两级套管跟进技术在预应力锚索施工中的应用

两级套管跟进技术在预应力锚索施工中的应用

刘兰会1,高峰2

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摘要：介绍了在山区场平工程边坡治理的施工中，对钻孔深度超过100m的预应力锚索钻孔施工，采用两级套管跟进技术，克服了泥浆护壁钻孔的周期长、易坍塌、钻头易卡住等问题，避免了单级套管跟进技术中频繁更换钻具以及套管管靴与套管连接处、钻进端第一节套管与第二节套管处因钢材强度不足易断裂等问题。有效解决了钻孔深度超过100m的预应力锚索钻孔施工过程中钢材强度不足、钻孔周期长、钻具意外损耗高等缺陷，顺利的完成了钻孔深度超过100m的预应力锚索钻孔施工。

关键词：预应力锚索；两级套管跟进；套管管靴；套管

1工程概况

山区场平试验性工程施工完成后，挖方区形成开挖边坡，填方区形成回填边坡。施工在形成的最大边坡坡顶标高1371m，坡底标高1250m，高度121m，坡率 1：1.5，面积约60500m2。地质为强风化到中风化的灰岩、砂岩及泥质白云岩，岩体破碎，且为顺层边坡。该坡面设计有105m、110m试验性锚索各24根，其中8根锚索进行承载力检测，8根锚索进行应力监测，8根锚索进行工艺性试验，对比选择成孔工艺。

2技术要求

2.1锚孔基本参数

（1）锚索水平方向误差不大于50mm，垂直方向孔距误差不大于100mm，倾角为25°。

（2）锚孔孔径200mm，误差不大于3mm，跟管跟进钻孔，避免塌孔影响施工质量。

（3）严格控制有效孔深，超深小于 50cm。

2.2锚索防腐

锚索自由段防腐和锚固段防腐应符合设计文件相关要求。

3方案比选

3.1泥浆护壁钻孔

泥浆护壁钻孔在山区场平试验性工程试钻应用中，存在钻孔进尺速度慢、单孔施工周期长，多次出现塌孔，塌孔后处理困难，纯水泥浆凝固周期长，钻具损耗高，易产生环境污染等缺陷。经分析论证泥浆护壁钻孔在本工程实践中不适用。

3.2单级套管跟进钻孔

单级套管跟进钻孔在山区场平试验性工程试钻应用中，由于钻孔深度105m、110m，受到套管管靴、套管的钢材性能限制，试验孔在钻至52m时，发生管靴与套管连接处断裂，在钻至58m时第一节套管与第二节套管处断裂。由于深度较深，管靴、套管、钻头无法取出，造成废孔率高，管靴、套管的意外损耗高。经分析论证单级套管跟进钻孔在本工程实践中钻孔长度受到限制。

3.3 两级套管跟进钻孔

通过对泥浆护壁钻孔和单级套管跟进钻孔试钻的研究和分析，提出了两级套管跟进技术。通过采用两级套管跟进技术进行试钻，成功克服了泥浆护壁钻孔施工中的钻孔进尺速度慢、单孔施工周期长、多次出现塌孔、塌孔后处理困难、纯水泥浆凝固周期长、钻具损耗高等缺陷；避免了单级套管跟进技术中频繁更换钻具以及套管管靴与套管连接处、钻进端第一节套管与第二节套管处因钢材强度不足易断裂等问题。经分析论证决定在山区场平试验性工程预应力锚索钻孔施工中采用两级套管跟进钻孔技术。

4工艺原理

4.1第一级套管跟进

第一级套管跟进的进尺为50m（即0-50m），采用YTA820B型钻机，钻头为偏心钻头，外径φ165mm，扩孔直径φ200mm，钻杆直径φ89mm，管靴外径φ200mm、内径φ170mm，套管外径φ200mm、内径φ178mm。钻孔进尺达到50m后，取出钻具，并进行更换。

4.2第二级套管跟进

第二级套管跟进的进尺为50m（即50-100m），采用YTA820B型钻机，钻头为偏心钻头，外径φ149mm，扩孔直径φ197mm，钻杆直径φ89mm钻杆，管靴外径φ197mm、内径φ150mm，套管外径φ197mm、内径φ156mm。钻孔进尺达到50m后，取出钻具，并进行更换。

4.3直锤钻进

直锤钻进的进尺为5-10m（即105-110m），采用YTA820B型钻机，钻头为直锤钻头，外径φ200mm。钻孔进尺达到设计孔深105或110m后，取出孔内钻头和全部钻杆。

4.4拔管作业

将锚索安装到锚孔孔底后，使用YCY型液压拔管装置，最大起拔力100吨，依次将φ200mm、φ197mm套管全部拔出。完成拔管作业后，将锚孔孔口保护、封闭。

5 施工工艺流程

两级套管跟进技术施工工艺流程如下：

6 施工要点

6. 1施工准备

在预应力锚索钻孔施工前，平整施工场地，使机械顺利进场，划分机械停放区、材料堆放区、材料加工区等区域。

6.2测量定位

按照设计及相关文件要求，利用GPS准确定出锚索位置，并用木桩或钢筋桩标出桩位；布设桩位以后再与设计文件进行比较是否符合设计要求，如有变化及时与设计单位反馈，以便进行调整设计方案。

6.3钻机就位

按照已准备好的施工场地及制定的行进路线，将钻机置于锚索孔位前合适位置，满足钻孔、换钻具等施工空间要求，同时满足施工设备退场要求。

6.4钻机钻孔

1.钻机钻孔作业不能影响生态环境和作业人员的身体健康，钻孔机械均采用湿式钻机。若采用干式钻机时，必须配有捕尘装置。

2.钻孔时应定段检查锚索孔洞前方的偏移情况，以便及时采取纠偏措施，确保孔位正确，钻入孔内的钻杆数量记录准确，以便核对钻孔深度。

6.6更换套管管靴和第一节套管

根据前期试钻积累的相关应用实践，在开钻时，采用第一级套管跟进施工，配备相应的套管管靴、套管、钻头等钻具；在套管跟进至50m时，更换第二级套管跟进施工，配备相应的套管管靴、套管、钻头等钻具；在套管跟进至100m时，更换直锤钻孔施工的钻具，直至完成锚索钻孔施工。

6.5钻孔检查

钻孔完成后，对钻孔倾角进行检查，允许误差±1度；对钻孔深度进行检查，深度不小于设计长度，不超设计长度的1%；将孔内钻碴及时排除孔外，直至排出气体为清色。

6.6锚索制作

预应力锚索制作前，必须严格按设计及相关规范进行原材料质量检验，经检验合格的预应力锚索方可使用。下料长度根据钻孔深度及锚头型式准确计算，先计算后下料。锚索采用7S15.2-1860级钢绞线，严禁有接头。

预应力锚索在现场进行编制，编制好的锚索应架空履盖，防止被雨淋湿生锈。锚固段采用波纹形状，张拉段采用直线形状。钢绞线下料长度为：锚索设计长度、锚头高度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作余量的总和。正常情况下，钢绞线截断余量取0.8－1.0m。

将截好的钢绞线平顺地放在作业台架上，量出锚固段和锚索设计长度，分别作出标记；在锚固段的范围内穿对中隔离支架，间距100-150cm，两对中支架之间扎紧固环一道；自由段每隔1.5m设置一道架线环以保证钢绞线顺直。

预应力锚索制作时，应将一次注浆管、二次注浆管一并绑扎于锚索中，并做好标记。一次注浆管插至导向帽处。二次注浆管底端应进行封堵，在锚固段每隔0.8m对开6mm大小注浆孔，并用胶带封堵，防止一次注浆时浆液流入管中阻塞注浆管。

图 锚索大样图

6.7锚索防腐

自由段防腐：每根钢绞线经除锈、除油后，先在锚索表面涂润滑油或防腐漆，然后包裹沥青玻纤布，再在玻纤布上涂润滑油或防腐漆，再次包裹玻纤布，形成二涂二布，最后装入塑料套管中，并使塑料套管中充满油脂，最终形成双层防腐。自由段选用无接头的套管，当存在接头时，搭接长度不小于50mm，采用胶带封闭。自由段外端锚头的锚具经除锈、涂防腐漆后采用钢筋网罩、现浇混凝土封闭，混凝土强度等级C30，厚度100mm，混凝土保护层50mm。

锚固段防腐：制作好的锚索应尽快安放至锚孔中并及时注浆。锚索位于钻孔中部，杆体周围水泥砂浆保护层厚度不小于35mm。

6.8锚索安装

预应力锚索安装时必须仔细核对自由段与锚固段长度是否与设计要求相符，自由段PVC管有无缺口，锚固段是否有污染，钢绞线数量是否与设计要求相符等。

预应力锚索安装时用吊车配合人工轻轻送入孔中，直至设计要求的深度。安装完毕后应保证孔外留有足够的张拉长度。因锚孔倾角较大，为了防止预应力锚索安装后在重力作用下滑入孔中，使孔口剩余长度不能满足张拉要求，应在孔口对锚索作适当固定。

6.8套管拔出

拔管装置由千斤顶、底座、卡盘等组成。根据钻孔深度及角度，选用由2个千斤顶、1个底座和1个卡盘组成100t拔管装置。预应力锚索安装完成后，使用拔管装置依次拔出预应力锚索套管。

6.9锚固段灌浆

锚索孔灌浆采用M30水泥砂浆，水灰比0.5:1；水泥砂浆采用高速搅拌机制浆，搅拌时间不低于5min；水泥砂浆要随拌随用，超过初凝时间的浆液要废弃。

锚孔灌浆采用从孔底返浆法进行，灌浆压力为0.6～0.8MPa,由孔底向上返浆，孔内空气顺锚索孔排出，随锚孔灌浆体外长度的增长而逐步将灌浆管抽拔出孔外，再拆除孔口外的单节灌浆管，然后将水泥浆泵的软管与孔内灌浆管接好再继续灌浆，直至把锚固段孔灌完。灌浆浆液温度要保持在5℃～40℃之间。当冬季日平均气温低于5℃时，要对制浆系统、灌浆机械和输浆管进行保温。

锚索安装时在锚固段尾部钢绞线上系一导线，并用绝缘胶布使导线和钢绞线分离绝缘，导线随锚索伸出孔外接在万用表正极上，万用表负极接到孔外钢绞线上，万用表调到欧姆档，当砂浆灌到锚固段尾部时，导线和钢绞线通过砂浆形成通路，万用表表针转动，即证明锚固段孔已灌满。同时，采用锚固段计算所需灌注量和实际灌注量进行比较，以复核锚固段灌浆是否灌满。

6.10张拉段灌浆

张拉段灌浆与锚固段相同，从锚具口灌浆，排气管排气，直至排气管流出与灌注端浓度相同白浆液即可封口。浆体未达到设计强度70%时，不得在锚索端悬挂重物或碰撞外锚头，张拉时锚固端浆体强度不低于设计要求强度。封锚灌浆要在锚索张拉锁定后3d内进行。

6.11制作锚墩

锚固段灌浆后，随即进行锚墩施工，先用风镐把锚固桩预留孔周围桩身凿毛，用高压水冲洗干净，墩与钻孔轴线垂直。然后装模安放钢筋，灌注混凝土。外锚板连同OVM锚垫板、孔口定位铁板和钢垫板、排气管一起灌注，板身顶面必须与孔轴身垂直。

6.12张拉锚定

预应力锚索的锚固段和自由段浆体及锚墩混凝土强度达到设计要求后方能进行锚索张拉。张拉作业采用以张拉力为主、伸长值校核为辅的双控操作方法。当岩土体锚索张拉实测伸长值与理论伸长值偏差超过+10%或小于-5%时，混凝土结构锚索张拉实测伸长值超出理论计算伸长±6%时，须停机检查，待查明原因并采取相应措施后，方可恢复张拉。

除设计有明确规定外，一般须先进行单根预应力钢绞线预紧，使锚索各股预应力钢绞线的应力均匀后，再进行整索张拉。张拉加载及卸载应缓慢平稳，加载速率每分钟不得超过0.1σcon，卸载速率每分钟不得超过0.2σcon。锚索张拉至设计应力待压力表稳定后锁定，持荷稳压时间不得小于10min。锚索张拉每级加载后须同步量测其伸长值，锁定后须量测预应力钢绞线的内缩量。锚索张拉完毕后48h内，如发现锚索锁定力低于设计张拉力的10%时，须进行补偿张拉。锚索张拉锁定后夹片错牙不得大于2mm，否则须退锚重新张拉。

6.13封锚

按照设计要求将外锚头（钢垫板）用混凝土保护起来。使用手提式切割机把锚头外露钢绞线切掉，留长5-8厘米，锚头部分涂刷防腐剂；然后支模。锚板、预应力钢绞线及其周围清理干净，结构物表面凿毛并清洗干净后浇筑混凝土。

7.抗拔试验

试验采用循环加、卸荷法，并符合下列规定：每级荷载施加或卸除完毕后，应立即测读变形量；在每次加、卸荷时间内应测读锚头位移二次，连续二次测读的变形量均小于0.01mm可施加下一级荷载；加、卸荷等级、测读间隔时间宜按下表确定。

锚杆基本试验循环加卸荷等级与位移观测间隔时间

锚索试验中遇下列情况之一时，应终止继续加载：锚头位移不收敛，锚固体从岩层中拔出或锚杆从锚固体中拔出；锚头总位移量超过设计允许值。

参加统计的试验锚索，当极限抗拔力的极差不超过平均值的30％时，锚索极限抗拔承载力标准值可取平均值；当极差超过平均值的30％时，增加试验锚索数量，重新试验，按95%的保证概率计算锚杆极限抗拔承载力标准值。

经试验检测，8根承载力试验性锚索的抗拔承载力均符合设计要求。

8结束语

在山区场平试验性工程中运用两级套管跟进技术，成功克服了泥浆护壁钻孔施工中的钻孔进尺速度慢、单孔施工周期长、多次出现塌孔、塌孔后处理困难、纯水泥浆凝固周期长、钻具损耗高等缺陷；避免了单级套管跟进技术中频繁更换钻具以及套管管靴与套管连接处、钻进端第一节套管与第二节套管处因钢材强度不足易断裂等问题；顺利的完成了钻孔深度超过100m的预应力锚索钻孔施工，为钻孔长度超过100米的预应力锚索钻孔施工积累了相应经验。

参考文献

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