第八节 小浪底水利枢纽地下厂房预应力锚索加固设计实例

一、工程概况

小浪底水利枢纽地下厂房位于大坝左岸，由主厂房、主变室及安装间组成，主厂房长、宽、高分别为251.5m、26.2m、57.94m。由于厂房顶拱以上有三层连续的泥化夹层，经有限元数值模拟、地质力学模型试验及参考已有大型地下洞室层状围岩加固工程进行类比等综合分析，厂房顶拱不稳定体的加固采用系统锚杆、挂网喷混凝土和预应力锚索组成。根据计算，整个厂房顶拱共须用325根预应力锚索进行加固。

二、预应力锚索设计

1.锚索参数的确定

工程类比及计算分析表明，厂房顶拱需要提供支护力0.15～0.20MPa，除φ32张拉锚杆外，还需要采用1500kN级锚索，间排距4.5m×6.0m。对于顶拱以上20m高度内主要分布的三层泥化夹层，有限元分析表明，顶拱最大屈服域深度22m左右，所以锚索长采用25m。

2.锚索材料

锚索按ASTMA416/87a标准设计，选用270级钢绞线，公称直径15.24mm，每根钢绞线净面积为140mm²，极限强度为1860MPa。

每根钢绞线允许工作荷载为

式中:A为钢绞线净面积，mm²;R_Y为钢绞线极限强度，kN/mm²。

1500kN锚索需要的钢绞线的根数为

G≥1500/T_w=9.22（根）

因此选用10根钢绞线组成一根锚索，一根锚索的极限承载力为

f_pu=10AR_Y=2604kN

3.内锚头设计

（1）钢绞线和水泥砂浆间的黏结。根据工程类比及设计经验，净距大于5mm，灌浆浆体最小抗压强度为30MPa的干净的多股钢绞线的均匀极限黏结强度为2.0MPa，当锚固长度采用6.0m时安全系数为

K₁=Ld₁π×10τ₁/f_pu=2.2

式中：L为锚固长度，m；τ₁为均匀极限黏结应力MPa；d₁为钢绞线公称直径。

（2）灌浆和PVC孔壁间的黏结。波纹管外径为125mm，据工程经验，灌浆与PVC管间的黏结应力不小于3.0MPa，故沿此面破坏的安全系数为

K₂=Ld₁π×10τ₂/f_pu=2.71

式中：d为波纹管外径，mm;τ₂为灌浆与PVC管间的黏结应力，MPa。

（3）灌浆和孔壁间的黏结。钻孔直径为165mm，根据现场岩石情况和工程实例，灌浆和孔壁间的黏结应力极限值取2.0MPa，故沿此面破坏的安全系数为

K₃=Ld₁π×10τ₃/f_pu=2.39

式中：d₂为钻孔直径，mm;τ₃为灌浆与孔壁间的黏结应力，MPa。

根据以上计算，选择10根钢绞线组成锚索。锚固段长度为6.0m时，锚索抗拔能力安全系数大于2.0，符合现行规范。

三、锚索构造与施工

小浪底地下厂房预应力锚索所用的钢绞线、PVC波纹管等为进口材料。锚索体在内锚固段有双层防腐保护，第一层为水泥浆或水泥砂浆，第二层为锚索体外封闭的PVC波纹管。采用一次性灌浆，张拉段内砂浆与钢绞线之间用PE管隔开;使锚索体受力均匀，双层保护措施能长期有效地保证锚索发挥作用。

1.主要部件及材料

预应力锚索由外锚头、张拉段及内锚固段三部分组成，主要部件为:①高强钢丝组成的钢绞线，公称直径15.244mm；②钢绞线外涂油脂并用PE管包裹；③内、外部灌浆管、排气管；④PVC波纹管；⑤内部PVC硬质塑料支架；⑥PE塑料端帽；⑦外部定心器；承压板；⑧预制钢筋混凝土锚固墩；⑨外部带有螺纹的锚固板；⑩钢质过渡段（喇叭形）等。

2.锚索组装

锚索组装在锚索车间内进行，其程序如下：

（1）将成圈的钢绞线按要求的长度进行切割，其长度等于内锚固段+自由段+施工要求最小外露长度（一般为1.2m）。

（2）除去锚固端的PE管，用高压开水冲洗，除去锚固端的涂油层，形成单根钢绞线备用。

（3）将钢绞线和两根塑料灌浆管（上仰锚索为排气管）捆扎成一束，中间以硬质塑料支架分隔，支架约1.0m一个，保证钢绞线间有均匀的间距，使每根钢绞线与灌浆充分地接触胶结，使张拉段内钢绞线顺直。外部以钢丝扎紧，使成为一个整体。

（4）将绑扎成一体的钢绞线束套入PVC波纹管内，波纹管靠近内锚固段顶端部用PE塑料端帽封口。其中一根塑料灌浆管伸出端帽外，作为波纹管外部灌浆管；另一根塑料管在端帽内，距端帽0.1m间隙，作为波纹管内部灌浆管。

（5）在PVC波纹管外部安置外部定心器，以保证锚索安装在钻孔的中心，使周围有均匀的间隙，以保证PVC波纹管与孔壁之间有15~25mm厚的水泥浆或水泥砂浆，定心器间距在内锚固段1.5m左右一个，在自由段3.0m一个。

（6）对组装好的锚索进行编号，并妥善放置好便于备用。

3.锚索的安装和张拉

（1）锚索的安装。小浪底地下厂房预应力锚索的施工按以下顺序进行。

1）测量定位。

2）钻孔。

3）对钻孔进行清洗和预灌浆。

4）锚索就位。安装时用与锚索端部临时钢帽相连的锚索体捆绑在一起的钢丝绳，通过安装于钻孔附近的定滑轮带动锚索体进入钻孔中。送入过程中在钻孔孔口要用人工导向，随送随解开钢丝绳与锚索之间的捆绑，直至全部将锚索送入孔中。

5）通过安装于锚索内部和外部的灌浆管对锚索进行灌浆。

6）当灌浆达到设计强度30MPa后，对锚索张拉，张拉按规范要求进行。

7）安装、张拉和锁定后，将露出的钢绞线切割至要求的长度，装上保护帽，钢帽内多余空间用水泥砂浆灌满，以保护端部。

（2）张拉锁定。锚索张拉按以下要求进行，以压力计或荷载仪控制，均匀加载达到工作荷载的125%，加载速率为40kN/min。测量锚索的位移值。保持荷载20min，这期间进一步测取位移读数。当锚索的张拉结果达到下述条件后，即认为该锚索合格。

1）当荷载达到工作荷载的125%，保持20min后，所测得的锚索的徐变不超过2mm。

2）在荷载峰值时，预应力锚索的弹性变形在下述两个限值之内。

a.上限对应于锚索的伸长值等于自由长度加50%黏结长度时的理论弹性伸长值。

b.下限对应于锚索伸长值等于80%自由长度的理论弹性伸长值。

当锚索张拉合格后，将荷载降到设计规定的荷载1000kN锁定。

4.外锚头保护

按设计要求进行外锚头的保护。