不良地质条件锚索支护与灌浆费用控制研究
王祥春
（国家能源集团西藏电力有限公司加查冷达分公司，西藏 山南 856000）
近年来，我国水利水电工程设计规划过程中，往往采用预应力锚索作为边坡的支护，虽然该支护方式为水利水电工程的建设带来许多便利，但由于锚索灌浆量无法准确控制，极易造成更大的成本损失[1]。在招标过程中，虽然已经将锚索灌浆及钻孔作为一个项目进行报价，但实际往往与预期报价不同[2]。投标人由于无法根据招标文件中的信息预测所需的锚索灌浆量，因此，为了招标成功，投标人只能以理论灌浆量进行投标报价[3]。在施工过程中时常出现锚索灌浆量大于理论锚索灌浆量，这必然会大幅度增加施工的成本，而承包商无法承担实际的建设成本，必然造成索赔[4]。此外，实际灌浆量与投标水平的差异越大，索赔的金额也越大，由于投标人无法根据地质信息确定实际的灌浆量，无法判定超出的灌浆量，也就无法较好地处理后期索赔问题[5]。如果承包商索赔成功后，由于工程的建设资金增多，一般都会有意加大灌浆量，使其超出锚索所需的灌浆量，不仅使整个项目的经济负担加大，同时也浪费建设资源。因此，需要控制水利水电工程的边坡锚索支护过程中的灌浆量，提出相应的成本控制方案，降低锚索支护的建设成本。
1.1 工艺流程
在常规操作中，预应力锚索支护施工环节稍微复杂，需要将各环节进行衔接，才能保证下一步骤施工的质量，因此，施工环节的先后也会影响锚索支护的加固效果。由于锚索的类型较为复杂，且每个种类的外形相似，在选用过程中容易出错。在实际施工过程中，必须先绘制出锚索支护的设计图，为后续的施工提供样式图及其他施工信息。预应力锚索施工工序：施工准备→造孔→锚索制作→摸索安装→锁定与封头→张拉→锚头设置→注浆。
1.2 钻孔施工作业
设计锚索设计图时，应根据施工场地的地质情况科学合理地设置锚索孔位。在确定场地的锚索孔位时，需利用红漆准确表示孔位区域，在钻孔前必须反复核对锚索的俯角、方位角及位置，确保其误差在规定范围内，并经相关人员检验达标后才可进行开孔施工。
孔位的坐标误差范围必须在10 cm 内，在钻孔过程中需要不断地校正孔斜，确保孔轴的偏差、孔深、方位角在设计范围内。由于施工场地的地质情况复杂，在钻孔过程中会产生卡钻或者掉块的现象，导致钻孔存在一定的困难。由于扰动应力导致岩体破碎，必须要选择合适的灌浆和套管方案进行后续的钻孔工作。为了增强钻孔施工效果，应选用钢套管进行施工，并根据管径选择合适的锚索设计孔径。此外，在钻孔过程中需时刻记录地质情况，以便后期制定合理的灌浆方案。
1.3 锚索张拉环节
在锚索张拉环节中，必须根据施工规划控制拉力，测量锚索的实际伸长值，并与理论的数值进行对比，分析两者出现差异的原因，重点关注张拉过程中夹片错牙误差范围，须控制在2 mm 内。锚索安全后，需核验锚索的应力是否出现衰减现象，并适时采取补偿张拉措施，但其次数须小于2 次。
1.4 定额消耗指标分析
单位注浆量和透水率q之间的关系曲线如图1所示。根据锚索灌浆量指标中的规定，在一般地层中，透水率q<10 Lu，单位注浆量随q的增大，为加速增长趋势；
当透水率q=10 Lu，则单位注浆量为100 kg/m；
当透水率q>10 Lu 时，单位灌浆量与q之间先缓慢增长，达到75 Lu 时，开始加速增大。所以，岩体具有弱透水率时，即q<10 Lu，选取锚索注浆量指标为67 kg/m。
图1 透水率与注入量关系曲线
在实际锚索灌浆过程前，需准确计算锚索灌浆量。一般情况下，以干水泥的损耗量作为锚索灌浆量，因此，可以利用相关仪器记录水泥的使用量，再转变为干水泥耗量。在记录水泥浆耗量前，首先检查记录仪是否能够使用，判断其准确性。通常情况下，锚索灌浆项目已包含了锚索灌浆过程中的各种施工和材料的费用，无需再计算与施工相关的其他费用。
3.1 设计阶段
为了提高地质勘探获取信息的质量，需针对不同地质情况设计相应的灌浆方案，并进行试验以验证方案的质量。设计锚索施工设计图需全面掌握水利水电工程区域涵盖的岩体结构，并根据自然环境条件推断岩石的渗透性。试验验证灌浆方案需记录试验中的各种耗浆数据，通过实际施工和理论设计进行结合，不断优化灌浆方案，最终得到最佳的灌浆量，使工程成本最大化降低。
3.2 招投标阶段
在招标文件中明确指出通过控制锚索灌浆量可控制整个工程的成本。但招标文件中并未标明工程锚索的灌浆量，也并未说明锚索灌浆量超标原因，导致投标人虚假报价，破坏了投标公平公正的环境，有的投标人甚至提高某些施工环节的灌浆量，导致灌浆费用增加，大幅度增加工程的建设成本。因此，在投招标前必须详细勘察工程的设计，同时对锚索灌浆量超标现象明确标明并提供相应的处理方案，通过相应的文件约束承包商合理控制锚索的灌浆量，从而达到节约资源与资金的目的，将工程建设利益最大化。
3.3 施工阶段
施工阶段需从多个方面有效控制锚索的灌浆量，如选用高效控制灌浆的注浆设备、采用高效的注浆工艺，从而达到控制灌浆量的目的，确保工程的成本在规划范围内。
3.4 压力注浆参数的确定
1）浆液扩散半径r可估算实际的灌浆量，对灌浆量的控制具有一定的影响。应根据注浆孔的位置不断校正r值，然后通过施工场地的地质情况对r值进行再次修正。由于场地的地下水和岩溶地区的溶液扩散具有无规则性，可通过r值进行计算和模拟试验验证实际注浆量。
2）注浆压力在锚索灌浆中发挥重要的作用，对浆液的扩充程度和密实程度起决定性作用。注浆压力越大，浆液扩散半径越大，因此，在密实度达标的情况下适当调节注浆压力，从而减少锚索注浆量。在注浆过程中，采取逐级提高压力的方式进行注浆，如果注浆压力突然增大，必然会打破原有的围岩结构，造成更大的注浆问题，影响锚索的加固效果。此外，场地地质的复杂程度及其构造都会影响注浆压力，必须综合考虑多种因素最终决定注浆压力。
3）通过相关试验确定浆液扩散半径与注浆压力后，根据注浆孔距L设置注浆孔的布置方式，其范围为r≤L≤2r，一般采用梅花形或矩形的布置方式。
4.1 端部缺陷对灌浆套筒受力性能影响
含有端部缺陷的灌浆套筒连接钢筋试件在单向拉伸荷载作用下，溢浆侧钢筋锚固长度分别为1d， 2d， 3d， 4d， 5d， 5.5d， 6d， 7 及全部灌满时，其中d为钢筋的直径，数值模拟的荷载-位移曲线如图2所示。
图2 单向拉伸含有端部缺陷力-位移曲线
由图2可知，钢筋锚固长度为（1～3）d时，曲线由弹性段、下降段构成。当灌浆套筒连接钢筋试件承受拉力时，位移随着荷载不断增大呈线性增长；
当荷载达到某一值时迅速下降，此时说明钢筋与灌浆料之间粘结彻底失效，钢筋并未达到屈服状态；
当荷载迅速下降到一定阶段后，有一段缓慢的水平段，随位移增长力下降速度减小，表示钢筋灌浆料之间已经脱粘，钢筋发生拔出破坏，荷载主要来自钢筋与灌浆料之间的摩擦力。对于V-MT-1d试件，荷载最后为0，表明钢筋已完全从灌浆料之中拔出。对于端部缺陷，当锚固长度大于5.5d时，力-位移曲线与钢筋拉伸曲线十分相似，钢筋发生明显的“颈缩”现象，说明此时灌浆套筒连接钢筋发生钢筋拉断破坏，钢筋与灌浆料之间粘结完好，钢筋并未脱离灌浆料。从图2曲线中可以看出，随着钢筋锚固长度的增长，峰值荷载一致，位移略微减小。
含有不同端部缺陷灌浆套筒峰值荷载的变化规律如图3所示。由图3可知，对于发生钢筋屈服前拔出破坏的试件，峰值荷载随钢筋锚固长度呈线性增长；
对于进入屈服阶段的灌浆套筒连接钢筋试件，峰值荷载随钢筋锚固长度增长变缓；
当钢筋锚固长度为5.5d以后，峰值荷载不再发生变化，此时灌浆套筒连接钢筋试件由钢筋拔出破坏转为钢筋拉断破坏。
图3 不同端部缺陷峰值荷载变化规律
4.2 质量控制方法
分析锚索施工技术在水利水电工程中的应用情况，通过总结得到相关规律，从而制定有效的控制质量的方案。质量控制方法：孔径方面，保证孔径误差处于规定的范围之内；
孔位方面，在使用孔位之前与之后都必须进行清洗处理；
施工材料方面，对于不同类型的施工材料而言，要求其质量满足标准要求，坚决不允许选用三无产品，并定期检查张力机具。
4.3 安全控制方法
为确保水利水电工程运行的安全性和可靠性，应用预应力锚索施工技术时需采取科学合理的安全控制方案。安全控制方法：思想方面，始终秉承安全第一与预防为主思想，尽可能减少安全隐患的数量；
安全检查方面，贯彻落实施工建设之前，要加大各项工作的安全检查力度，且班组长应承担相应的责任，保证人员间的互相检查，而在进入施工现场之前，施工作业人员必须要佩戴安全帽，在施工中集中注意力，严格按照安全操作规定要求开展施工作业；
施工作业方面，因预应力锚索施工技术工序复杂，所以要求不同工种操作人员上岗之前，保证持证上岗，才能够进行实际操作。
综上所述，预应力锚索施工技术广泛运用于水利水电工程的边坡加固项目中，且相比于其他的加固技术具有显著的优势。因此，在建设水利水电工程时，需尽可能地发挥该技术的优势，以提高边坡的稳固性，保证工程的整体质量。此外，应用锚索边坡支护技术在许多工程中，普遍存在的问题为锚索灌浆超量。施工场地地质条件的复杂程度决定灌浆量，为了降低超灌浆量，有效控制工程的建设成本，在施工过程中首先必须采取灌浆预实验，执行合同和施工管理；
其次，根据场地分区进行试验，得到准确性高的灌浆量数据；
最后在招标过程中需明确标明超灌浆现象的处理方案，使招标环境更加公平公正。