水平深孔对穿锚索施工工法适用范围

《水平深孔对穿锚索施工工法》适用于对厚度在70米以内的岩体或建筑物的加固，宜用于双线船闸、地下洞群、地下厂房及地下建筑物进出口岩体或结构的加固。

水平深孔对穿锚索施工工法工艺原理

《水平深孔对穿锚索施工工法》的工艺原理叙述如下：

在岩体中钻孔（或在新浇混凝土结构内预留孔），穿入由数股钢绞线编制组成的束体，采用液压千斤顶，通过两端的承力结构（垫座）对束体进行预紧、张拉和锁定，从而实现主动给岩体或结构加力的作用，起到主动控制岩体或结构变形和提高岩体或结构稳定能力的目的。

锚孔导直工艺。主要是根据杠杆原理，设正副导正器。主导正器是控制钎头导直，副导正器是控制钻杆重力作用下的自然弯曲，副导正器可根据实际孔深可多设。

钻孔消尘工艺。利用双臂钻杆的环状间隙向孔内冲击器附近注水，使粉尘与水通过风水压差作用，在孔内充分混合成水泥浆状物排出孔口外，从而达到除尘的目的。

穿束工艺。采用一端用小型卷扬机牵引，另一端用人工理顺推递，完成穿束工艺。

水平深孔对穿锚索施工工法施工工艺

《水平深孔对穿锚索施工工法》的施工工艺流程及操作要点叙述如下：

• 工艺流程

水平深孔对穿锚索施工工艺流程见图1。

• 操作要点

一、施工准备

锚索施工前做好以下准备工作：搭设施工平台（钢管排架）、孔位测量放样、机具安装调试、材料及风水电准备等。

为保证锚索钻孔的开孔偏差不大于10厘米，使用满足设计精度要求的测量仪器进行开孔定位。

二、造孔

测量布孔后用测量仪器辅助钻机就位，然后固定钻机，保证钻杆中心线与锚索孔中心线重合，确保锚孔开孔孔位和孔轴线符合设计要求。为保证锚孔钻进的孔斜符合设计要求，开孔进尺5米后对锚孔的孔斜进行一次检测，校对和调整钻孔参数，必要时采取纠偏措施（使用导直器、扶正器等）；此后每钻进10米对锚索孔的孔斜进行一次检测，以便及时校对和更改钻孔参数。

锚索孔钻进过程中，认真做好钻孔进尺记录（包括钻孔的尺寸、回水颜色、钻进速度和岩粉状态等数据），对每一段的地质情况作一个评价，为下一步地质缺陷处理或灌浆施工提供依据。

在钻孔完毕后，连续不断地用高压风水将孔道内的钻孔岩屑和泥砂冲洗干净，直到回水变清、钻孔彻底冲洗干净为止；在安装锚索前将钻孔孔口堵塞保护。

通过新浇混凝土结构的锚索按设计和规范要求在锚索孔部位的混凝土结构内预留锚孔。

三、验孔

水平深孔对穿锚索验孔主要采用经纬仪和全站仪对锚索孔两端孔口坐标进行测量，并与设计值相比较，求出终孔孔轴偏差。如果在验孔过程中发现锚孔为弧形，可使用磁方位摄影测斜法等对部分孔段进行辅助验孔。锚索孔验收完毕后，须做好孔口保护工作。

四、锚索地质缺陷处理

1.锚索孔口地质缺陷处理

为保证锚索承压垫座混凝土的施工质量，在锚索穿索施工前对锚索孔口承压垫座混凝土基础的地质缺陷及时进行处理，以免造成锚索张拉时垫座混凝土开裂破坏或锚索张拉后预应力损失较大的情况发生。缺陷处理一般先将孔口周围岩面清理干净，同时对松动块体进行清撬处理，大型块体预先采用锚杆加固，并在光滑岩面上增加适量的抗滑钢筋。

2.锚索孔围岩灌浆处理

对于破碎带或渗水量较大的围岩（即钻孔过程中遇到不回风、不回水、塌孔、卡钻等现象），经确认为地质缺陷后，对锚孔进行围岩灌浆，采用分段固结灌浆、扫孔钻进的方法进行处理。围岩灌浆过程中如灌入量较大且不起压，可间歇12小时后再复灌。灌浆结束3天后才能进行锚孔扫孔作业。

五、编索

编索采用车间生产方式，将钢绞线平放在车间工作平台上，对单根钢绞线进行除污、除锈并编号，按结构要求编制成束后对应锚索孔号进行挂牌标识。针对每一个锚索，精确计算钢绞线的下料长度（长度须满足结构设计和工艺操作的要求，根据锚索实际孔深、锚具厚度、张拉设备工作长度、测力计装置的厚度和调节长度等确定）；下料前先检查钢绞线的表面，没有损伤的钢绞线才能使用；下料时采用电动砂轮切割机切割，下料误差不得大于5厘米。锚索钢绞线按照设计结构编制，导向帽、隔离架等设置符合设计要求，灌、回浆管采用无锌铅丝按要求绑扎（不得使用镀锌铁丝作捆绑材料）。锚索捆扎完毕后采取保护措施防止钢绞线锈蚀。

无粘结锚索两端的钢绞线应去皮和清洗；去皮采用电工刀切口、人工拉皮；清洗时用专用工具将钢绞线松开，用汽油人工逐根清洗，干净棉纱擦干，其长度按设计要求，误差控制在1厘米以内。普通锚索的钢绞线也要用干净棉纱进行擦拭，保证其表面无锈斑、油污及杂质。

六、穿束

1.束体运输。

束体水平运输的方法，交通条件好的，采用人工或拖车运输。交通条件差的，采用人工或拖车运输到紧靠现场附近，然后采用简易缆索（钢丝绳和滑轮组合）运输。运输过程中，每2.0米应设一个支点，转弯半径以不改变束体结构为限，一般转弯半径不小于5.0米。

2.穿束。

穿束一端采用人工推送，另一端用小型卷扬机配合牵引，完成穿束工序。穿索时要注意保持束体平顺，不得损伤束体结构。穿束完成后，要认真检验两端孔口外束体长度是否满足后续施工工艺要求，并及时做好外露束体的保护工作。

七、承压垫座混凝土浇筑

承压混凝土垫座浇筑是在穿束工序完成后进行。垫座混凝土浇筑时，先清理锚孔孔口周边围岩岩面及松动岩块，然后安装钢套管、钢垫板、钢筋网，再进行立模、验仓和浇筑。安装时，保证预埋的钢套管中心线和钻孔轴线重合，钢垫板与钻孔轴线垂直。垫座混凝土宜采用R₇350号混凝土（二级配），体配合比由试验确定。垫座混凝土采用小型拌合机拌制，人工喂料，软轴振捣器分层振捣密实，施工中要特别注意对边角部位混凝土的振捣。

八、预紧张拉

在承压垫座混凝土强度达到设计要求后进行锚索预紧张拉施工。对穿锚索两端要分别进行预紧，先采用预紧千斤顶对每根钢绞线进行2次以上的预紧，使锚索每股钢绞线受力均匀。预紧采用单根钢饺线对称和多次循环预紧方式，先对中间轴心1根钢绞线预紧，再由外及里对称预紧，预紧荷载宜为0.2-0.3倍设计张拉力。每根钢绞线以两次预紧伸长长度差不超过3毫米为限，伸长长度差超过3毫米的钢绞线则进入下一循环继续预紧，如此反复，直至每根钢绞线伸长长度差均不超过3毫米，且每股钢绞线的预紧实际伸长位移应大于预紧理论伸长位移。

整体张拉采取分级进行的方法，根据设计张拉力来确定分级吨位和级数，张拉力逐级增大，其最大值为锚索设计荷载的1.03-1.1倍，张拉升荷速率每分钟不得大于设计张拉力的10%。每级张拉结束时需要稳压一定的时间（一般为5-7分钟），达到最终设计张拉吨位结束张拉时，要稳压的时间更长些（宜采用10-20分钟），以减少应力损失，保证锚固效果。整体张拉过程中，采用精度为1毫米的钢尺对钢绞线的每级伸长值进行测量，并与理论计算伸长值进行对比分析。当每一级的实测伸长值大于理论计算伸长值10%或小于5%时暂停张拉，待查明原因并及时采取措施予以调整后方可继续张拉。

长度超过24米的对穿锚索宜采用两端同步张拉。

对设计上要求安装测力计的锚索，应先安装好测力计，测量测力计原始数据后，在监测人员的指导下进行预紧和张拉锁定施工。

对设计上要求做验收试验的锚索，应先按验收试验的要求进行验收试验。验收试验满足设计要求后，再卸荷，重新张拉机具，再按预紧、张拉要求实施。

九、封孔灌浆

为减小锚索钢绞线在高应力状态下的应力损失，张拉锁定后（或在补偿张拉工作结束经检查确认锚索应力已达到稳定的设计值后）立即进行封孔灌浆。

封孔灌浆采用锚索的灌浆管从锚具系统中的灌浆孔施灌，采用有压循环灌浆方式进行，灌浆压力一般为0.5-0.7兆帕。灌浆前先检查灌浆管是否畅通，若灌浆管堵塞及时采取有效的措施进行处理，保证锚索封孔灌浆的密实度；处理措施主要为采用排气管或备用管灌浆，加钻孔排气等措施进行灌浆等。为保证所有空隙都被浆液回填密实，在浆液凝固到不自孔中回流岀来之前，保持0.3-0.4兆帕的压力进行屏浆。结束灌浆的控制标准为：灌浆量大于理论吃浆量，回浆比重不小于进浆比重，且稳压30分钟，孔内不再吸浆，进、排浆量一致。

锚索孔岩石破碎的部位可能存在裂隙与开挖岩面相通而漏浆，在进行灌浆时要边灌浆边用速凝剂封堵裂隙，同时灌浆压力要适当减小，通过延长屏浆时间来保证灌浆的密实性，必要时采用间歇灌浆法施工。

十、外锚头保护

锚索灌浆完成后锚具外的钢绞束留存5-15厘米，其余部分采用砂轮切割机切除；然后将工作锚具和留存的钢绞线端头清洗干净，并对垫座混凝土进行凿毛，最后涂环氧保护层和浇10-20厘米厚的混凝土保护帽，完成对外锚头的保护。

《水平深孔对穿锚索施工工法》的工法特点是：

1.水平对穿预应力锚索，既充分利用两个临空面的优越性，又充分利用了钢绞线的高抗拉强度和混凝土与岩体的高抗压强度的特性。同时，还具有对岩体及结构扰动小，简化束体结构，方便施工和受力科学等优点，是一项在工期、质量、安全和造价等技术经济效能方面都具有一定的先进性、实用性和新颖性的工程施工技术。

2.对穿锚索除具有端头锚索的主动作用和作用快的共同优点外，还具有如下显著特点：

1）受力结构更科学。端头锚索是内端受拉，外端受压；对穿锚索岩体或结构两面同时受压。它充分利用了岩体和结构高抗压能力，且两面压力又通过传力结构传给岩体或结构，既起控制岩体或结构变形，又起到提高岩体或结构稳定能力的效果。

2）简化束体结构。端头锚索结构由内锚段、自由段和外露段3部分组成；而对穿锚索只由自由段（张拉段）和两个外露段组成，束体结构单一。

3）减少干扰和提高工效。对穿锚索施工可以充分利用两个工作面的有利条件，减少对开挖工程施工的干扰，加快施工进度和及时加固的效果。在三峡船闸对穿锚索施工中，充分利用南北坡山体内五层排水洞和南北线开挖与锚索交错施工的条件，提前进行水平锚孔造孔，有效减少施工干扰，提高锚固时效和工效。

截至2009年，预应力锚固技术在中国水利水电工程的应用只有40余年的历史，到20世纪90年代，才开始步入规范化设计和施工的轨道。三峡永久船闸是双线连续五级船闸，也是截至2009年世界上造建船闸工程规模最大，设计总水头和级间水头最大、闸槽最深最长和直立坡最高的船闸。船闸采用大量3000千牛级大吨位水平对穿预应力锚索，锚孔孔斜要求≤1.0%，最大孔深为60.0米，最大孔径ф76毫米。它既能同时解决两面岩体及结构变形和稳定问题，又避免了端头锚内锚段集中应力过大造成岩体内局部岩体的拉裂和损伤问题，同时还起到改善施工环境、简化束体结构、方便施工的效果。

湖北安联建设工程有限公司联合设计单位和大专院校结合工程实际，有针对性地对水平深孔预应力锚索施工技术开展了研究和创新。通过对锚索钻机机具改进和钻孔、验孔、穿索、张拉、封孔灌浆等关键工序施工工艺的探索研究，取得了丰硕成果，并形成《水平深孔对穿锚索施工工法》。

《水平深孔对穿锚索施工工法》所用的材料及设备明细如下：

• 材料

1.锚索体材料

一般选用标准型或压紧型1860兆帕（270级）高强低松驰普通钢绞线和无粘结钢绞线，中国国内生产的厂家有江西新余、无锡金羊等品牌钢绞线厂家。

2.锚具

锚具选用以适合钢绞线为宜，主要类型有OVM等。

3.灌浆材料

选用水泥浆或水泥砂浆以高强、早强、微膨胀、可灌性好、对钢绞线不产生锈蚀和应力损失为宜。水泥浆液水灰比宜采用0.3-0.4，水泥砂浆水灰比宜采用0.45-0.5；浆液配合比根据试验选用。

• 设备

1.水平深孔对穿锚索施工一般属于高处作业，机械设备宜选用可移动式和装配式的，且机械设备作业效率要求较高。

2.测量仪器

可选用捷创力520型全站仪（测量精度为2"、测距精度为2 2ppm）、拓普康SL-3型测距仪（测距精度为2 2ppm）、蔡司010型经纬仪（测量精度为2”）和苏光J2-2型经纬仪（测量精度为2"）等满足测量精度要求的仪器。

3.造孔设备

可选用经改进和研制的DKM-1型轻便型钻机、宣化英格索兰MZ165D型钻机和MGJ-50D型微小型钻机等整机性能稳定可靠、安装定位方便、钻孔精度高、能适应复杂地质条件的钻机。

4.灌浆设备

根据浆材选用砂浆泵或灰浆泵，常用的砂浆泵有四川绵竹五金机械厂生产的150/50型砂浆泵，灰浆泵有杭州市建筑机械厂生产的UBJ-2型灰浆泵等灌浆设备。

5.预紧张拉机具

1）预紧设备可选用YCD-18型、YKD-18型，根据不同的预紧吨位来选用相应的型号。

2）张拉设备可选用YCW-400型，根据不同的张拉吨位来选用相应的型号。

3）油泵可选用ZB4-500型和ZB4-500S型等油泵。

6.切割钢绞线设备

可选用电动砂轮切割机，其具有操作简单、移动方便等特点。

• 劳动组合

水平深孔对穿锚索工程施工属于多工序施工，对工序间的间隔时间作了严格规定，如张拉锁定后立即进行封孔灌浆；再加之有的工序施工需要劳动力特别多，如穿索时运输锚索入孔，按30米来算大致需要20人左右，而其他工序则最多需要10人左右；施工人员的合理配置和组织是一个关键，因此各个工序之间的衔接组织显得特别重要，各工序的劳动力组织安排见表1。

参考资料：

《水平深孔对穿锚索施工工法》的质量控制要求如下：

1.水平深孔对穿锚索施工必须遵照《水电水利工程预应力锚索施工规范》DL/T 5083-2004、《水工预应力锚固施工规范》SL 46-94等执行。

2.锚索施工属于隐蔽性工程，施工时应实行全过程监控，确保工程施工质量。

3.施工中的水泥、外加剂、钢绞线、锚具、夹片等各种原材料均应有供货商（厂家）提供的材质证明书、产品合格证及试验检验报告等，并按试验规程规范要求进行检测。

4.灌浆材料（水泥浆或水泥砂浆）配合比应按规范要求进行现场试验确定。

5.锚索钻孔的位置、方向、孔径及孔深应符合施工图纸要求。开孔时严格控制钻具的倾角及方位角，当钻进20-30厘米后应校核角度，在钻孔中及时测量孔斜及时纠偏，终孔孔轴偏差不得大于孔深的2%，方位角偏差不得大于3°。

6.锚索制作完毕后应妥善存放，并登记、挂牌标明锚索编号与长度；存放点要求防潮、防水、防锈、防污染，索体入孔前应检查灌浆管、回浆管是否畅通。

7.为保证张拉控制力的准确，在第1束锚索张拉前或张拉设备发生下列情况之一时，应对张拉设备系统（包括千斤顶、油泵、压力表等）进行“油压值一张拉力”的标定。

1）千斤顶经过拆卸、修理。

2）压力表受到碰撞或岀现失灵现象。

3）更换压力表。

4）张拉中钢绞线发生多次破断事故或张拉伸长值误差较大。

5）标定值与理论计算值误差大于±3%。

6）标定间隔时间超过6个月。

8.钢绞线在张拉施加预应力后如不及时进行水泥浆或水泥砂浆的防护，钢绞线在高应力状态下应力损失较快；因此应尽快（一般不超过24小时为宜）对有粘结钢绞线在高应力状态下进行防护。

9.锚索在进行封孔灌浆时要求灌浆密实才有利于对钢绞线的防护，实际施工中一般采用有压循环灌浆。为保证锚索孔顶部空间浆液的密实度，在回浆管回浓浆后屏浆30分钟左右，通过屏浆对孔内浆液进行泌水、排气，进一步提高灌浆质量。

采用《水平深孔对穿锚索施工工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

1.水平深孔对穿锚索施工工序复杂、危险源较多，应加强安全组织教育，建立安全生产保证体系，确保施工安全。

2.锚索一般是在高排架上施工，施工排架的搭设应符合规程规范要求；施工排架上的操作平台应铺满跳板，跳板接头搭接牢固，施工平台边缘设置护栏和安全网。在锚索钻机工作的施工排架上采用增加脚手架钢管和加设插筋等方法增强排架的刚度，保证钻机在钻孔时的稳定，防止在钻进时排架“漂移”。

3.锚索钻机就位前先清除锚索孔口周围的松动块石，以免钻孔冲击时掉石块砸伤施工人员及设备。

4.锚索运输和穿索过程中特别是上下坡时，一定要按指挥员号令统一行动，不得随意放下和换肩。

5.锚索张拉受力时，千斤顶出力方向45°内严禁站人。

《水平深孔对穿锚索施工工法》的环保措施如下：

1.水平深孔对穿锚索施工应根据ISO14001要求，结合工程特点制定生态环境保护措施。

2.锚索钻孔要求：

1）钻机应配备消声、捕尘装置。

2）钻孔作业人员应配带隔声、防尘器具。

3）制定施工污水处理排放措施。

3.灌浆及混凝土施工要求：

1）水泥堆放应有防护设施，避免水泥粉尘散扬。

2）弃浆、污水应经处理才能排放。

4.锚索施工结束，应对施工现场进行清理。

《水平深孔对穿锚索施工工法》的效益分析是：

1.对于边坡的加固，采取预应力锚索的加固方案同其他加固方案比较，可节省投资20%-50%，工期缩短50%左右，对边坡扰动也较小。

2.采用水平深孔对穿锚索加固除具有上述普通预应力锚索加固相同的优点以外，能合理减轻与开挖施工的干扰，提高工程施工进度，从而进一步节省投资。

《水平深孔对穿锚索施工工法》的应用实例如下：

在三峡船闸施工中，采用南、北坡与岩体深部的排水洞对穿、中隔墩两侧相互对穿的形式共施工3000千牛级水平深孔对穿锚索1987束（三峡船闸水平深孔对穿锚索布置见图2），有效保证了三峡船闸两侧高边坡、直立墙及中隔墩直立墙的安全稳定，减轻了与闸槽开挖的相互干扰。三峡船闸水平深孔对穿锚索布置如图2所示。

• 造孔

三峡船闸锚索施工在高排架平台上进行，选用DKM-1型钻机和MZ165D型钻机，采用全断面风动冲击钻进法钻孔。锚索孔径为165毫米，对穿锚索施工水平孔孔斜控制在孔深的1%以内。

为提高锚索孔斜施工质量，三峡船闸锚索施工中采用导直钻进工艺，具体如下：

钻孔偏斜主要由两个方面的原因造成，一是钻具与钻杆结构特征造成的自然偏斜，二是钻进过程中长度较大的钻杆在强大钻进压力下造成的弯曲；导直钻进工艺包括对这两方面钻孔偏斜的控制。

1.钻具自然偏斜误差与控制

钻具包括钻头、冲击器，全长1.45米，头部直径ф165，尾部直径ф136；后部接细小钻杆，在水平钻孔中具有自然偏斜角。钻进过程中当钻进到钻杆第一挠曲波长时，在自重力作用下钻杆开始呈抛物线下垂，钻进越深，垂曲距离越大。为克服这种自然偏斜造成的钻孔精度误差，保证钻孔精度，在冲击器后部安装一较大直径的钻具扶正器，见图3-图5。

试验表明对上述钻具配备的扶正器参数如下：长度0.3-0.5米，直径ф158-ф160，表面刨槽凸棱，表面冷压合金柱齿与表面贴平，增加耐磨能力和加大导风排碴效果，减小重复破碎保证进尺效率。

2.钻杆弯曲与控制

三峡船闸锚索孔深普遍在30-50米，使用ф89钻杆，其径长比约为：3/1000-18/10000，其变曲度发生在孔内回转时，螺旋弯应力导致钻杆自转（绕钻杆中心轴转动）；加上轴向压力，偏斜力成倍上升，沿重力方向偏斜越来越严重。

控制钻杆弯曲的方法：加强钻杆刚度，采用ф89双壁钻杆和增大钻杆直径至ф108，来提高钻杆刚度；增加钻杆扶正器，延长钻杆弯曲波长，即在弯曲半波长位置增加扶正器支点。这样可以使钻杆绕着钻孔轴心，沿孔壁滑动做公转运动，使孔轴心呈直线延伸，减小弯曲力，减轻钻机负荷，达到水平成孔效果。

两种措施构成了导直钻进工艺，结构如图6。

该钻具组合在三峡船闸锚索施工中造孔4300余个，孔斜误差≤1%的成孔保证率达80%以上。

• 编索

编索采用车间生产方式，将钢绞线平放在车间工作平台上，对单根钢绞线进行除污、除锈并编号，按结构要求编制成束后对应锚束孔号挂牌，出厂前进行验收。对穿锚索张拉端采用OVM夹片式锚具，下料长度按锚索实际孔深、锚具厚度、张拉设备工作长度、锚索测力计厚度和调节长度的总和考虑。由于边坡起伏较大，综合考虑各影响因素，对穿锚索实际施工中下料长度按实际孔深加上2.4-3米控制，钢绞线采用砂轮切割机切割。

• 穿索

编制好的锚索用人工水平运输到相应部位，采用人工、滑轮挂钩或小型起重机将锚索运送到相应的施工排架平台上，人工穿索，穿索时注意保持索体平顺。

• 承压垫座混凝土浇筑

承压垫座混凝土内设置的钢套管、钢垫板、钢筋网及灌浆套管在车间进行加工，现场调整安装。安装前将孔口周围岩面清理干净并处理松动块体，安装时保证预埋的钢套管中心线和钻孔轴线重合，钢垫板与钻孔轴线垂直。立模后，进行开仓验收合格方可浇筑。垫座混凝土采用R₇350号混凝土（其配合比见表2），小型拌合机拌制，人工喂料，管式振捣器分层振捣密实。

• 预紧张拉

锚索承压垫座混凝土浇筑7天后采用YKD-18型千斤顶进行单根预紧，预紧吨位为30千牛。

预紧完成后采用YCW-400型千斤顶进行整体张拉，分级张拉程序为：预紧→750千牛（25%P）→1500千牛（50%P）→2250千牛（75%P）→3000千牛（100%P）→3450千牛（115%P）；每一级稳压7分钟，最后一级稳压15分钟。后期锚索施工不进行超张拉，分级张拉程序为：预紧→800千牛（27%P）→1450千牛（48%P）→2100千牛（70%P）→2750千牛（92%P）→3000千牛（100%P）；每一级稳压5分钟，最后一级稳压10分钟。

• 封孔灌浆

锚索张拉锁定后立即进行封孔灌浆，灌浆压力0.2-0.7兆帕，并浆压力0.2兆帕，并浆时间30分钟，浆液配合比见表3。

• 外锚头保护

锚索在张拉锁定并完成封孔灌浆后，将锚具外的钢绞束留存50毫米，其余部分采用砂轮切割机切除；然后将工作锚具和留存的钢绞线端头清洗干净，并对垫座混凝土进行凿毛，最后涂环氧保护层和浇200毫米厚的混凝土保护帽（

2011年9月，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2009-2010年度国家级工法的通知》建质[2011]154号，《水平深孔对穿锚索施工工法》被评定为2009-2010年度国家二级工法。 2100433B

《复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法》的效益分析是：

• 经济效益

锚索造孔施工是超长锚索施工技术难题中最关键的制约环节。复杂地层深孔大孔径锚索钻孔通过开孔定位导向装置、钻孔反吹研碎及扶正装置、跟套管钻进和采用粘时变浆液灌浆等技术在锦屏及小湾水电工程的成功应用，锚索钻孔工效可由初期阶段5~8米/天提高至22~25米/天，大大提高了锚索施工进度；锚索孔道破碎岩体灌浆节约水泥30%~40%，节约锚索施工工期约7个月，直接减少投资及施工成本约1200万元。

• 社会效益

该工法的推广应用，可以解决复杂地层深孔大孔径锚索钻孔施工技术难题，提高锚固工程施工质量，保障施工工期，节省工程建设投资，有效保障工程安全。

注：施工费用以2009-2010年施工材料价格计算

《复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法》的应用实例如下：

• 实例1：锦屏一级水电站

锦屏一级水电站位于四川凉山州盐源县、木里县交界的雅碧江上。大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程EL1885米，最大坝高305米，水库总库容77.6亿立方米，装机容量3600毫伏。

锦屏一级水电站大坝左岸550米级高陡边坡CII标、CHI标预应力锚索共布置近6500束。锚索结构为自由式单孔多锚头压力分散型无粘结预应力锚索，对钻孔质量要求高。锚索间排距按沿开挖坡面4米x4米、5米x5米、6米x6米布置，其中按4米x4米布置锚索居多；支护吨位有1000千牛、2000千牛、3000千牛三种，其中2000千牛、3000千牛，L=60米、80米锚索居多。深孔、大孔径钻孔工程量总共达约408000米。

CⅡ标预应力锚索自2005年11月开始施工，2008年1月全部施工完毕，CⅡ标边坡开挖支护工程于2009年12月顺利通过竣工验收；CⅢ标大坝左岸工程预应力锚索施工也于2009年7月份全部施工结束。在锚索钻孔过程中，开孔定位导向装置、钻孔反吹扶正装置、粘时变浆液等先进技术的成功应用，解决了复杂地质条件下锚索成孔问题。

根据施工期间埋设的多点位移计、锚杆应力计监测成果及锚索锚固力变化表明，开挖边坡锚固范围内岩石处于稳定状态，大吨位、长锚索锚固效果优良。锦屏一级水电站大坝左岸550米级高边坡治理效果图如图11所示。

• 实例2：云南小湾水电站

小湾水电站位于云南省大理州南涧县与临沧地区凤庆县交界澜沧江与黑惠江交汇点下游1.5千米处。小湾水电站混凝土双曲拱坝高292米。大坝建成后，水库正常蓄水位为1240米，总库容量为149.14亿立方米，有效库容量达98.95亿立方米，装机容量420万千瓦，年发电量188.9亿千瓦·小时。

小湾水电站两岸预应力锚索共6800余根（其中堆积体锚索2344根）。支护吨位有1000千牛、1800千牛、3000千牛三种，最深锚索为75米，一般为25~50米。

小湾电站于2002年开工，2009年9月实现首台机组发电，2010年8月6台机组全部投产发电，整个电站总工期较原计划缩短2年。

该工程预应力锚索钻孔施工除堆积体采用跟管钻进技术外，其他部位锚索钻孔施工均应用了反吹扶正装置、固壁灌浆技术，成功解决了复杂地质条件下锚索成孔问题。

根据施工期间埋设的监测仪器监测结果表明，小湾水电站两岸边坡整体没有产生变形，边坡处于稳定状态。

小湾水电站700米级高边坡治理效果图如图12所示。

参考资料：

复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法适用范围

《复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法》适用于工程地质条件复杂的水电水利、公路与铁路、市政及地质灾害治理等工程深孔、大孔径岩锚钻孔施工。

复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法工艺原理

《复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法》的工艺原理叙述如下：

利用岩土钻掘技术，将压缩空气作为动力介质，推动潜孔冲击器做功，破碎岩体凿岩成孔。根据地层情况和作业条件，选择合适的钻孔机具及钻孔作业参数，满足支护对施工进度和工程安全的需要。在覆盖层或堆积体中钻孔采用跟套管钻进技术成孔；在地层复杂的基岩中钻孔时遇到宽大裂缝或掉块、塌孔时，采用粘时变浆液（可泵时间、流动性、初凝时间及终凝时间可根据工程实际情况调整）的物理化学及力学特性进行固壁灌浆或破碎岩体固结灌浆，保证孔壁稳定和嵌缝堵漏；同时使用不提钻反吹研碎及扶正装置来处理钻进过程中岀现的埋钻卡钻事故，并防止钻孔弯曲的产生。采用上述综合的工艺方法，最终实现复杂地层岩锚施工钻进成孔。

复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法施工工艺

《复杂地质边坡大孔径深孔锚索钻孔施工工法》的施工工艺流程及操作要点叙述如下：

• 工艺流程

一、复杂地层深孔大孔径岩锚钻孔施工主要采用多功能全液压履带式钻机紧跟开挖面及轻型锚固钻机在脚手架上钻孔相结合的方式施工，见图1、图2。

二、复杂地层深孔大孔径岩锚钻孔施工工艺流程见图3。

• 操作要点

一、测量放点

根据锚索设计布置位置在作业面依次用全站仪放样，并做孔位标记。

二、作业场地平整

按放样的锚索孔部位对作业面进行平整，使钻孔机具能够良好就位，或为作业平台的搭建创造条件。

三、排架搭设

若锚索作业时需要形成锚固工作平台时，脚手架搭设需遵循《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ 130-2001中的相关要求。脚手架上作业的轻型液压锚固钻机应按一定的间距均匀分布，不可集中作业。钻孔操作平台临空面及上部，必须设置安全防护设施进行立体防护。

脚手架搭设完毕后，在脚手架上采用全站仪按钻孔设计角度放出锚索孔的后视点，锚索钻孔方位角按孔位、后视点连线控制，见图4。

四、开孔钻进

钻机就位并校正好钻孔角度后，将钻机固定牢固。

开钻前，应仔细检查钻机完好情况，并采用压缩空气清除钻杆内杂物，同时清除孔口周围的松动岩块。钻孔时，先采用较设计钻孔孔径大一级的钎头开孔。开始钻孔时，打开送气阀，冲击器向前给进，钎头顶住岩面，使冲击器只冲击工作，不回转钻进。当冲击出一个凹形小坑稳住钻具后，再回转使冲击器进入正常工作。亦可在设计孔位上先采用人工钻凿出与锚孔孔径相匹配的凹槽，以利于钻具定位及导向。

五、孔口管镶铸

当钻进至1.5米时，停止钻进，并起钻，镶铸带法兰盘的孔口管，孔口管管径需与设计钻孔孔径相协调，其方位角与倾角皆应满足设计要求。孔口管镶铸完毕后应仔细对镶铸精度进行检查。孔口管镶铸的目的是：①保护孔口，②钻孔导向，③可及时进行有压固壁灌浆或锚索束体安装完成后孔道灌浆。

六、跟管钻进

当覆盖层较厚时，为确保能有效成孔，可先采用跟管钻进至基岩后，再采用普通潜孔锤钻孔至设计深度。跟管钻进时应注意以下几点：

1.套管级配和钻孔结构应相适应，钻具选择应适合地层和钻孔需求。

2.跟管前应逐一检查潜孔冲击器、钻头及套管、管靴，保证钻具材质的可靠性。

3.钻进过程中，随孔深增加同步加接钻杆及套管，并保持孔内清洁。

七、变径钻进

孔口管镶铸完毕并待凝24小时后，换用与锚孔设计孔径匹配的钎头钻进。

八、钻孔排渣

1.复杂地层钻进时，漏风、掉快、卡钻和埋钻现象严重，岩屑难以有效排出。一部分岩屑进入漏风裂隙带或破碎岩体缝隙中随着孔内高压介质的强弱来回移动，与松散破碎岩石碎块一起造成塌孔埋钻事故；另一部分岩屑因高压介质漏失力量减弱，被搬运至冲击器尾部，充填于孔壁与钻杆形成的环状空间内，致使卡钻、埋钻事故频繁。

在钻孔过程中，每加接一根钻杆前，须上下活动钻具并反复吹孔至少一根钻杆长度。提钻时，应缓慢、均匀，并保持空压机连续供风。

2.有效清除孔内岩屑，可在冲击器尾部安装钻孔反吹与研碎装置。增加钻孔反吹与研碎装置的工作特征在于：

1）在钻进过程中，压缩空气经钻杆中心通道、钻孔反吹装置中心通道直接作用于潜孔锤使冲击锤高频振动、做功并传给钎头，同时在回转力的作用下凿岩成孔，见图5（a）。

2）在提钻过程中，压缩空气经钻杆中心通道直接传至钻孔反吹装置排气口（不驱使潜孔锤做功）直接往孔外排气，将孔内岩屑直接吹出孔外，见图5（b））。

3）该装置尾部镶嵌有钢粒，可切削、研碎孔壁的探头石及掉块产生的较大岩块。

通过钻孔反吹及研碎装置的使用，在大大降低孔径的同时，可将锚孔孔道清洗的更干净，有利于锚索安装，提高锚索施工质量。

九、钻孔纠偏

1.复杂地层锚索钻孔过程中，钻孔轴向沿软弱层面倾斜，钻孔轨迹呈"S”形或类“抛物线”形。为达到设计所要求的锚索孔偏斜率≤2%，钻孔中采用刚度大的粗径钻杆、钻具上加粗径扶正器和选择合理的钻进参数。

2.粗径钻杆的使用。钻杆的尺寸需与钻孔机具相匹配，根据设计钻孔孔径，主要选用了ф89、ф114、ф130等刚度较大的粗径钻杆。

3.粗径扶正器的使用。粗径扶正器安装在潜孔锤尾部，具体尺寸根据钻孔孔径确定，同时在粗径扶正器上镶嵌刚粒，以扫除探头石及孔内岩屑、岩石碎块。在复杂地层，特别是地层中存在宽大裂隙横穿钻孔时，若粗径扶正器长度过短，扶正器会掉入裂缝而失去作用，甚至影响钻具的给进和提升。解决办法为:

1）加长粗径扶正器，但其长度不宜超过单根钻杆长度；

2）增加粗径扶正器数量，每5米左右设置一个扶正器。施工中采用上述方法，大大减小了孔斜，而且有利于通过裂缝。扶正器装置示意图及现场使用见图6、图7。

4.选择合理的钻进参数。合理的钻进参数应根据施工区域所处工程地质条件和岩石特性来决定。经过若干组试验，得出复杂地质条件下高边坡锚固钻孔施工一般应符合“中等钻压、慢转速、平稳风压”的操作要求，造孔进尺效率为3~5米/小时，风压稳定在1.0~1.2兆帕时，冲击频率为18次/秒，转速为18~23转/分钟比较合理。钻压大小以孔内钻具的总重量为参考值，在钻进过程中应不断调整相关参数。

十、破碎岩体灌浆

1.钻进过程中若发生掉块、塌孔、卡钻而无法继续钻进，可采用普通水泥浆液进行有压灌浆，灌浆水灰比宜为0.45:1~0.5:1。此时，可直接利用已镶铸的孔口管结合简易孔口封闭器进行灌浆。循环式有压灌浆，见图8。具体操作如下：退出钻杆后，往孔内下入进浆管、回浆管（一般采用脆性PVC管以方便扫孔），将法兰盘制作的简易孔口封闭器，用螺栓与孔口管上的法兰盘连接牢固，接上进、回浆管路，进行灌浆。采用此方法较常规有压灌浆减少封孔待凝时间约6~8小时，可大大提高钻孔施工效率。同时，锚索束体安装完成后，可直接将快速封孔器采用螺栓与孔口管上的法兰盘连接牢固，直接进行锚索孔道灌浆，见图9。

2.钻孔过程中若遇到漏风严重，并探明存在较大漏失通道时，则采用粘时变浆液进行灌浆（专利局已受理发明专利申请）嵌缝、堵漏和固壁。具体操作如下：

1）根据钻孔或孔内电视显示的情况，调剂配制粘时变浆液各组份的配合比（该复合浆液有4种组分一水泥基液、引气剂、减水剂及速凝剂），根据现场实现操作要求确定浆液的可泵时间、初凝时间、终凝时间及强度指标。

2）配置灌浆所需的施工设备和机具，按加料顺序制备适宜现场泵送要求、嵌缝和堵漏能力强的浆液，并在现场检测其流动性、黏度。

3）按照普通水泥浆液进行有压灌浆的工艺方法，将灌浆材料送至孔道内，直至孔口返出浓浆后适当屏浆后停止。

4）当长时间灌注后难以返浆时，可根据现场实际情况调剂浆液配合比，增强其嵌缝和堵漏的能力。或者采取待凝后复灌的措施。

5）灌浆结束后，应及时冲洗制灌浆设备及管路，避免浆液沉淀或凝固对其产生不利影响。

十一、终孔验收

钻孔终孔后，反复对钻孔进行清孔。清孔结束后，采用特制探孔器（一端带导向帽并标有刻度的钢绞线）进行钻孔孔深测量，不满足设计孔深要求则进行扫孔处理。

• 劳动力组织

锚索钻孔一般按3人/钻机/班配置，每天3连续施工。相关人员配置参见表1所示。

参考资料：