1、第十三章 基岩锚固施工锚固技术是将一种新型受拉杆件的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，这种新型受拉相件的固定端称为锚固端（或锚固段），另一端与工程建筑物联结，可以承受由于土压力、水压力或风力所施加于建筑物的推力，利用地层的锚固力以维持建筑物的稳定。在 20 世纪 50 年代以前，锚固技术只是作为施工过程中的一种临时性措施，如临时的螺旋地锚与采矿工业中的临时性木锚杆或钢锚杆等。50 年代中期以后，在国外隧道工程开始广泛采用小型永久性灌浆锚杆和喷射混凝土代替过去的隧道衬砌结构。60 年代以后，锚固技术迅速发展并广泛应用到土木工程许多领域。作为轻型的挡土结构，锚杆挡土干部代替了笨重的重力式坛工挡土
2、墙，可以节省大量坛工材料和经费，广泛应用于铁路、公路、码头护岸和桥台。以后又大量应用于基坑护壁、地下厂房、隧洞、船闸、大坝加固和边坡加固等工程。锚固技术有各种不同的类型。在天然地层中的锚固方法以钻孔灌浆的方式为主；其受拉杆件有粗钢筋、高强钢丝束和钢绞线等三种不同类型。其施工工艺有简易灌浆、预压灌浆、化学灌浆以及许多特殊的专利锚固灌浆技术。在人工填土中的锚固方法有锚定板和加筋土两种方式。单层锚定板应用于码头板桩墙，已有近百年历史。我国铁路于 20 世纪 70 年代研究采用的多层锚定板结构则将锚定板的应用技术发展到一个新阶段。60 年代法国开始采用加筋土，它不同于一般锚固技术，但在原理和所解决的问
3、题两方面都有相似之处。第一节 锚固分类锚固按结构型式分为四大类即：锚桩、锚洞、喷锚护坡及预应力锚固（锚索）等。一、锚桩也叫抗滑桩，是利用刚性桩身的抗剪、抗弯强度防治滑动，使用此法应是：有明显的滑动面，并且其下盘坚强稳定。按所用材料不同可分为以下三种。1 钢盘混凝土桩：通过滑动面在上、下岩盘中打一桩孔，然后在孔中浇筑钢筋混凝土即成。桩身埋入盘的深度，为桩全长为 。桩孔成孔法分人工挖孔和大直径钻机钻孔214两种。人工挖孔直径一般为：2m2m, 2m3m，桩长 1020m。采用大口径钻机，钻成 lm 以上的孔径后，浇注钢筋混凝土。2 钢管桩：即先用大口径钻机成孔，然后将钢管下入孔在管内浇筑混凝土，或
4、先在管内插入大型工字钢后，再在管的内外，同时浇灌混凝土。3 钢桩：用钻机钻孔，孔径 130mm 左右，成孔后，浇灌水泥砂浆并立即插入型钢组或钢棒组，有进在桩孔之间做固结灌浆，使桩与桩之间联结成为整体，以提高锚固效果。二、锚洞它是锚桩的一种特殊型式，即在上下盘之间的滑动面内，开挖一个水平向岩洞，或者利用已有的洞浇筑的混凝土形成卡在上下盘之间的抗滑键，一般不需配钢筋。利用此混凝土键抗滑。我国实际工程中有成功的例子。如陈村水电站的右坝肩，利用地质探洞，回填混凝土做成锚洞，其抗滑阻力为 14415.7kN。三、喷锚护坡喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护、喷混凝土与锚杆支护、钢筋网等不同支护的统称，喷混凝
5、土锚杆支护是岩石开挖后，紧随开挖面，立即喷上一层混凝土( 35cm)，必要时加设锚杆以稳定岩石。以后再加喷混凝土至设计厚度作为永久支护。锚杆的锚固是在设计位置钻孔，把锚杆插入孔中，先使其根部固定或者在孔内灌浆，使全锚杆与岩石固结为一本，然后把露出岩体外的锚杆（称为锚头）预以固定并封住孔口。锚杆的类型按不同标准可以有不同的分类。( 1 ）按材料分类有：木锚杆、金属锚杆（钢筋、钢丝绳、钢绞线、高强钢丝、竹锚杆等）。( 2 ）按作用分类：局部锚固、系统锚固及拉杆支架。( 3 ）按受力状况分类：普通锚杆、预应力锚杆或锚索。( 4 ）按锚固部位分类：集中锚固和全长锚固。四、预应力锚索是利用高强钢丝束或钢
6、绞线穿过滑动面或不稳定区深入岩层深层，利用锚索体的高抗拉强度增大正向拉力，改善岩体的力学性质，增加岩体的抗剪强度，并对岩体起加固作用，也增大了岩层间的挤压力。在选用锚固措施时，可根据其不同的特性和适用条件，因地制宜地选用其中一种，或联合使用几种锚固措施，以期获得最佳的加固效果。第二节 预应力锚固技术的应用在采用减载、压坡、排水等手段尚不足以保证边坡的长期稳定性时，使用预应力锚固技术，通常是施工方便、效果明显的一种手段。我国水利水电工程建设中，很早就使用预锚技术来加固岩体。例如 1962 年为提高梅山大坝（高 88.2m）的抗滑稳定，曾施加 110 根锚固力为 77140kN 的预应力锚索。而后
7、，又曾对麻石、双排、丰满、安康水电站的大坝采用了预应力锚索加固措施。在我国，首次对水电站岩石边坡进行大规模系统的预应力锚索加固，是在漫湾水电站。从该电站左岸坝肩到下游溢洪隧洞出口约 300 米延伸长度上，在 1990 年至 1991 年期间共施加了 1583 根预应力锚索。近年预锚技术在小浪底、三峡、十三陵等工程的边坡加固中已得到了广泛的应用。表 131 为近期水电工程使用预应力锚索的有关情况。第三节 预应力锚索结构预应力锚索结构可分为三部分，即内锚头、锚索和外锚头。内锚头置于稳定岩体中，通过水泥浆材和岩体紧密结合，对不稳定岩体提供锚固力。预应力锚索通常由高强度钢索组成，它一端连接内锚头，一端
8、连接外锚头。外锚头是对岩体施加张拉力实现锚固的机械装置。图 131 为三峡工程采用的预应力锚索结构。按锚索的结构分，预应力锚索又分为有黏结和无黏结锚索两种。无黏结锚索的钢绞线周围带有胶套，中有防腐油剂，钢绞线可以在胶套中自由滑移。同时，在锚索体外还增加了一个塑料护套。在施工时内锚头和钢绞线周围的水泥浆材是一次灌入的，待浆材凝固后再行张拉，这样，可以减少一道工序，提高工效。图 132 为小浪底工程采用这类锚索的结构图。无黏结锚索不仅可是重复张拉，而且使得大部分钢绞线都能获得防腐油剂和护套的双重保护，但此类锚索造价较高。近期一些工程采用了对拉锚索，将内锚头直接放在山体内的排水廊道中，如三峡船闸边坡
9、工程图 131（a ）和图 133。内锚头不再是灌浆锚固端，而是置于廊道内的墩头锚或双向施加张拉的预应力锚。这类加固方案减少了约占锚索长度 1/31/4 的内锚固段，同时将排水和锚固结合起来。是一种理想的加固形式。一、内锚头内锚头结构分为机械式和胶结式两种。机械式仅适用于小吨位的锚固中。对于胶结式的内锚头，为了加强胶结合效果，通常作成“枣核”形参见图 132（b）。内锚固段的胶结材料通常采用纯水泥浆或树脂材料。要求具有快凝、早强、对钢材无腐蚀等性能。胶结材料的强度不低于30MPa。水泥胶结材料是对内锚头进行自由回填的主要材料。由于火山灰水泥含有较多的硫化物和氯化物，会导致钢绞线腐蚀，因此，建议
10、不予使用。改善水泥浆材的稳定性和力学特性是胶结材料设计的主要内容。降低水灰比是提高胶结材料强度的最直接的方法，但水灰比降低将导致水泥浆流动性降低，因此，可掺入减水剂、早强剂、增强剂、膨胀剂等以满足工程实际要求。表 132 和表 133 为三峡工程船闸边坡预应力锚索浆材配比试验的主要成果，根据该成果推荐的浆材配比如表 134 所示。内锚固段长度是预应力锚索设计的一个重要指标，直接影响工程造价。我国规范规定，内锚固段长度按下式确定（131）RcqmKL式中： L那锚固段长度，cm；qm单束锚索的锚固力，KN；R锚索孔直径，cm；C胶结材料同孔壁的黏结强度，MPa，参见表 135 和表 136；K安
11、全系数二、预应力钢材的主要类型当前，预应力钢材的发展趋是热高强度、粗直径、低松弛和耐腐蚀，可分为钢丝和钢筋两大类。国家标准 GB523335预应力用钢丝 对预应力钢丝的外观与力学性能作出了规定，其抗拉强度一般要求到 150280MPa。我国水利水电规范则要求钢丝或钢绞线的极限抗拉强度不小于 1400MPa。钢绞线一般用 7 根钢丝在绞线机上以一根钢丝为中心螺旋拧合而成。在水电工程中，常用的钢绞线及其力学特性如表 137 所示。这类钢绞线通常用于 1000、1200kN 和 3000kN 的预应力加固工程中。水利水电工程中常用的钢筋包括热处理钢筋和精轧螺钢筋，后者锚头大直接采用螺母，具有连接可靠
12、、锚固简单、施工方便和无需焊接等优点。规范规定，钢材的强度利用系数就安 0.60 选取，考虑超张拉荷载时，钢材强度利用系数不宜大于 0.75，其中 为钢材的抗拉强度。为了防止锚索材料锈蚀，规范规定使用的灌浆材料及其附加剂中不得含有硝酸盐、亚硫酸盐、硫氰酸盐。氯离子含量不得超过水泥重量的 0. 02 。锚索防腐剂的选用应符合 JB300793无粘结预应力筋专用防腐润滑脂的要求。施加防腐的等级，视介质和锚索的服务期限而定，我国规范有关规定见表 138。三、外锚头外锚头包括锚具和夹具，是为保持预应力并将其传递到加固体上的永久性锚固装置。我国目前常用的锚夹具可分为螺杆式、墩头式、锥锚式、夹片式四种。在
13、大吨位的预应力锚索中，多用墩头式和夹片式。水工预应力锚固设计规范建议的外锚头型式如表 139 所示。第四节 锚固施工一、设备工具1 钻孔设备( l )钻机。国产钻机有锚杆钻机 MD50 型、CZ150 型全液压双动力头、QDJ-1 全液压动力头、DK1 型水平锚索钻机等。进口钻机有瑞典阿特拉斯 A66 型钻机、美国英格索兰 KLEMM80302 型钻机。这两种钻机是具有世界先进水平的多功能钻机。( 2 ）潜孔锤。选用宣化一英格索兰公司生产的 DHD360 型和DHD340 型或其他型号潜孔锤。( 3 ）空压机。常用空压机型号有以下几种：VY9/7、ZV6/8、ZV2A5.5/12、XH20/1
14、2 等。( 4 ）钻杆。国产钻机采用 89mm、73mm、50mm 钻杆，进口钻机采用小 114mm 钻杆。2 灌浆设备( l )灌浆泵。有 BW250 型、BW200 型、BW150 型、BW100 型等泥浆泵。( 2 ）搅拌机。有 WJG801 型、Jl250 型、JJSZB 型等搅拌机。3 运输设备主要是各种不同载重的汽车；l.5t、5t、汽车吊 8t。4 锚固设备( l ）千斤顶。可选用 YC2593 #、YC400264 #、YCD4000 等型号。( 2 ）油泵。可选用 ZG900 型、ZB22500 型或 ZB4800 型。( 3 ）锚具。1000kN 级锚索张拉的锚具选用 0V
15、M157 型，3000kN 级锚索张拉的锚具选用 0VM15-19 型。5 胶结标准( 1 ）水泥。根据设计要求，可选用普通硅酸盐 525#水泥，不得使用矿渣水泥、火山灰水泥。其目的在于限制水泥中硫化物、氯化物等有害成分的含量。( 2 ）减水剂。可选用 GYA 型早强高效减水剂或 DM-100 型高效减水剂。其氯离子含量不得大于水泥质量的 0.02%，并不得产生气泡，或降低浆材的 pH 值。( 3 ）膨胀剂。可选用 AEA 型膨胀剂。( 4 ）观测设备。可采用钢弦式反力计对无粘结锚索预应力变化规律进行观测。二、施工流程1 . 普通端头锚施工工序造孔 测斜 穿束 内锚段灌浆 垫座混凝土浇筑 张拉
16、 封孔灌浆 外锚头保护编 束2 . 无粘结端头锚索施工工序造孔 测斜 穿束 内锚段灌浆 垫座混凝土浇筑 封孔灌浆 张拉 外锚头保护编 束3 . 对穿锚索施工工艺造孔 测斜 穿束 两端垫座混凝土浇筑 张拉 封孔灌浆 二次张拉（无粘结锚索） 编 束外锚头保护此外，在破碎地层造孔，应增加“压水试验”和“固结灌浆”两道工序。三、施工工序（一）造孔和测斜1 造孔每层孔位的高程用经纬仪测定，具体孔位用钢卷尺测量确定，实际孔位与设计孔位偏差不大于 10cm 。钻孔方位角及倾角用地质罗盘仪测量确定，误差不得大于 2。钻孔的孔深、孔径均不得小于设计值，有效孔深的超深必须小于 0.2m。终孔后必须用高压风、水冲洗
17、，直到孔口返出清水为止。经检查合格后，才可转入下孔钻进。当锚固段处于破碎地层时，锚孔应加深，使锚固段处于完整岩体内。为保证工程锚固质量，尽量减少预应力沿孔壁的摩擦损失，部颁标准 SL4694水工预应力锚固施工规范要求孔斜率不得大于3%，有特殊要求时，孔斜不宜大于 0.8。应采取有效的防斜措施，防止孔斜，并及时测斜，采用合理的纠斜措施，保证孔斜精度达到规定要求。2 测斜锚索孔孔斜精度要求高，现有侧斜仪精度难以满足要求。端头锚可采取将灯光置于孔底利用经纬仪施测钻孔的方位角与倾角，对穿锚钻孔也采用经纬仪两点交会法测出进、出口端孔中心的坐标和高程，从而算出孔斜率。3 压水试验在破碎地层造孔完成后，对锚
18、索孔锚固段应进行吕荣法压水试验。如果透水率 q 1Lu ，则不必进行固结灌浆。否则，应对该孔锚固段进行固结灌浆。4 固结灌浆固结灌浆应分段进行，段长不宜大于 8m 。施工时，按固结灌浆规程进行灌浆时，在规定压力下，吸浆量不大于 0.4L/min，继续灌注 30min ，即可结束。灌浆结束 48h 后进行扫孔。终孔后以高压风 水混合冲洗，直至返水变清。然后进行压水试验。如透水率满足规定要求，即可进行下道工序。如不合格，应重复上述步骤，直到满足要求为止。完成造孔后等待下道工序的锚索孔，应做好孔口保护，防止异物、污水进入孔内。（二）编索1 端头锚根据锚具、垫座混凝土和钻孔长度进行锚索下料，用机械切割
19、机精确切割。锚索下料长度误差不应大于总长度的 1/5000，且不得超过 5mm。根据锚索级别和设计要求，确定每束锚索所需钢绞线根数。将架线环、止浆环与进、回浆管、充气管与钢绞线逐一对应编号，然后对号入座。止浆环内用环氧树脂与丙酮封填密实。为防止架线环窜动，经过架线环的每根钢绞线应与架线环绑扎在一起。内锚固段每米设一个架线环，两环之间进行捆扎，使内锚段索体呈糖葫芦状，以提高锚索在锚固体中的极限握裹力。张拉段钢绞线每 2m 设一个架线环。最后在锚固段顶部焊一个导向帽，并用铁线将其固定的架线环上。端头锚索结构见图 134。2 . 对穿锚索编制将钢绞线对号穿过架线环，并用无锌铅丝绑扎架线环，每 5m
20、设一个。对穿锚索上设有止浆环、充气管及进、出浆管。对穿锚索结构如图 135 所示。3 . 无粘结锚索编制无粘结端头锚固段钢绞线应先去皮清洗，再将钢绞线、止浆环与进、出浆管与架线环一对号。锚固段架线环每 lm 设一个，张拉段每 2m 设一个，并使内锚段索体呈糖葫芦状。无粘结对穿锚索编制与普通对穿锚索编制相同。4 锚索编制注意事项( 1 ）锚索编制前对钢绞线进行检查，确保钢绞线保护层无损伤、无锈蚀、无杂质、无油污。( 2 ）锚固段清洗务求干净，可将钢丝分开清洗。用清洗剂和钢丝刷彻底清除油脂和锈迹后，再将钢绞线还原。( 3 ）下料和编束必须在工作平台上进行。( 4 ）预应力钢材编索及各种管路应平行排
21、列，不得有交叉缠绕现象。锚索绑扎牢固。( 5 ）为避免异种金属长期接触发生电化学腐蚀，不得在预应力锚索上使用两种不同的金属材料。( 6 ）焊结导向帽时，应将地线接到导向帽上。不能用索体作地线，防止打火使索体损伤。( 7 ）编索制作完成后，应进行外观检验，并签发合格证。按锚孔编号挂牌堆放成品锚索，并注明完成日期。（三）下索1 将编好的锚索水平运至现场。在运输过程中，应按下列规定执行；( 1 ）水平运输中，各支点间距不得大于 2m，转弯半径不宜过小，以不改变锚索结构为限；( 2 ）垂直运输时，除主吊点外，其他吊点应能在锚索入孔前快速、安全脱钩；( 3 ）运输、吊装过程中，应细心操作，不得损伤锚索及
22、其防护涂层；( 4 )由车辆串联的水平运输车队，应另设直接受加勺连接杆件，锚索不得直接受力。2 锚索入孔前必须进行下列各项检验，合格后方能进行吊装安放。( 1 ）锚孔内及孔口周围杂物必须清除干净；( 2 ）锚索的孔号牌与锚孔孔号必须相同，并应核对孔深与锚索长度；( 3 ）锚索应无明显弯曲 扭转现象；( 4 ）锚索防护涂层无损伤，凡有损伤必须修复；( 5 ）锚索中的进浆 排气管道必须畅通，阻塞器必须完好；( 6 ）承压垫座不得损环、变形。3 胶结式锚固段的施工，应符合下列规定：( 1 ）向下倾斜的锚孔，当孔内无积水，并能在 30min 内完成放索时，可采用先填浆后放锚索的施工方法；当孔内积水很难
23、排尽时，可采用先放锚索后填浆的施工方法，放索后应及时填浆。( 2 ）水平孔及仰孔安放锚索时，必须设置阻塞器，并采用先放索后灌浆的施工为法；阻塞器不得发生滑移。漏浆现象。4 机械式锚固段的锚索安放前，应检测孔径与锚具外径匹配程度。放索时锚索应顺直、均匀用力。锚索就位后应先抽动活结，使外夹片弹开嵌紧孔壁。5 墩头锚对穿锚索安放时，必须对锚具螺纹妥善保护，严防损伤；张拉端孔口应增设防护罩，活动锚具内外螺纹应衔接完好。6 分索张拉的锚索，吊装时应确保锚索平顺，全索不得扭曲，各分索不得相互交叉。钢绞线端部应绑扎牢固，锚索或测力装置应紧贴孔口垫板。（四）垫座混凝土的浇筑( 1 ）垫座用钢筋混凝土浇筑，浇筑
24、前为防止张拉过程中发生跑墩事故，必须处理孔口岩面，清除碎渣和不稳定岩块，并使孔口岩面基本垂直于钻孔轴线。对孔口大片光滑斜面，必须用手风钻处理成蜂窝状的粗糙平面。( 2 ）锚板是将锚索的集中荷载均匀地传递到混凝土垫座的主要构件，必须安装牢固。锚板必须与锚孔轴线垂直。施工时，先将孔口管的一端与锚板正交焊接，另一端插入锚孔轴线，与孔口管中心线重合。( 3 ）不同的预应力锚索级别，垫座混凝土配比根据设计要求而定。垫座混凝土为正梯台状，其结构见图 136。( 4 ）垫座混凝土浇筑应分层振捣，每层振捣应深入下一层1/3 厚度。振捣应密实周到，尤其是要注意边角部位。( 5 ）高温或低温季节，浇筑完成后应及时
25、养护。夏季浇水降温，冬季采用保温措施。( 6 ）垫座混凝土浇筑后 1 天拆模。垫座浇筑应做到内实外光，表面无蜂窝麻面等缺陷，如发现应及时修补。（五）封孔灌浆内锚固段的锚固施工是预应力端头锚施工工艺关键技术之一。锚固体以高强、早强、微膨胀、可灌性好和对钢材不产生锈蚀和应力腐蚀为宜，故水泥、水、外加剂中均不得含有氯、硫等有害成分。水泥宜用高标号普通硅酸盐水泥。应根据室内试验确定不同锚固部位水泥浆材料配合比。( 1 ）粘结型永久防护的封孔灌浆，必须留有排气孔道，以保证封孔灌浆不出现连通气泡、脱空现象。( 2 ）封孔灌浆所用纯水泥浆，水灰比宜采用 0.30.4；水泥砂浆水灰比宜采用 0.5。( 3 ）
26、向下倾斜锚孔封孔灌浆时，射浆管必须下到孔底，以浆排水，不扰动浆液；水平孔与仰孔灌浆时，排气管必须插至孔底，并应密封孔口，浆液不得漏出孔外。( 4 ）采用有压灌浆，最后 5m 孔段应进行循环灌浆，回浆浓度与进浆浓度相同后才能结束灌浆。( 5 ）封孔灌浆必须形成密实、完整的保护层。隔离架间距不宜大于 2m ，隔离架支板外露高度不得小于 5mm。( 6 ）无粘结永久性防护措施必须可靠、耐久，并有良好的化学稳定性。孔口应加设防护罩，做好防护体系搭接部位的防护。预应力钢材、涂层或套管应伸入锚固段浆体内，其埋入长度不宜小于0.5m。( 7 ）预应力钢材不得与有色金属材料长期接触。( 8 ）锚索安放后，应及时进行张拉和作永久性防护。张拉前，对临时防护措施应定期检查，确保锚索得到可靠的防护。（六）张拉1 机具准备 张拉前应对压力表、千斤顶认真校验并做好记录。2 张拉 一般采用适当的超张拉。第一次超张拉达到超张拉应力时，要静载半小时；第二次超张拉也要静载半小时；第三次超张拉静载半小时后卸荷至设计应力加预应力损失之和，即长久施加此荷载维持锚固应力。反复超张拉能调整应力趋于均匀，减少松弛损失。但对机械式锚根不得进行反复超张拉，以免外夹片齿槽被岩粉填平后失效，反而增大预应力损失。
