专利名称：主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁及施工方法
技术领域：
本发明涉及水电站地下厂房岩锚吊车梁的结构设计，更具体地说它是一种主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁。本发明还涉及到这种主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法。
背景技术：
岩锚吊车梁因具有可减小厂房跨度，改善洞室围岩稳定性；减小开挖、支护、混凝土及钢筋工程量，降低工程投资；可提前形成并投入使用，有利于方便施工，加快施工进度等优势，在地下电站建设中被普遍采用。随着我国水电事业的不断发展，采用地下厂房的水电站越来越多，单机容量已达到700丽级别，并向1000丽级别迈进，单机容量的提高导致地下厂房洞室规模越来越大，厂房跨度已超过30m，高度接近100m，吊车梁轮压也超过了100t，大跨度、高边墙洞室围岩稳定及重载岩锚吊车梁结构安全问题越来越突出，直接关系 到电站的正常运行。传统岩锚梁主承载锚杆采用普通砂浆锚杆，仰角为15° -30°，锚杆钢筋直接埋入梁体中，并在梁体与围岩交界部位设一定长度的自由段。在工程实践中，其技术缺陷日益显现，主要体现在(I)受围岩变形影响，部分锚杆应力偏高，甚至超过设计标准，而且施工后应力无法调节，导致结构存在安全隐患；(2)梁体与竖向岩面间结合较差，增加了岩锚梁斜岩台的负载，降低了梁体整体稳定性。(3)主承载锚杆初始应力是由洞室围岩变形导致的被动应力，其量值存在较大差异，在重载条件下，梁体变形可能出现不均匀，影响桥机正常运行。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述现有背景技术的不足，提供一种主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁。本发明的另一目的在于提供这种主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法。本发明的第一目的通过如下措施来达到的主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，它包括岩锚吊车梁梁体、主承载预应力锚杆、加固锚杆，其特征在于所述主承载预应力锚杆依次由锚杆锚固段，锚杆自由段和锚杆外露锁定段组成，锚杆钢筋贯穿锚杆锚固段，锚杆自由段和锚杆外露锁定段；锚杆锚固段包括位于中部位置的锚杆钢筋，在锚杆钢筋上间隔布置有钢筋对中支架，并通过第一次灌浆后在锚杆钻孔内固定而成；锚杆自由段包括位于中部位置的锚杆钢筋，位于锚杆钢筋外的浙青及PE膜层，锚杆自由段的一部分位于锚杆钻孔内通过在浙青及PE膜层上经第一次灌浆而成；锚杆自由段的另一部分位于岩锚吊车梁梁体内，通过预埋钢套管后经第二次灌浆而成；锚杆外露锁定段依次包括钢档板、垫圈和螺母，所述的钢档板、垫圈和螺母均固定在外露的锚杆钢筋上。在上述技术方案中，所述的螺母为双螺母。在上述技术方案中，所述的主承载预应力锚杆仰角Θ为5° -15°。优选上排主承载预应力锚杆10与水平面的仰角Θ为15°，下排主承载预应力锚杆10与水平面的仰角Θ为10°。本发明的第二目的是通过如下措施来达到的主承载预应力锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法，其特征在于它包括如下步骤①.在锚杆自由段区域外抹浙青和包裹PE膜；②.在地下厂房洞室开挖至岩锚梁斜岩台下部后，进行锚杆钻孔施工，清孔后插入带有对中支架的锚杆钢筋，将锚杆钢筋插入后进行第一次灌浆；·③.同时进行加固锚杆施工、预埋钢套管和钢垫板的安装，待第一次灌浆的水泥砂浆达到设计强度后，进行岩锚吊车梁梁体的浇筑，锚杆钢筋通过预埋钢套管伸出岩锚吊车梁梁体外，预埋钢套管与钢垫板间采用贴角焊接；④.待岩锚吊车梁梁体混凝土达到设计强度后，在锚杆钢筋外露锁定段依次套上钢挡板、垫圈和螺母；⑤.通过拧紧螺母对锚杆钢筋进行第一次张拉至设定的预应力；⑥.待地下厂房洞室围岩变形收敛后，对锚杆钢筋进行第二次张拉，通过拧紧螺母施加预应力达到最终设计值；⑦.最后进行第二次灌浆，灌满岩锚吊车梁梁体内预埋钢套管。在上述技术方案中，在所述的第⑤步和第⑥步之间还包括在地下厂房洞室开挖施工过程中，根据监测资料，通过拧紧或放松螺母，使锚杆钢筋的应力始终控制在设计标准范围内；在上述技术方案中，所述的预应力锚杆外露锁定段、钢挡板、垫圈和双螺母均镀锌或刷防锈漆。本发明针对传统岩锚吊车梁由于围岩变形导致部分主承载锚杆应力偏高，甚至超过设计标准，且施工后无法调节的技术缺陷，研究发明了一种主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁。该种岩锚梁主承载锚杆应力可始终控制在设计标准范围内，且岩锚梁整体稳定性高，梁体不均匀变形小，有利于桥机的正常运行。具体地说本发明具有如下特点(I)岩锚梁主承载锚杆采用后张部分预应力锚杆，固定锚杆采用普通砂浆锚杆。后张部分预应力锚杆可避免锚杆钢筋直接埋入岩锚梁梁体中，为主承载锚杆应力的全过程调节提供了前提条件。(2)预应力锚杆锚杆钢筋通过外抹浙青和包裹PE膜形成自由段(张拉段)，通过岩锚吊车梁梁体中预埋钢套管伸出梁体，在锚杆端部利用螺母施加预应力锁定梁体。设置自由段可使锚杆钢筋与钻孔及钢套管内的水泥砂浆不直接粘结，满足锚杆钢筋的自由伸缩，为施加预应力锁定梁体、并使预应力向锚杆锚固段传递提供了技术保障，保证了锚杆施加预应力对岩锚梁梁体的预期锚固效果。(3)通过拧紧或放松锚杆端部的螺母，可调节锚杆中预应力的大小，从而实现主承载锚杆应力的全过程调节，保证锚杆应力始终控制在设计标准范围内，有效地解决了传统岩锚吊车梁由于地下厂房开挖施工过程中，围岩变形导致的部分主承载锚杆应力偏高，甚至超过设计标准，且施工后无法调节的技术缺陷。(4)通过对主承载锚杆施加设定的预应力，保证岩锚吊车梁梁体与竖向岩面结合良好，从而可利用梁体与竖向岩面间的摩擦力来平衡桥机轮压带来的部分竖向载荷，减小岩锚梁斜岩台上的荷载，达到提高岩锚吊车梁的整体稳定性，减小梁体变形，降低主承载锚杆承受的剪应力等目的。桥机运行之前，岩锚梁主承载锚杆初始应力是通过锚杆端部螺母施加的主动应力，其量值一致性好，且大小可以适时调节；桥机运行时，主承载锚杆拉伸值小，且一致性好，可提高岩锚梁变形的均匀性，保证桥机正常行走。(5)由于该种岩锚吊车梁梁体与竖向岩面结合良好，提高了岩锚吊车梁的整体稳定性，减小了桥机运行时梁体的变形，因而可降低主承载锚杆承受的剪应力，为主承载锚杆采用更小的仰角(5° -15° )提供了前提条件。锚杆小仰角的采用，增加了主承载锚杆受力力臂，为加大主承载锚杆的间距创造有利条件，从而降低施工难度，方便施工。本发明主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，其优势主要体现在以下几方面(I)通过调节锚杆螺母，实现主承载锚杆应力的全过程控制，使锚杆应力始终可控制在 设计标准范围内，岩锚梁结构安全更有保障；(2)岩锚吊车梁与岩面结合良好，可提高岩锚梁的整体稳定性；(3)锚杆受力与梁体变形均匀，有利于桥机的正常运行；(4)主承载锚杆可采用更小的仰角，从而可加大锚杆间距，有利于方便施工。本发明综合考虑了岩锚吊车梁结构的受力特点、施工过程中地下厂房洞室围岩变形特征、环境影响及桥机正常运行要求，规避了传统岩锚吊车梁的技术缺陷，适用于I、II及III类围岩中各种规模的地下厂房，在保证岩锚梁结构安全、整体稳定性和正常运行方面具备较大优势，尤其适用于重载、大悬臂岩锚吊车梁。
图I为地下厂房岩锚吊车梁布置横剖面图；图2为现有的传统岩锚吊车梁结构大样图；图3为现有的岩锚吊车梁主承载锚杆结构示意图；图4为本发明岩锚吊车梁结构大样5为本发明岩锚吊车梁主承载锚杆结构示意图；图中1、地下厂房洞室，2、桥机，3、岩锚吊车梁梁体，4、普通主承载锚杆(或称普通锚杆)，5、锚杆钢筋，6、锚杆钻孔，7、水泥砂衆，8、钢筋对中支架，9、浙青及外裹PE膜，10、主承载预应力锚杆(或称预应力锚杆)，11、预埋钢套管，12、钢垫板，13、钢挡板，14、垫圈，15、螺母，16、锚杆锚固段，17、锚杆自由段，18、锚杆直接埋入梁体段，19、锚杆外露锁定段，20、第一次灌浆段，21、第二次灌浆段，22、斜岩台，23、竖向岩壁面，24、加固锚杆，25、地下厂房洞室围岩
具体实施例方式以下结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。说明书中的名词解释
预应力锚杆由锚头、预应力筋、锚固体组成，利用预应力筋自由段(张拉段)的弹性伸长，对锚杆施加预应力，以提供所需的主动支护拉力的长锚杆。锚固段预应力锚杆体的内部持力端，它是用胶结材料或用金属加工的机械装置，使锚杆内端同被锚固体深部稳定的介质形成整体的区段。岩锚吊车梁(简称岩锚梁)岩锚梁是通过长锚杆将钢筋混凝土吊车梁固定在岩壁上的结构，桥式起重机的全部载荷以及自重通过长锚杆和钢筋混凝土吊车梁与岩壁接触面上的摩擦力传到岩体上。灌浆利用灌浆泵或浆液白重，通过钻孔、埋管或其它方法把水泥浆液压送到岩体的裂隙、混凝土裂缝、接缝或空洞内的工程措施。参阅图I可知现有的地下厂房的水电站为地下厂房洞室围岩25围成的地下厂房 洞室1，桥机2可在岩锚吊车梁梁体上移动，参阅图2可知现有的主承载锚杆4均位于岩体和岩锚吊车梁梁体3的上端，加固锚杆24位于斜岩台22和岩锚吊车梁梁体3的下端，主承载锚杆4和加固锚杆24均为普通砂浆锚杆。参阅图3可知现有的主承载锚杆4由锚杆锚固段16,锚杆自由段17和锚杆直接埋入梁体段18组成。锚杆锚固段16包括中部位置的锚杆钢筋5，在锚杆钢筋5上间隔布置有钢筋对中支架8，并通过对钢筋对中支架8和锚杆钢筋5经水泥砂浆7在锚杆钻孔6内固定而成；锚杆自由段17位于锚杆锚固段16和锚杆直接埋入梁体段18之间，它是在锚杆钢筋5外抹浙青和包裹PE膜9经水泥砂浆7在锚杆钻孔6及岩锚吊车梁梁体3内固定而成；其中位于岩锚吊车梁梁体3内的部分为小部分；锚杆直接埋入梁体段18全部位于岩锚吊车梁梁体3内。参阅图4、图5可知主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，它包括岩锚吊车梁梁体3，预应力锚杆10，加固锚杆24，其特征在于所述主承载预应力锚杆10依次由锚杆锚固段16,锚杆自由段17和锚杆外露锁定段19组成，锚杆钢筋5贯穿锚杆锚固段16,锚杆自由段17和锚杆外露锁定段19 ；锚杆锚固段16包括位于中部位置的锚杆钢筋5,在锚杆钢筋5上间隙布置有钢筋对中支架8，并通过对钢筋对中支架8和锚杆钢筋5经第一次灌浆后在锚杆钻孔6内固定而成； 锚杆自由段17包括位于中部位置的锚杆钢筋5，位于锚杆钢筋5外的浙青及PE膜层9，锚杆自由段17的一部分位于锚杆钻孔6内通过在浙青及PE膜层9上经第一次灌浆而成；锚杆自由段17的另一部分位于岩锚吊车梁梁体3内，通过预埋钢套管11后经第二次灌浆而成；锚杆外露锁定段19依次包括钢档板13、垫圈14和螺母15，所述的钢档板13、垫圈14和螺母15均固定在外露的锚杆钢筋5上。所述的螺母15为双螺母。所述的主承载预应力锚杆10与岩锚吊车梁梁体3之间的仰角Θ为5° -15°。优选上排主承载预应力锚杆10与水平面的仰角Θ为15°，下排主承载预应力锚杆10与水平面的仰角Θ为10°。
本发明主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法，其特征在于它包括如下步骤①.在锚杆自由段17区域外抹浙青和包裹PE膜9 ;②.在地下厂房洞室I开挖至岩锚梁斜岩台22下部后，进行锚杆钻孔6施工，清孔后插入带有对中支架8的锚杆钢筋5，将锚杆钢筋5插入后进行第一次灌浆20 ；③.同时进行加固锚杆24施工、预埋钢套管11和钢垫板12的安装，待第一次灌浆的水泥砂浆7达到设计强度后，进行岩锚吊车梁梁体3的浇筑，锚杆钢筋5通过预埋钢套管11伸出岩锚吊车梁梁体3外，预埋钢套管11与钢垫板12间采用贴角焊接。贴角焊接可防止钢套管11与钢垫板12之间相对位置的变化；④.待岩锚吊车梁梁体3混凝土达到设计强度后，在锚杆钢筋5外露锁定段19依次套上钢挡板13、垫圈14和螺母15 ； ⑤.通过拧紧螺母15对锚杆钢筋5进行第一次张拉至设定的预应力；⑥.待地下厂房洞室围岩25变形收敛后，对锚杆钢筋5进行第二次张拉，通过拧紧螺母15施加预应力达到最终设计值；⑦.最后进行第二次灌浆21，灌满岩锚吊车梁梁体3内预埋钢套管11。在所述的第⑤步和第⑥步之间还包括在地下厂房洞室I开挖施工过程中，根据监测资料，通过拧紧或放松螺母15，使锚杆钢筋5的应力始终控制在设计标准范围内。预应力锚杆10外露锁定段19、钢挡板13、垫圈14和双螺母15均镀锌或刷防锈漆。加固锚杆24为普通砂浆锚杆，其施工方法此处不再赘述，严格按照国内相关规程规范执行。
权利要求
1.主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，它包括岩锚吊车梁梁体(3)，主承载预应力锚杆(10)，加固锚杆(24)，其特征在于所述主承载预应力锚杆(10)由锚杆锚固段(16),锚杆自由段(17)和锚杆外露锁定段(19)组成,锚杆钢筋(5)贯穿锚杆锚固段(16),锚杆自由段(17)和锚杆外露锁定段(19)； 锚杆锚固段(16)包括位于中部位置的锚杆钢筋(5),在锚杆钢筋(5)上间隙布置有钢筋对中支架(8)，并通过第一次灌浆后在锚杆钻孔(6)内固定而成； 锚杆自由段(17)包括位于中部位置的锚杆钢筋(5)，位于锚杆钢筋(5)外的浙青及PE膜层(9)，锚杆自由段(17)的一部分位于锚杆钻孔(6)内通过在浙青及PE膜层(9)上经第一次灌浆而成；锚杆自由段(17)的另一部分位于岩锚吊车梁梁体(3)内，通过在锚杆钢筋(5)外的浙青及PE膜层(9)上经第一次灌浆，在第一次灌浆后的预埋钢套管(11)上经第二次灌浆，且在钢套管(11)的尾端上焊接钢垫板(12)而成； 锚杆外露锁定段(19)依次包括钢档板(13)、垫圈(14)和螺母(15)，所述的钢档板(13 )、垫圈(14 )和螺母(15 )均固定在外露的锚杆钢筋(5 )上。
2.根据权利要求I所述的主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，其特征在于所述的螺母(15)为双螺母。
3.根据权利要求I或2所述的主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，其特征在于所述的主承载预应力锚杆(10)与岩锚吊车梁梁体(3)之间的仰角Ω为5° -15°。
4.根据权利要求3所述的主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，其特征在于所述的主承载预应力锚杆(10)包括上排预应力锚杆和下排预应力锚杆，上排预应力锚杆与水平面的仰角Ω为15°，下排预应力锚杆与水平面的仰角Ω为10°。
5.主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法，其特征在于它包括如下步骤 ①.在锚杆自由段(17)区域外抹浙青和包裹PE膜(9); ②.在地下厂房洞室(I)开挖至岩锚梁斜岩台(22)下部后，进行锚杆钻孔(6)施工，清孔后插入带有对中支架(8)的锚杆钢筋(5)，将锚杆钢筋(5)插入后进行第一次灌浆段(20)； ③.同时进行加固锚杆(24)施工和预埋钢套管(11)的安装，待第一次灌浆的水泥砂浆(7)达到设计强度后，进行岩锚吊车梁梁体(3)的浇筑，锚杆钢筋(5)通过预埋钢套管(11)伸出岩锚吊车梁梁体(3)外，预埋钢套管与钢垫板间采用贴角焊接； ④.待岩锚吊车梁梁体(3)混凝土达到设计强度后，在锚杆钢筋(5)外露锁定段(19)依次套上钢挡板(13)、垫圈(14)和螺母(15); ⑤.通过拧紧螺母(15)对锚杆钢筋(5)进行第一次张拉至设定的预应力； ⑥.待地下厂房洞室围岩(25)变形收敛后，对锚杆钢筋(5)进行第二次张拉，通过拧紧螺母(15)施加预应力达到最终设计值； ⑦.最后进行第二次灌浆，灌满岩锚吊车梁梁体内预埋钢套管。
6.根据权利要求5所述的主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法，其特征在于在所述的第⑤步和第⑥步之间还包括在地下厂房洞室(I)开挖施工过程中，根据监测资料，通过拧紧或放松螺母(15)，使锚杆钢筋(5)的应力始终控制在设计标准范围内。
7.根据权利要求5所述的主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法，其特征在于所述的主承载预应力锚杆(10)外露锁定段(19)、钢挡板(13)、垫圈(14)和双螺母(15)均镀锌或刷防锈漆。
全文摘要
主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁，它包括岩锚吊车梁梁体(3)，主承载预应力锚杆(10)，加固锚杆(24)，所述主承载预应力锚杆(10)由锚杆锚固段(16)，锚杆自由段(17)和锚杆外露锁定段(19)组成，锚杆钢筋(5)贯穿锚杆锚固段(16)，锚杆自由段(17)和锚杆外露锁定段(19)。本发明克服了传统岩锚吊车梁由于围岩变形导致部分主承载锚杆应力偏高，且施工后无法调节的技术缺陷。本发明岩锚梁主承载锚杆应力可始终控制在设计标准范围内，岩锚梁整体稳定性高，梁体不均匀变形小，有利于桥机的正常运行。本发明还同时公开了这种主承载锚杆应力可全过程调节的岩锚吊车梁的施工方法。
文档编号B66C7/00GK102839664SQ201210296678
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者钮新强, 周述达, 谢红兵, 邵年, 王 煌, 牟春来, 刘惟, 陈锐, 韩前龙, 李旻 申请人:长江勘测规划设计研究有限责任公司