆支护技术发展进入到了高强度预应力锚杆体系新阶段，并且引进了澳大利亚锚杆支护技术，取得了明显的支护效果。

随着锚杆支护技术的广泛应用和发展需求，国内外许多学者对于复杂工程环境下预应力锚杆支护理论与技术进行了探析和研究。赵国彦等［1］利用弹性力学分析方法，对锚固范围与有效锚固长度和有效预应力的关系进行了研究。蒋新东［2］对室内、现场2种条件4种工况下预应力锚杆张拉监测同步试验，证明了采用扭力扳手预应力锚杆张拉值与锚杆应力计监测值基本一致。严定伟等［3］结合鲁地拉水电站地下厂房全长粘结型预应力锚杆施工特点，优化了施工工艺。史哲等［4］通过对基坑锚杆预应力变化的系统监侧和分析，揭示了锚杆预应力在运行过程中预应力变化的作用因素。张友葩等［5］通过对锚杆承载机制的分析和研究，得出了预应力锚杆最佳锚固段长度。康红普等［6］采用有限差分数值计算软件分析了锚杆预应力支护参数对锚杆预应力引起的应力场—锚杆预应力场的影响。上述研究主要侧重于锚杆的荷载传递机制、施工工艺、锚固参数和加固效果，但对普通钢筋预应力锚杆张拉伸长值的研究较少，本文以锦屏一级水电站地下厂房洞室预应力锚杆施工为例，在锚杆伸长值计算理论的基础上，通过现场工艺、室内车间2种环境下张拉试验，得出预应力锚杆伸长值的影响因素及伸长值变化规律，提出合理化建议，以期对实际施工具有指导意义。

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县和盐源县交界处的雅砻江大河湾干流河段上，是雅砻江下游从卡拉至河口河段水电规划梯级开发的龙头水库，河流流向约N25°E，河道顺直而狭窄，两岸山体雄厚、谷坡陡峻，为典型的深切“V”型谷。枢纽工程采用坝式开发，主要任务是发电，正常蓄水位以下库容77.65亿m3，电站装机6台，总装机容量3 600 MW。

地下电站发电系统工程布置于坝区右岸，位于大坝下游约350 m的山体内，水平埋深110～300 m，垂直埋深180～350 m，主要由引水洞、地下厂房、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水隧洞等组成，3大洞室平行布置，岩体受构造影响较强，岩层产状变化较大，出露地层为三叠系中上统杂谷脑组第二段(T2－3Z2)大理岩，及少量后期侵入的煌斑岩脉(X)，断层、层间挤压错动带、节理裂隙等构造结构面较发育。地下厂房洞室埋深大，地应力较高，监测数据显示，最大主应力均大于15 MPa，一般20～30 MPa，部分应力集中区超过30 MPa，最大达35.7 MPa，属高—极高地应力区，复杂的地质结构严重影响洞室的成型、稳定［7］。

2 试验目的、类型

为准确了解预应力锚杆在不同施工环境下实际伸长值变化规律，采用了与施工现场一致的材料和施工工艺，分别在加工车间和施工现场2种环境下，进行车间自由段完全自由和现场实际施工工艺2种类型张拉试验，探析预应力锚杆实际张拉伸长值变化规律和特征，论证实际张拉伸长值是否能达到设计理论伸长值要求。试验样品锚杆型式及参数如下。

表1 加工车间试验预应力锚杆理论伸长值计算表Table 1 Theoretical tensioning lengths of pre-stressed rock bolt in workshop

表2 现场施工工艺试验预应力锚杆理论伸长值计算表Table 2 Theoretical tensioning lengths of pre-stressed rock bolt in construction site

2.1 加工车间自由段完全自由张拉试验

2.1.1 试验准备工作及方法

3)试验方法。采用2榀8.0 m I16工字钢和下部16 mm厚钢板联合焊接形成钢梁，作为锚杆变形约束体，用于1～3#锚杆一次张拉试验平台;另外在其钢梁上用钢板焊接2个固定支座，支座间距离为6.5 m，支座钢板中间钻有φ50圆孔，2圆孔中心点连线与钢梁保持平行，锚杆置于2支座上，用于4#～6#锚杆分级张拉试验平台，分级张拉不进行稳荷间歇(详见图1)。试验时将锚杆置入自制钢梁内，钢梁两端分别安装锚垫板作为承压板，一端用螺帽锁定，另一端拧入螺帽后作为主动端，利用扭力扳手张拉(使用前进行率定，回归方程Y=0.244 5X+4.19，线性相关系数R2=0.998 6)。采取一次张拉到位和分级张拉2种方式加载，每级张拉后测量锚杆伸长值，整个试验过程中确保锚杆张拉时完全自由，测试锚杆在完全自由的状态下，施加拉力后的变形量及变形规律。

图1 加工车间自由段完全自由张拉试验(单位:mm)Fig.1 Free tensioning test on free rock bolt section in workshop(mm)

2.1.2 试验步骤

1)安装锚杆。先将锚杆缓慢、均速、谨慎穿入钢梁内(如图1所示)。对锚杆各接触部位进行润滑处理，丝牙处用牛皮纸隔开，以消除张拉时摩擦，同时测量钢梁两端支座之间距离，作为钢梁初始长度。

2)预紧。利用100 N·m的扭矩对锚杆进行预紧［10］，预紧前在锚杆丝牙、螺母、钢梁支座等接触部位涂抹黄油，以减少摩擦。预紧后用游标卡尺、钢卷尺分别测量锚杆外露长度和钢梁形体，作为变形量计算初始值，第1次测量时做好标记，之后每次测量均在同一位置(见表3和表4)。

3)张拉。张拉采用扭力扳手，其中3根8.22 m锚杆采取预紧后一次张拉到设计值的方法加载，张拉时取1.1倍的设计拉力即132 kN加载;另外3根6.7 m锚杆分4级张拉，拉力分别取设计拉力的0.3，0.5，0.75和1.1倍分4级加载，每级加载到位后，用游标卡尺量测张拉后锚杆末端至锚垫板之间的距离，作为锚杆外露长度最终值，然后用50 m钢卷尺量测两端钢梁支座、钢垫板的最终体形尺寸(见表3和表4)。

4)测量数据统计对比。

表3 锚杆实际伸长值与理论伸长值对比(一次张拉到位)Table 3 Comparison and contrast between actual tensioning lengths and theoretical tensioning lengths of rock bolts(tensioning for one time)

表4 锚杆实际伸长值与理论伸长值对比(分级张拉)Table 4 Comparison and contrast between actual tensioning lengths and theoretical tensioning lengths of rock bolts(tensioning stage by stage)

2.1.3 成果分析

从以上试验数据可知，在预应力锚杆完全自由的状态下，无论是采取分级张拉还是预紧后一次张拉到位，其自由段实际伸长值均小于理论伸长值，其中1～3#锚杆(8.22 m)实际伸长值与理论值相差1.94～2.24 mm，最小相差值所占比例29.2%;4～6#锚杆(6.7 m)实际伸长值与理论值相差2.29～2.69 mm，最小相差值所占比例42.5%。从所占比例看，锚杆自由段越长其伸长值差值越小，说明锚杆自由段越长，由其材质不均匀引起的误差会越小，故实际伸长值更接近理论值。由此可见，锚杆自由段长度是影响伸长值变化的主要因素之一。然而在这种较理想的完全自由状态下受拉，其实际伸长值也很难达到理论伸长值，对于受各种不确定因素影响的施工现场来说，实际伸长值达不到理论伸长值，或者甚至小于理论50%也是符合实际的。

因此，抛开现场施工环境因素的影响，在锚杆设计预应力值和自由段长度较小的条件下，锚杆张拉力变量与伸长值因变量之间也并不具有稳定的线性关系，这一点也印证了只有预应力值大于200 kN、长度大于8 m的锚杆才适用GB 50086—2001规范中第7.5，7.6节对预应力锚杆张拉伸长值的规定［9］。

2.2 现场施工工艺张拉试验

2.2.1 试验准备工作及方法

1)主要试验设备。8 t吊车、强制式搅拌机、ZJB－1.8Z型挤压式注浆机、锚杆应力计采集仪、游标卡尺、常用温度计、扭力扳手、带止浆塞注浆管等其他辅助工具。

3)试验方法。现场施工工艺张拉试验主要有3种类型，即锚杆自由段完全自由(装有PE套管和应力计)、自由段非完全自由(无PE套管、装有应力计)和自由段非完全自由(无PE套管也无应力计)，共进行4根锚杆张拉试验(详见图2—5)。试验预应力锚杆严格按照锦屏一级水电站地下厂房预应力锚杆挤压式注浆工艺进行造孔、注装和张拉，其试验方法、作业环境与实际施工工艺完全一致。张拉试验过程中利用游标卡尺测量锚杆实际伸长值，同时通过锚杆应力计观测锚杆实际受力情况，综合所测得数据分析锚杆实际伸长值和张拉力变化规律。

扭力扳手仍采用车间自由段张拉试验中所用扳手，编号为96411，使用前进行检测率定，回归方程为:Y=0.201 8X+0.071 4，回归方程线性相关系数R2=0.997 4。

2.2.2 试验过程

1)锚杆造孔。锚杆孔采用353E多臂凿岩台车钻造，一次成孔，孔径为102 mm，孔深9 m，孔向垂直于岩面，孔道顺直、无错台、弯曲，试验前对造孔质量进行全面检查，确保锚孔质量满足试验要求。

图5 现场张拉工艺试验Fig.5 Manufacturing of pre-stressed rock bolt

3)锚杆注装。采用先注浆后插杆方法注装锚杆，锚固段2.5 m注入MSSK3型速凝锚固剂浆液，配合比为0.3∶1(经试验锚固剂浆液初凝时间81'9″，终凝6 h，实测抗压强度为26.5 MPa);自由段6.5 m注缓凝砂浆，采用普通河砂配制，掺入JM－Ⅱ缓凝高效减水剂，凝结时间可达16 h 45'。注浆时，先将浆管插入孔底，利用注浆管管口15 cm处设置的海绵止浆塞，使注浆管在浆液压力的作用下，慢慢被挤出，以确保孔内注浆密实且内锚段与外锚段不发生混浆。注浆过程中做好注浆开始和结束时间记录，按锦屏地下厂房预应力锚杆施工工艺技术要求，锚杆有效张拉时段为锚杆开始注装后6～9 h(即自由段缓凝砂浆初凝前，内锚段锚固剂终凝后)，由于1#～3#锚杆为无粘结型，因此注浆满6 h后的任意时间均可进行张拉，但4#锚杆必须按此工艺技术要求在有效时间内进行张拉。

4)预紧、张拉。张拉前，首先通过数据采集仪测量出锚杆应力计的初始值，同时量测气温，再以100 N·m的扭矩对锚杆进行预紧，预紧前先清理锚头部位杂物，对锚杆丝牙处各接触部位进行润滑处理，以减少摩擦。预紧后用游标卡尺测量锚杆末端至锚垫板之间的距离，作为锚杆外露长度的初始值。

张拉采用扭力扳手预紧后一次张拉到位的方法进行，张拉力取设计值1.10倍(132 kN)的拉力，均匀加载，张拉锁定后稳荷10 min，读出应力计采集仪读数，同时测出锚杆末端至锚垫板之间的距离，作为锚杆外露长度的最终值，最后根据记录计算伸长值和张拉力。各锚杆具体试验数据如表5所示。

表5 预应力锚杆现场施工工艺试验张拉力与伸长值对照表Table 5 Tensioning stresses and tensioning lengths of pce-stressed rock bolt

2.2.3 成果分析

从表5中试验成果数据看，3#为带套管预应力锚杆和4#无套管预应力锚杆，在施加相同设计张拉力的作用下，2根锚杆实际所受张拉力相近，与设计拉力分别相差13.8 kN和22.1 kN，3#为带套管预应力锚杆，自由条件较好，拉力损失相对较小，符合实际常理。另外该4根试验锚杆实际伸长值基本接近，其中实际最大伸长值2.2 mm，最小值2.0 mm，均远远小于理论伸长值5.33 mm。由此可见，在复杂的现场施工环境下，带套管预应力锚杆自由段实际伸长值也很难达到设计理论伸长值要求。

综上所述，锚杆杆体自身所受到的拉力通过锚杆应力计的检测显示基本与设计要求的锁定张拉力一致，满足设计及规范要求，而预应力锚杆自由段无论是带套管还是无套管，在设计锁定张拉力作用下，其自由段实际伸长值均小于理论伸长值范围(4.27～6.36 mm)，且最大伸长值仅占理论伸长值的41.2%，相差较大。

3 结论与建议

通过在加工车间和施工现场2种具有代表性的环境中进行张拉试验可知，预应力锚杆即使在完全自由状态下张拉，其自由段实际伸长值依然小于理论伸长值。在加工车间试验中，自由段长度8.09 m，最大伸长值也仅达到设计值的70.8%。此试验数据与锦屏一级水电站地下厂房预应力锚杆实际张拉伸长值从未超过3.0 mm的实际情况也是相呼应的。因此，在复杂多变的施工现场，影响张拉的因素更多，如锚杆材质、张拉力、温度、施工工艺和锚杆长度等因素，都将影响锚杆张拉伸长值和张拉力。但从现场施工工艺试验数据看，张拉力可通过适当加大锁定拉力(如1.1～1.15倍)的方法，弥补实际锁定张拉力的损失，使锚杆预应力值满足设计要求。预应力锚杆的核心功能是利用预应力加固围岩，而实际伸长值未能达到设计伸长值，对工程质量和使用功能无实质性影响，相比张拉力而言，实际伸长值属次要性指标。试验表明:预应力锚杆张拉伸长值变化受其材质、张拉力、温度、施工工艺、锚杆长度等诸多因素影响，实际伸长值不能满足规范中理论伸长值要求。因此，对于普通钢材预应力锚杆的验收，建议以控制实际张拉力为主，实际伸长值仅作参考，同时控制好注浆密实度，确保工程质量。

锦屏工程预应力锚杆采用的是普通二级螺纹钢，设计拉力为120 kN，主要用于洞室围岩初期支护，依据相关设计文件及标准［11］，设计服务年限2年以上，属永久性锚固工程，其实际情况并不符合验收标准中前提条件。如果违背客观事物规律，考虑因素过多，不仅不能提高工程质量反而增加了施工难度，势必会制约它快速承载、适应性强、效率高等优势的发挥。若在其范围内引用标准，简化施工操作难度，以达到最终效果和目的为原则，确定一个科学、合理的控制标准，将更有利于施工质量管理和工程效益的表现。

本次试验主要研究了普通钢材预应力锚杆张拉力大小、操作工艺、温度、锚杆长度对预应力锚杆伸长值的影响，由于试验条件有限，未对监测仪器自身精度、注装后孔内温度、预应力锚杆轴线与锚垫板面的夹角、切向位移、成孔质量及同厂家不同批号钢材弹性模量的波动等因素予以考虑，这也充分反映了普通二级螺纹钢筋张拉伸长值变化的影响因素众多，关系复杂，且不呈线性关系，目前相关实践经验数据缺乏，难以量化计算。因此，普通钢材制成的预应力锚杆张拉实际伸长值规律的确定还有待进一步研究。

［1］ 赵国彦，刘立顺，董陇军，等.端锚预应力锚杆作用范围研究及其应用［J］.湖南科技大学学报:自然科学版，2010，25(1):1 － 7.(ZHAO Guoyan，LIU Lishun，DONG Longjun，et al.Research and its application on end anchoring-grouting prestressed anchor range［J］.Journal of Hunan University of Science＆Technology:Natural Science Edition，2010，25(1):1 －7.(in Chinese))

［2］ 蒋新东.地下厂房预应力锚杆张拉监测同步试验探析［J］.水电自动化与大坝监测，2003，27(6):63 －65.(JIANG Xindong.Comparative experiment on synchronous tensioning monitoring of prestressed anchors in underground industrial buildings［J］.Dam Observation and Geotechnical Tests，2003，27(6):63 －65.(in Chinese))

［3］ 严定伟，李世春，柳富强.鲁地拉水电站地下厂房全长粘结型预应力锚杆施工［J］.云南水力发电，2010，26(5):37 －40.

［4］ 史哲，马平，张晓科，等.基坑支护中锚杆预应力损失机理分析［J］.城市地质，2006(2):34 －37.(SHI Zhe，MA Ping，ZHANG Xiaoke，et al.Analysis of prestress losses of anchors in foundation pits［J］.City Geology，2006(2):34－37.(in Chinese))

［5］ 张友葩，高永涛，吴顺川.预应力锚杆锚固段长度的研究［J］. 岩石力学与工程学报，2005，24(6):980 －986.(ZHANG Youpa，GAO Yongtao，WU Shunchuan.Study on bonding length of prestress anchor bar［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(6):980 －986.(in Chinese))

［6］ 康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计［J］. 煤炭学报，2008，33(7):721 － 726.(KANG Hongpu，JIANG Tieming，GAO Fuqiang.Design for pretensioned rock bolting parameters［J］.Journal of China Coal Society，2008，33(7):721 － 726.(in Chinese))

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［8］ 赵基达，徐有邻，黄小坤，等.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京:住房和城乡建设部，2010:23.

［9］ 程良奎，段振西，刘启琛，等.GB 50086—2001锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.北京:建设部，2001:27－29.

［10］常焕生，朱纯祥，周宇，等.DL T 5181—2003水电水利工程锚喷支护施工规范［S］.北京:国家经济贸易委员会，2003:13－36.

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