轻型钢垫板锚墩的施工设计与应用.doc

轻型钢垫板锚墩的施工设计与应用
葛 畅1，张文军1，褚洪臣2
（1.中国葛洲坝集团 市场开发部，湖北 宜昌 443000；2. 辽宁蒲石河抽水蓄能有限公司，辽宁 丹东 118216）
摘 要：本文以拉西瓦等水电站地下厂房预应力锚索施工为个例，对轻型钢垫板锚墩在大型地下厂房中的施工设计与应用问题进行初步探讨。
关键词：轻型钢垫板；集中荷载；有限元；中心挠度
Anchor pole of Light Steel Backing Strip Executive
Project and Application
Ge Chang1，Zhang Wen-jun1，Chu Hong-chen2
（1.Market Development Department of Gezhou Dam Group，Yichang 443000，Hubei；2. Liaoning Pushi River The Pump Gathers Energy Co. Ltd.，Dandong 118216，Liaoning）
Abstract：This article take Laxiwa and so on hydroelectric power station underground workshop pre-stressed anchor cable constructions as an example, carries on the preliminary discussion to anchor pole of light steel backing strip in the large-scale underground workshop's executive project and the application question.
Key words: Light Steel Backing Strip；Centralized load；Finite element；Central amount of deflection.

1 概述
随着我国水利水电行业的不断发展，建设规模不断扩大，岩锚工程在水电行业实践中得到越来越广泛的应用，其各种结构形式的预应力锚索及其相关理论也日趋完善。但是，传统的设计理念主要将重点部位放在锚固端上，而对反力结构则基本沿袭了现有的钢筋混凝土墩头，传统墩头由于结构特点，决定了其施工耗时耗工，在地下厂房施工中该问题尤为突出。
近年来，国内大多数大型地下厂房其顶拱和侧墙预应力锚索加固全部采用台锥型钢筋混凝土锚墩。例如拉西瓦水电站主副厂房长311.75m，顶宽30m，桥机轨道以下宽27.8m，高73.84m。仅厂房EL.2260.7m~2228.7m上、下游侧边墙就布置了六排预应力锚索，其中1500kN级锚索446束，钢筋混凝土墩头设计尺寸为0.8×0.8×0.4m（长×宽×高）；2000kN级锚索156束，钢筋混凝土墩头设计尺寸为1.1×1.1×0.5m。由于厂房结构上的要求，锚墩应尽量少占用厂房空间，因此全部设计采用内嵌式钢筋混凝土锚墩结构。主副厂房上、下游侧边墙开挖成型后，内嵌式结构锚索墩头需对边墙进行二次开挖，其施工方法主要有钻爆法和静爆剂法等，但都存在一定弊端：
（1）钻爆法施工
锚墩坑槽开挖采用二次钻孔爆破对围岩破坏影响较大，严重影响围岩稳定性，无形增加了厂房实际跨度，尤其是在厂房高边墙直接开孔钻爆，极可能将周围已趋于稳定的围岩荷载重新分布释放，易造成片帮及冒顶等事故。
（2）静爆剂法施工

锚墩坑槽开挖若采用静爆剂法施工，确实可以避免钻爆法对围岩整体性的影响，然而坑槽受造孔角度1及岩石级别2等因素制约，静爆剂法无法达到预期效果，加之静爆剂灌注后养护工序繁琐且时间较长（超过48h），耗费大量时间、人工，无形增加了施工成本。
鉴于锚墩坑槽开挖所带来的诸多施工弊端，在原设计基础上对反力结构进行改进，采用轻型钢垫板锚墩作为预应力锚索的反力结构，具有大幅提高施工进度、确保围岩稳定性、增加厂房整体美观以及减少后期装饰工程量等优点。但轻型钢垫板在拉西瓦地下厂房中首次应用，其理论分析、计算应与实际施工相结合，逐步调整其参数，以达到最优化结果。
（注：1、造孔角度与水平夹角偏小会导致孔内无法注满静爆剂；2、岩石级别强度过高，会大大降低静爆剂效果。）
2 轻型钢垫板的尺寸确定
钢垫板锚墩在受集中荷载后，采用普通简化模型对钢垫板下部岩层极限抗压能力进行验算、分析，初步确定垫板模型截面尺寸，再利用有限元法及材料力学理论公式验算假定厚度值，推导出垫板厚度，最终结合生产、施工加以修正钢垫板的尺寸。
2.1 主要参数
根据拉西瓦电站地下厂房相关的设计资料，获得如下基本的计算参数：
（1）花岗岩的抗压强度：60～100Mpa；
（2）主要预应力锚索设计荷载及相应孔径：
1500kN级锚索轻型钢垫板孔径φ165mm，
2000kN级锚索轻型钢垫板孔径φ195mm；
（3）锚索张拉应力范围：30%σ＜σ≤115%σ；
（4）钢板弹性模量E取206Gpa；
（5）弹性系数，其中泊松比μ取0.3；
（6）轻型钢垫板锚墩采用方形整体钢结构。
2.2 垫板边长计算
根据普通简化模型试算钢板边长，假设钢板的厚度为t（cm），边长为L（cm）。由于垫板下岩层应力为不均匀分布，高应力区主要集中在穿索孔周围的小范围内。计算围岩极限抗压强度时，应考虑局部安全超高k1和锚索超张拉k2等安全系数，故最小安全系数k（k1+ k2。。。）按1.6～1.8取值，围岩完整性好的取小值，反之取大值。
综上述，1500kN级和2000kN级预应力锚索垫板截面尺寸计算如下：

由上式可得，L1500≥kL1=（1.6～1.8）×22.4cm=35.84～40.32cm
L2000≥kL2=（1.6～1.8）×26.1cm=41.76～46.98cm
据上述计算结果，并结合实际生产、施工的简易性和可操作性，1500kN级锚索钢垫板截面尺寸拟定为45×45cm，中部设置φ165mm穿索孔；2000kN级锚索钢垫板截面尺寸拟定为50×50cm，中部设置φ195mm穿索孔。
2.3 垫板厚度确定
（1）钢垫板锚墩在有限元应用中归结于弹性薄板问题，在受到垂直于垫板面的集中荷载后，垫板将产生弯曲，最大挠度理论产生在垫板穿索孔中心。利用有限元法[1]计算钢垫板弯曲的收敛情况计算网格如图1-（a），在集中荷载作用下，沿中线的挠度见图1-（b）。

（a）计算网格 （b）挠度
图1 集中荷载q作用下的正方形钢垫板
Fig.1 Under centralized load q function rofile steel backing strip
承受均布荷载P或中央集中荷载q的正方形钢垫板，用有限元法求得的中心点挠度与精确解的比较见表1。
表1 正方形钢垫板的中点挠度（矩形单元）
Table1 Square steel backing strip's center point amount of deflection(Rectangular unit)
网络
结点数
均布荷载（）
集中荷载（）
2×2
9
0.003446
0.013784
4×4
25
0.003939
0.012327
8×8
91
0.004033
0.011829
16×16
289
0.004056
0.011671
精确解
—
0.004062
0.011600
由于垫板高应力主要集中在锚索穿索孔小范围内，最大挠度取集中荷载中心点0.0116。
① 假定1500kN级锚索钢垫板厚度为40mm，最大集中荷载为1.15Q，代入式中，可得
⑴
即当板厚40mm时，钢垫板的最大挠度为3.36mm。
② 假定2000kN级锚索钢垫板厚度为45mm，最大集中荷载为1.15Q，由式⑴得，，即当板厚45mm时，钢垫板的最大挠度为3.88mm。
（2）根据目前工程手册及材料力学文献[2][3]公式为理论计算依据，利用有限元法计算的精确解，验算假定钢垫板厚度。其中:
L —— 钢垫板宽度（mm）
t —— 钢垫板厚度（mm）
E —— 材料的纵向弹性模量（Mpa）
p —— 钢垫板内压强（Mpa）
d —— 穿索孔直径（mm），按孔外切矩形计算
b —— 承受内压P部分的宽度（mm）
轻型钢垫板锚墩垫板示意图如图2-（a、b）所示。

图2 轻型钢垫板锚墩垫板示意图
Fig.2 Anchor pole of light steel backing strip schematic drawing
则锚索垫板厚度由挠度公式计算如下：
① 1500kN级锚索
=1500×103×1.15/0.1652≈63.36 Mpa
，故假定钢垫板厚度满足最大挠度形变。
② 2000kN级锚索
=2000×103×1.15/0.1952≈60.49 Mpa
，故假定钢垫板厚度满足最大挠度形变。
上述计算公式用于近似计算。实际上，在钢垫板上还要加工进回浆孔、排气孔等孔洞，所以要精确地进行挠度计算实际上很困难。

此外，实际施工中应考虑锚索施工存在超张拉、简化模型及其解析解由于假设条件多而误差较大等因素，垫板厚度取值加以补偿，引入余量，安全系数拟定为2.0～2.2，实际系数根据生产性试验结果具体调整。故1500kN级预应力锚索锚墩垫板厚度取值按40mm计，2000kN级预应力锚索锚墩垫板厚度取值按50mm计。
3 轻型钢垫板锚墩的试验与施工
根据计算的钢垫板尺寸取值，在厂房上游边墙分别进行两种级别钢垫板锚墩生产性试验。首先，在孔口部位抹水泥砂浆找平，面层铺设钢筋网，再安装钢垫板待砂浆达到设计强度后，进行锚索张拉锁定。
试验初期，单（整）束绞线张拉在孔口处易拉（断）裂，施工中逐步发现问题多由水泥砂浆找平面不平整以及千斤顶张拉偏离等问题引起的。在钢垫板锚墩代替原钢筋混凝土锚墩方案中，由于锚墩中孔长度较原方案急剧缩短，若绞线张拉与孔洞轴线方向偏离，即会使钢垫板中孔段绞线弯矩呈幂数增长，从而导致孔口附近绞线断裂。故锚墩孔口砂浆找平、千斤顶张拉[4] [5]等施工环节要求十分严谨，直接关系到锚索整体张拉和锁定能否顺利进行。因此在实际施工中作如下改进：
（1）砂浆找平
① 钢垫板制安部位砂浆找平前，紧贴岩面铺设一层钢筋网（50×50mm，丝径φ2.6～3.2mm），四角展平后用土钉固定；
② 采用M10以上（含M10）硅酸盐水泥拌制砂浆找平，视岩面平整度，砂浆找平层厚度一般为15～20mm；
③ 1～3d后，待水泥砂浆强度达到设计强度的30%以上，再在砂浆面层铺设一层钢筋网，四角展平固定。
（2）锚索张拉
在孔口平整的前提下，锚索张拉出现绞线断裂，一般在整体张拉过程中。我们常用的锚索张拉千斤顶如YCD120、YCD200型。张拉时，弹性顶压器的壳体把弹性元件紧压在夹片上，由于弹性元件与夹片之间有弹性，钢绞线能正常地拉出；张拉后无顶锚工序，利用钢绞线内缩将夹片带进锚固。这种做法虽然可使千斤顶的构造简化、操作方便，但可能导致夹片受力不均匀、回缩损失较大，因此经常发生绞线断裂现象。鉴于此类千斤顶工作特点，实际施工中采用YCQ型千斤顶，这类千斤顶不顶锚，采用限位板代替顶压器，在钢绞线张拉过程中限制工作锚夹片的外伸长度，以保证在锚固时夹片有均匀一致和所期望的内缩值。千斤顶工作示意见图3。
经上述施工技术改进，钢垫板锚墩在锚索张拉或超张拉后，钢垫板下的垫层水泥砂浆找平面平整光滑，且未出现裂纹。锚索张拉后测力计观测记录的数据绝大多数在规范允许范围内，张拉锁定后的测力值完全满足设计要求，因此设计方案满足施工要求。
图3 千斤顶工作示意图
Fig.3 Hoisting jack work schematic drawing
4 结语
大型水电站地下厂房引水发电系统往往存在施工程序复杂、难度大、工期紧等工程特点，开挖施工中采用常规钢筋混凝土墩头锚索施工干扰大、组织复杂、占直线工期长。采用轻型钢垫板锚墩锚索，大大优化了施工，为地下洞室快速开挖支护创造了条件，保证了施工安全、质量、进度，取得了良好的效果。但轻型钢垫板锚墩锚索施工工艺还处在起步和逐步完善的阶段，对于顶拱和斜墙等异型部位受力监测结果并不理想，而且一次张拉成功率也不高，还需要进一步论证、分析。

参考文献：
[1] 朱伯芳 有限单元法原理与应用（第二版）. 北京：中国水利水电出版社，1998。
[2] 铁摩辛柯S. 材料力学（高等理论及问题）[M]. 北京：科学出版社，1979。
[3] 孙卫明，杨光松，Reissner 厚板弹性弯曲的一般解析解[J]. 应用数学与力学，1998。
[4] 王壮飞，江正荣等 建筑施工手册 中册（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，1988。
[5]司兆乐，水利水电枢纽施工技术[M].北京：中国水利水电出版社，2002。

作者简介：葛畅（1981-），男，浙江宁波人，工程师，从事水利水电施工组织设计编制及施工管理，E-mail：gcangel@。