自钻式锚杆在碗米坡水电站边坡支护中的应用

 摘  要： 边坡治理工程在公路、铁路、水利工程等基础设施中分布较为广泛，施工方法各不相同。碗米坡水电站高边坡由于地质条件较为复杂，普通锚杆支护手段成孔困难，难于奏效。自钻式中空锚杆的应用有效地解决了松散岩土体锚固成孔困难的难题，同时具有施工效率高、施工质量有保障的优点，特别是采用了较大直径和深度的自钻式中空锚杆，效果显著。自钻式锚杆施工技术简便，易于操作，可靠性高的特点，适用于松散岩土体边坡支护。

自钻式中空锚杆作为一种较新的施工技术近年来在水电工程中逐渐得到推广应用，解决了松散岩土体锚固施工中的一些技术难题。碗米坡水电工程右岸高边坡支护施工中，自钻式中空锚杆克服了在极为松散破碎的岩土体中锚杆施工易塌孔、难于成孔的问题，结合挂网喷浆、排水孔等多种支护手段的综合成功应用，实现了碗米坡右岸边坡的初步稳定。为自钻式中空锚杆的进一步应用积累了一定经验。

1     自钻式中空锚杆的特点

自钻式中空锚杆是一种空心锚杆，锚杆通体螺纹，采用联接套接长，前端安装一次性钻头。

由于自钻式中空锚杆特殊构造，用于锚固施工具有以下优点：

1．1施工效率高：自钻式中空预应力锚杆技术集钻进、注浆、锚固为一体，施工的各个工序在一个过程中完成，可以节省施工时间。

1．2适用于难于成孔的地层：如遇比较松软、破碎的围岩，一般成孔较困难，即便成孔，也容易塌孔，在孔内难以穿入其他锚杆或锚索，而自钻式中空锚杆技术正好避免了常规方法的不足。钻孔完成后，杆体留在孔内不用退出来，所以不怕塌孔，节省了穿进其他杆体的时间和降低了施工难度

1．3适应性强：自钻式中空锚杆全杆体有螺纹，可在任何位置截断接长，适应不同的施工条件。

1．4锚固力高：自钻式中空锚杆杆体为梯型螺纹，与联接套联接牢靠，和注浆体的结合良好。

1．5锚固效果好：注浆时，由于浆液是从孔底向上注浆，注浆饱满，密实度好，注浆质量好。

1．6施工简便：较常规锚杆施工相比，减少了起钻、安装锚杆和安插注浆管等工序，施工快捷简便。

碗米坡水电工程边坡岩土体较为松散破碎部位采用了φ50/30型自钻式中空锚杆进行锚固，设计抗拉力460kn，zui大单孔深度23m，自钻式中空锚杆总用量4700余米。

2     碗米坡右岸边坡支护工程概况

2．1碗米坡工程概况

碗米坡水电站位于酉水中游，在湖南省湘西自治州保靖县境内，下距保靖县城20km，尾水与凤滩水电站回水相接，该工程以发电为主。水电站总库容3.78亿m3，电站装机3台，单机容量80mw，总装机容量240mw。大坝为碾压混凝土重力坝，坝高56m。

2．2右岸边坡支护工程概况

右岸高边坡位于电站大坝和厂房上方，边坡上下高差达150余米。高边坡整体上坐落于一个向下游方向倾斜的蠕变带上。边坡上部为覆盖层，厚数米至十余米，下伏地层为志留系泥质砂岩，断层、裂隙、节理发育，边坡上部有两条反坡向断层切割，岩石较为破碎。

由于开挖施工完成后一年余未进行支护，边坡暴露时间过长，在雨水冲刷及自然风化作用下，构造裂隙及卸荷裂隙加深扩展，表层岩体发生崩解，并zui终导致上部边坡岩体的稳定性下降。在大坝施工期间发生过多次塌方，并造成了人员重伤事故，数次中断边坡下部公路交通，制约了大坝混凝土浇筑和对外交通。

按照表层岩土体特点边坡大致可以分为三个区域。边坡ⅲ区（高程▽314.000～▽362.330）以覆盖层为主，坡比1：1.2，岩土体极为破碎松散，厚度较大。ⅱ区（高程▽294.000～▽314.000）岩石以泥质砂岩为主，坡比1：0.5，上游侧为块碎石堆积体，表层岩石风化破碎，有较大的顺坡向蠕变，具有明显的层间错动，砂岩层间存在软弱夹层，边坡开挖面起伏不平。ⅰ区（高程▽254.000～▽294.000）坡比1：0.25坡度较陡，以砂岩为主，岩层较完整。

2．3前期施工情况

前期由另外一个施工队伍在边坡ⅲ区上游侧进行锚桩施工，采用潜孔钻造孔，安装锚桩，然后注浆。该施工队投入两套钻孔设备，施工过程中频繁发生卡钻、埋钻事故，钻孔完成后钻具拔出后即发生塌孔，锚桩无法安插。施工历时一月余，仅完成二三孔的锚桩安装，其余全部中途由于钻孔事故或无法成功安插锚桩而报废。 zui终该施工队退场。

3     自钻式锚杆现场试验

由于按常规方法难以解决成孔问题，业主及设计决定在ⅲ区上游侧及ⅱ区采用自钻式中空锚杆进行地质条件较差部位的支护。

为论证自钻式中空锚杆用于边坡支护的可行性，受业主委托，我分局进行了二期自钻式中空锚杆锚固施工工艺试验，第一期试钻了四个孔，第二期试验钻了二个孔，共计试验锚杆72米。

由于支护区外没有适宜的与自钻式锚杆支护区地质条件相同的区域，试验区设于ⅱ区上游侧，该部位地层以全强风化泥质砂岩为主，地质条件略好于实际支护施工区。

主要试验内容：一、钻孔工艺试验；二、注浆工艺试验。

3．1钻孔工艺试验

钻机采用潜孔钻机，阿特拉斯ca160-130空压机供风。先后试验了两种自钻式锚杆30/14型及50/30型，钻头分别试用了ф46mm一字型合金钻头、ф46mm人字型合金钻头、ф51mm一字型合金钻头、人字型合金钻头、ф51mm球齿合金钻头等。

a.     钻机动力头通过专用接手与自钻式锚杆连接，直接进行钻进：

动力头通过专用接手与自钻式锚杆连接进行回转钻进，钻进速度较均匀。随着孔深加大，在约孔深8m以后，块碎石含量增加，钻进速度减慢，钻头磨损严重，直至无法进尺。采用这种钻进方式zui大钻孔深度6~12m。

b.    在自钻式锚杆与动力头之间安装冲击器，进行顶驱冲击钻进：

为克服直接钻进遇到块碎石时钻头磨损的问题，在潜孔钻机动力头与自钻式锚杆之间加装冲击器，自钻式锚杆前端安装球齿合金钻头，进行冲击回转钻进。前四五米钻进速度较快，逐渐钻进速度减慢，直至无明显进尺。分析原因，主要是由于采用顶驱方式钻孔，冲击功损失较大，随着锚杆长度的增加，各种方式的冲击功损失急剧增加，如锚杆刚度不够产生的损失、锚杆与孔壁相互作用损失等，zui终传递到钻头的冲击能较少。由球齿合金钻头的工作原理可以知道，钻头的破碎刻取作用很差，不能有效地钻进。采用此种方式钻孔zui大深度4~7m。

3．2注浆工艺试验

对30/14型及50/30型两种锚杆均进行了注浆试验，均采用从自钻式锚杆中心孔注浆，浆液配比为：  水：灰：砂=0.6:1:0.3。浆液经自钻式锚杆中心孔到达孔底后从孔底沿锚杆与孔壁之间向孔口返浆。

30型锚杆由于中心孔径小，灌注砂浆时需要的灌注压力大，浆液在中心孔及锚杆与孔壁之间流动性较差，直接影响了注浆效果，导致了浆液结石密实度较差，同时注浆效率也较低。

50型锚杆注浆过程较流畅，容易注满，质量也较有保证。

3．3试验基本结论

钻孔试验表明，顶驱式冲击钻进自钻式锚杆钻孔试验结果不是特别理想；回转进效果略好，但钻孔深度未能达到设计孔深21m，主要是试验区岩性较实际施工区略好，未能充分发挥自钻式锚杆对散碎地层适应性强的特点。注浆试验表明，50锚杆注浆效果较好，质量更有保障。

同时从减少锚杆数量，加快施工进度和经济的角度出发，决定采用50型自钻式锚杆。

4     实际施工情况

自钻式锚杆按照2.8m*2.8m的孔、排距布置，总工程量为4728m。其中孔深zui深的为23m, 孔深zui浅的为10m。

自钻式锚杆区的支护施工顺序为：

钻孔定位→开孔钻进→孔深验收→安装锚杆→注浆→挂钢筋网→混凝土喷射→锚墩浇筑→排水孔施工

4.1自钻式中空锚杆钻孔安装情况

以锚杆试验的初步成果为指导，我部进一步在施工中根据具体问题研究对策。

对于覆盖层厚度较大、块碎石含量较少的地层，采用以锚杆为钻杆、回转钻进的方法，效果较好。

对于全强风化岩石为主、的地层，采用潜孔钻常规方法成孔，孔径φ90，终孔起出钻具后，原孔一般已塌孔，再以钻机带自钻式锚杆再次钻进直至到达原孔深。虽说多了一次钻孔，但解决了回转钻进方法遇块碎石含量大地层孔深不大的问题，能够实现自钻式锚杆的顺利安装。

按照上述两种方法施工，能够应付各种复杂的地层情况，施工效率也较高。

4.2 自钻式中空锚杆注浆情况

采用孔口与锚杆直接连接的纯压式灌注工艺。灌浆结束标准为：当锚杆孔道内充分填满，返出浆液浓度与进入浆液基本一致时即可结束灌浆。

由于边坡本身特点决定，注浆量较大，大多数注浆超耗。有二十三余孔共计超耗就近七百吨水泥。

4.3 自钻式中空锚杆注浆情况

锚墩施工在混凝土喷射结束后进行，加工合格的钢筋按照设计图中的位置安装在自钻式锚杆区。使用小型钢模板立模，应确保锚墩的外形尺寸，采用c30的二级配混凝土进行浇筑，技术参数符合规范要求。浇筑使用小振捣器振捣，保证混凝土内部均匀、密实。

5     结 语

（1）碗米坡水电站右岸高边坡采用综合手段进行整治，自钻式中空锚杆起了关键性作用。

（2）碗米坡右岸边坡支护自钻式锚杆施工具有如下特点：单根锚杆抗拔力大；锚杆深度大；工程量大；地质条件复杂。

（3）原设计为预应力锚杆，后因地层极为松散破碎，注浆不能形成可靠的锚固段及张拉段，表层岩土体无法提供足够的支座反力，预应力无法施加，取消了预应力。这种情况下的预应力施加问题值得进一步研究。