摘要：在三峽雙線五級船閘主體(tǐ)段的4面直立牆上實施的9.3萬根高強錨杆,是錨固技術上的一(yī)大(dà)發展。它解決了直立坡岩體(tǐ)與薄襯砌鋼筋混凝土牆的連接和襯砌牆的穩定，同時解決了岩體(tǐ)與襯砌牆間因溫度變形差異而引起的剪切變形問題。對高強錨杆的結構特點、相應的工(gōng)藝技術及效果研究作了介紹。
　　關鍵詞：三峽船閘；高強錨杆；施工(gōng)技術；效果；研究
　　1 概述

　　長江三峽水利樞紐工(gōng)程雙線連續五級船閘，位于長江左岸壇子嶺北(běi)側，其軸線方向爲110°，主體(tǐ)段長1607 m。船閘修建在花崗岩山體(tǐ)中(zhōng)深切開(kāi)挖的深槽之中(zhōng)，開(kāi)挖最大(dà)邊坡高176m，上部爲斜坡段，下(xià)部閘首及閘室爲直立坡段，直立坡最大(dà)坡高68.5m，雙線船閘間保留寬60m、高45～68 m的直立坡岩體(tǐ)隔墩。閘室采用薄襯砌鋼筋混凝土牆結構，厚1.5～2.4m，牆體(tǐ)混凝土通過高強錨杆與岩體(tǐ)連接。

　　雙線五級船閘四面直立坡總面積約25.6萬m2，布置9.3萬根高強錨杆，這些錨杆具有加固直立坡岩體(tǐ)、維持閘室段薄襯砌鋼筋混凝土牆的連接作用；并在船閘運行期，當襯砌牆在閘室洩水後或檢修工(gōng)況下(xià)，承受水壓力時，保證其穩定。在閘首部位，錨杆兼有控制岩體(tǐ)變形，以确保人字門擋水功能的作用。因此，高強錨杆的應用能否滿足工(gōng)程要求，是備受關注的問題，也是工(gōng)程施工(gōng)的難題之一(yī)。

　　2 高強錨杆的結構及布置

　　2.1 結構設計

　　高強錨杆鑽孔爲水平孔，孔徑爲76mm，杆體(tǐ)爲32mm的Ⅴ級高強精軋螺紋鋼筋，其結構由灌注于岩體(tǐ)内的内錨段、澆築于混凝土内的外(wài)露段以及兩者之間的自由段等三部分(fēn)組成。内錨段設10mm鋼筋的圓圈托架，外(wài)露段端部設置錨墊闆，自由段經防腐處理安裝橡膠套管保護。高強錨杆結構設計見圖1。

　　圖1 高強錨杆結構設計圖

　　2.2 錨杆布置

　　高強錨杆的布置形式是根據水壓力的分(fēn)布形态布置的，總體(tǐ)原則是上疏下(xià)密、上長下(xià)短，沿垂直向分(fēn)3檔布置。

　　閘首按高度的不同有兩種布置形式，第1種爲與下(xià)閘室相接部位，錨杆長度爲9m、11m和13m，排距1.5m，孔距1.5m，外(wài)露端長爲2.5m；第2種爲與上閘室相接部位，錨杆長度爲8m、10m和12m，排距1.2m、1.5m和1.5m，孔距2.0m，外(wài)露端長爲1.45m、1.75m和2.05m。

　　閘室錨杆長度爲8m、10m和12m，排距1.35～1.5 m、1.5～1.8m和1.8～2m，孔距1.3～2m、2m、2m，外(wài)露段長爲1.45m、1.75m和2.05m。

　　3 受力特點及材質性能

　　3.1 高強錨杆的受力特點

　　3.1.1 抗拉強度

　　高強錨杆在船閘運行期，當襯砌牆在閘室洩水後或檢修時，受透水壓力、溫度及自重荷載作用，單根錨杆可能要承受600kN抗拉荷載。

　　3.1.2 适應剪切變形

　　船閘高強錨杆是錨固直立坡岩體(tǐ)，連接和加固薄襯砌混凝土牆的杆體(tǐ)。在直立坡岩體(tǐ)和薄襯砌混凝土牆間，存在着溫度荷載作用下(xià)的差異形變所形成的剪切應力和變形，最大(dà)剪切位移5mm。因此，高強錨杆必須具有适應剪切變形功能。

　　3.2 材質性能

　　根據錨杆在控制工(gōng)況下(xià)，滲透水壓力的作用強度計算分(fēn)析，單根錨杆應具有承受340MPa荷載的能力，再加上溫度變形差異而引起的剪切變形，錨杆要承受的荷載承受荷載更大(dà)。因此普通鋼材的錨杆杆體(tǐ)已很難滿足穩定船閘結構的要求。經調研論證，設計采用32mm的Ⅴ級高強精軋螺紋鋼筋作爲杆體(tǐ)，其力學性能指标爲：屈服強度≥800MPa，極限抗拉強度≥1000MPa，伸長率≥6%，冷彎90°不出現裂紋，鋼筋表面不得有結疤和橫向裂紋。

　　4 施工(gōng)工(gōng)藝

　　4.1 造孔

　　雙線五級船閘，直立坡高45～68.5m，高強錨杆布設于直立坡上，月生(shēng)産強度7000餘根，高峰期強度高達13 000餘根。爲解決高直立坡、高強度的鑽孔條件，采用搭設鋼管排架的方案。

　　高強錨杆鑽孔爲水平孔，終孔孔徑爲76mm，孔斜率爲2°[FS:PAGE]～4°，孔深和孔位誤差小(xiǎo)于10cm。解決高強錨杆鑽孔技術，關鍵是解決鑽孔的設備問題。國内現有鑽機雖能滿足鑽孔的要求，但進尺慢(màn)、耗風量大(dà)，很難适應高強度、高速度施工(gōng)的需要。針對錨杆鑽機的現狀，我(wǒ)們研制了一(yī)種新型的DCZ型錨杆鑽機。DCZ錨杆鑽機與其它錨杆鑽機有兩大(dà)改進，一(yī)是用孔外(wài)頂錘代替孔内潛孔錘，增大(dà)了單次沖擊能1～3倍；二是用電馬達代替了風馬達，降低了耗風量。經多次試驗比較鑽孔進尺由原來2～6m/h提高到7～10m/h。在錨杆鑽孔施工(gōng)中(zhōng)采用以DCZ型鑽機爲主，其它鑽機爲輔的施工(gōng)方案。

　　4.2 自由段防腐處理

　　4.2.1 防腐技術要求

　　1）自由段範圍内表面除鏽達到的标準

　　表面清潔度達到《塗裝前鋼材表面鏽蝕等級和除鏽等級》（GB8923-88）中(zhōng)規定的Sa2等級，表面粗糙度應在60～80μm的範圍内。

　　2）噴塗材料及塗裝道數和厚度

　　噴鋅材料的粒徑爲2～3mm，純度爲99.99%。封閉材料采用BW9355型改性環氧防腐塗料，幹膜厚度不得低于200μm。噴鋅2道，總厚度120～180μm，封閉層的幹膜總厚度不小(xiǎo)于400μm。面漆的顔色爲灰色。

　　3）橡膠套管主要性能控制指标

　　橡膠套管主要性能控制指标見表1。

表1 橡膠套管主要性能控制指标表

　　4.2.2 工(gōng)藝流程及技術

　　1）試驗流程

　　自由段除鏽處理→噴鋅→塗料封閉→橡膠套管保護

　　2）除鏽

　　高強錨杆自由段采用噴砂除鏽。噴砂除鏽在封閉式車(chē)間内進行，風采用經過冷幹機淨化的壓縮空氣。噴砂磨料是經過調配的棱角鋼砂，平均粒徑爲0.5～1.5mm。噴砂風壓爲0.5MPa。除鏽後，表面清潔度及粗糙度均達設計要求。

　　3）噴鋅

　　噴鋅工(gōng)藝采用先進的熱噴方法——電弧噴塗。噴鋅設備爲XDP-5型電弧噴塗機，噴鋅材料爲3mm鋅絲。在噴鋅作業過程中(zhōng)，噴槍噴距10～20cm，噴角0°～15°，噴槍移動速度12～18cm/s。更換噴塗面時，應有1/3寬度的重疊噴塗帶，噴壓不低于0.4 MPa。

　　4）塗料封閉

　　塗料封閉采用人工(gōng)單根分(fēn)兩次塗刷，先塗刷低粘度BW9306塗料作底層塗漆，然後再塗BW9355作爲面層塗漆，封閉效果好，且表面光滑平整。

　　5）橡膠套管生(shēng)産及保護工(gōng)藝

　　根據設計對橡膠保護套管材料性能要求，當時市場上沒有符合這種性能橡膠管。爲了解決橡膠保護套管，建設四方一(yī)起到機械工(gōng)業部武漢材料保護研究所請教，并委托武漢材料保護研究所試驗和提供配方，由武漢市國營武漢膠管廠試生(shēng)産。廠家生(shēng)産的橡膠管，經檢驗合格後，再投入生(shēng)産使用。（具體(tǐ)生(shēng)産檢驗性能見表1）。

　　保護橡膠管的安裝工(gōng)藝很簡單，安裝要求是待漆膜固化後，套上橡膠管，兩端用高壓絕緣帶綁紮牢固，并密封好。

　　6）檢測器具及方法

　　表面清潔度的檢查采用10倍放(fàng)大(dà)鏡和光線進行檢查鑒定。表面粗糙度的檢查方法，采用儀器測量法和樣塊對比法。噴鋅和塗料封閉厚度檢測，采用BC-100A杠杆測厚儀、德國産PENTEST厚度測試筆，探針式千分(fēn)表和齒式濕膜測厚儀等儀器檢測。

　　4.3 錨固段灌漿技術

　　4.3.1 灌漿泵及配合比

　　灌漿泵選用150/15型砂漿泵，該泵輸送砂漿水平距離(lí)200m，垂直距離(lí)40m，流量150l/min，拌和均勻，連續性能好。砂漿強度爲R28300#，砂漿配合比分(fēn)别對水∶水泥∶砂=0.38∶1.0∶1.0。外(wài)加劑用量，AEA膨脹劑爲水泥重量的8.7%，JG-2型減水劑爲水泥和AEA膨脹劑用量的0.5%。水泥爲525#普通矽酸鹽水泥，砂爲天然河砂或人工(gōng)砂，最大(dà)粒徑不大(dà)于2.5mm

　　4.3.2 灌漿方法及結束标準

　　灌漿采用了孔口封閉和循環灌漿的方式。灌漿結束标準選用達到設計規定壓力，孔内不吸漿，回漿管回漿濃度比重與進漿管濃度比重一(yī)緻後，擡高回漿管高于孔口2m綁紮固定後結束灌漿。

　　4.4 組裝和安裝

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　　錨杆的組裝，采取現場設組裝間，對錨固段杆體(tǐ)進行除鏽去(qù)污，安裝對中(zhōng)圓圈托架，綁紮進漿管和回漿管。

　　錨杆的安裝，根據設計圖紙(zhǐ)及要求進行控制。錨杆由工(gōng)人運送到安裝現場，利用施工(gōng)排架安裝手拉葫蘆将錨杆垂直運送到安裝位置，輔以人工(gōng)安裝。安裝時主要控制兩項指标，孔外(wài)自由段長度及錨杆的外(wài)露長度。錨杆的安裝分(fēn)排分(fēn)區測量拉線控制，自由段長度按不小(xiǎo)于20cm進行控制和調整；外(wài)露段長度按小(xiǎo)于外(wài)端邊線5～10cm進行控制。

　　4.5 外(wài)露段的保護和埋設

　　高強錨杆外(wài)露端的保護主要采用橡膠套管進行封閉措施進行保護。

　　高強錨杆外(wài)露端錨墊闆的安裝，選擇在混凝土塊号準備時安裝。固定錨墊闆的結構，經過多種結構比較，最後選定錨墊闆内側上普通螺帽，外(wài)側上墊片和YCW-32螺帽的固定結構。

　　4.6 套接技術

　　爲了解決高強錨杆由于地質缺陷處理超挖部位和後期施工(gōng)過程中(zhōng)受不确定因素作用造成外(wài)露段長度不夠或斷折，不能滿足要求等問題，施工(gōng)中(zhōng)引進冷擠壓套筒技術。

　　在引進冷擠壓套筒技術中(zhōng)，對套筒長度爲260mm，8道壓痕套筒接頭，其擠壓連接套筒參數見表2。

表2 錨杆連接擠壓參數推薦表

　　5 效果研究

　　由于船閘最大(dà)直立牆高強錨杆受力複雜(zá)以及對結構的穩定和運行安全具有關鍵性作用。因此，在施工(gōng)過程中(zhōng)，根據錨杆各組成部分(fēn)的受力特點進行了針對性的研究。

　　5.1 錨固段效果

　　錨固段的效果研究，主要進行常規拉拔檢測和反複拉拔試驗。常規拉拔檢測對3根錨杆進行了拉拔試驗，拉拔荷載分(fēn)級施工(gōng)，最大(dà)張拉荷載爲600kN。拉拔結果表明，在600kN張拉荷載作用下(xià)，杆體(tǐ)均處于彈性裝态，卸荷後杆體(tǐ)和砂漿均未出現不可恢複變形。具備600kN的抗拉能力和承載能力。

　　反複循環張拉試驗，對3根錨杆進行了3個循環的張拉，每一(yī)個循環的張拉荷載按300kN、450kN和600kN分(fēn)級加荷。3根錨杆在安裝時，分(fēn)别在孔内0.2m、0.7m、1.2m、2.0m、3.0m、4.0m和5.7m處安裝應變片，通過應變片測出杆體(tǐ)各部位的受力狀況，其錨杆的受力狀況及影響深度見表3。

表3 反複張拉最大(dà)荷載作用下(xià)錨杆應力單位/Mpa

　　① 每一(yī)循環按300kN、450kN和600kN加荷。

　　② 本表隻彙總每根試驗錨杆最大(dà)一(yī)級張拉荷載作用下(xià)應力分(fēn)布。

　　結果顯示，錨杆在反複循環荷載作用下(xià)，錨杆的應力及影響的特征是：錨杆應力随加載循環次數增加，不斷向孔内傳遞。第一(yī)次循環在600kN張拉荷載作用下(xià)，孔深0.2m處錨杆的平均應力595.28MPa，最大(dà)應力679.70 MPa；在第三次循環荷載作用下(xià)，錨杆應力影響深度一(yī)般在0.7～1.2m的範圍内，最大(dà)應力330.8 MPa，平均應力180.23 MPa。結果同時顯示，随着荷載循環次數增加，錨杆應力的影響深度增加，并有滞後張拉荷載的現象。結果也說明，在反複循環荷載作用下(xià)錨固段的錨固效果很好，滿足最大(dà)受力的要求。

　　5.2 自由段剪切變形效果

　　自由段剪切變形效果研究，主要對自由段孔内埋深爲0.3m、0.8m和1.0m等3種形式，在不同荷載和剪切變形條件下(xià)，錨杆剪切荷載的變化裝況的試驗研究。錨杆剪切試驗成果見表4。

　　結果顯示如下(xià)特征和範圍：

　　在同一(yī)荷載作用下(xià)，随着剪切位移的增大(dà)，剪切荷載也不斷增大(dà)，二者存在較好的線性關系；

　　在孔内自由段長度相同和剪切位移相等條件下(xià)，剪切荷載随張拉荷載增大(dà)，有較好的線性關系。表4錨杆剪切試驗成果表孔内自由段長度對剪切荷載的影響不顯著，并沒有顯示剪切荷載變化因自由段長度增加向某種趨勢發展的規律，這意味着孔内有0.3m長的自由段長度，即可滿足最大(dà)張拉荷載600kN的作用和産生(shēng)5mm剪切位移的要求。

　　5.3 外(wài)露段加固效果研究

　　5.3.1 研究項目及内容

　　主要通過循環、分(fēn)級張拉[FS:PAGE]試驗，全面測試外(wài)露段杆體(tǐ)（含錨墊闆）和周邊混凝土的受力狀态和變形特征，驗證其加固效果的可靠性。試驗的種類和參數見表5。

表5 試驗項目及參數表

　　5.3.1 錨杆應力及影響深度

　　三類錨杆在350kN和600kN荷載作用下(xià)錨杆應力分(fēn)布見表6。

表6 不同荷載作用下(xià)錨杆應力分(fēn)布表 單位/MPa

　　在同等條件下(xià)，混凝土結構内錨杆應力比岩體(tǐ)内的砂漿錨杆應力要低得多。這一(yī)結果顯示，混凝土結構内錨杆的粘結條件及介質承載能力要比岩石内砂漿錨杆好得多，它承擔了更多的外(wài)荷。

　　三次循環荷載作用下(xià)，錨杆應力随深度不超過0.8m，且衰減速率非常快。錨杆深度0.8m處應力很小(xiǎo)，平均值爲5.74MPa。

　　錨墊闆的應力在零左右波動，主要受測試系統的影響。顯然應力很小(xiǎo)或爲零。錨墊闆作爲一(yī)種結構上的安全儲備措施也是很有必要的。結果表明，外(wài)露段加固效果滿足設計要求。

　　6 結語

　　在三峽雙線5級船閘直立坡，應用9萬餘根高強錨杆，作爲錨固岩體(tǐ)，連結閘牆混凝土結構與岩體(tǐ)一(yī)起聯合受力，在技術上是一(yī)個創新和發展，在數量上也是空前的。因此，在高強錨杆的施工(gōng)過程中(zhōng)，除認真研究施工(gōng)工(gōng)藝技術和嚴格工(gōng)序工(gōng)藝控制外(wài)，還進行了8894根錨杆的拉拔檢測和1225組砂漿強度檢測。通過工(gōng)序驗收和檢測成果分(fēn)析，工(gōng)程施工(gōng)過程控制嚴格有效，工(gōng)程質量優良。

　　爲驗證高強錨杆施工(gōng)質量的可靠性和杆體(tǐ)各組成部分(fēn)是否滿足設計要求，對杆體(tǐ)各組成部分(fēn)進行了針對性的試驗研究。通過試驗分(fēn)析，結果表明，錨杆在岩體(tǐ)内錨固段和在混凝土結構内的外(wài)露段，在最大(dà)拉拔荷載600kN的反複作用下(xià)和施加最大(dà)5mm剪切變形的條件下(xià)，具有足夠的承載能力和抗拉拔能力；自由段完全适應和滿足設計最大(dà)剪切變形的要求。總之，錨杆具備了直立坡岩體(tǐ)與薄襯砌鋼筋混凝土連接和确保砌襯混凝土牆穩定的功能。試驗結果，同時也驗證了高強錨杆的施工(gōng)技術是可靠的，錨固效果好，滿足設計功能要求。

　　雖然永久船閘直立坡高強錨杆已于2000年9月竣工(gōng)，閘牆結構混凝土工(gōng)程也于2002年4月竣工(gōng)，目前直立牆結構穩定，并分(fēn)别通過分(fēn)部分(fēn)項工(gōng)程驗收，但是工(gōng)程有待經受通航運行的考驗，有待通過運行檢驗。