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既有锚索二次张拉机具技术研究 崔雪雪 1 王彪 2 刘汴 2 沈怡勤 2 陈善雄 1 余飞 1 李剑 1 （1. 中国科学院武汉岩土力学研究所， 湖北 武汉 430071； 2. 湖北省交通运输厅鄂西高速管理处， 湖北 武汉 430034） 摘要预应力损失是降低锚索支护效果的重要原因， 对既有锚索实施二次张拉， 恢复设计预应力对工程防 护具有重要的意义。针对既有锚索尾部长度短， 无法直接进行二次张拉的问题， 研究设计了一种由新型T型锚盘、 圆环垫片、 持力钢套等部件组成的可拆卸式的既有锚索二次张拉机具。从机具的部件组成、 施工流程、 技术要点和 工程实践等方面进行了详细阐述， 该机具操作简单、 节省空间， 还可重复利用。既有锚索二次张拉的工程实践表 明， 这种新型的张拉机具可以在既有锚索尾部较短 （3～5 cm） 的情况下实现二次张拉， 恢复既有锚索的设计预应力 值， 大大提高了预应力锚索的支护效果， 保证了工程建设的安全与稳定。 关键词既有预应力锚索新型二次张拉机具可拆卸预应力恢复 中图分类号TD350， TB472文献标志码B文章编号1001-1250 （2019） -06-163-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906029 Technical Research on the Secondary Tensioning Machine of Exiting Anchor Cable Cui Xuexue1Wang Biao2Liu Bian2Shen Yiqin2Chen Shanxiong1Yu Fei1Li Jian12 （1. Institute of Rock and Soil Mechanics， Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071， China; 2. Exi Expressway Management Office， Hubei Provincial Department of Transportation， Wuhan 430034， China） AbstractPrestressing loss is an important reason for reducing the supporting effect of anchor cable. It is of great signifi- cance for the existing anchor cable to be tensioned twice and recover the designed prestressing force for engineering protec- tion. Aiming at the problem that the tail of the existing anchor cable is too short to be tensioned twice directly，a detachable secondary tensioning machine for the existing anchor cable is designed，which consists of a new T-shaped anchor plate，ring gasket and supporting steel sleeve. The components，construction process，technical points and engineering practice of the machine are elaborated in detail. The machine is simple to operate， saves space and keeps reusable. The engineering practice of secondary tensioning of existing anchor cables shows that this new type of tensioning machine can realize secondary tension- ing under the condition of short tail of existing anchor cables（3～5 cm） ， restore the designed pre-stress value of existing an- chor cables， greatly improve the supporting effect of prestressing anchor cables， and ensure the safety and stability of project construction. KeywordsExiting pre-stressed anchor cable， New secondary tensioning machine， Detachable， Prestress recovery 收稿日期2019-05-05 作者简介崔雪雪 （1992） ， 女， 硕士研究生。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 预应力锚索具有造价低、 支护效果好、 操作简 便、 使用范围广、 占用施工空间小等优点被广泛地应 用于边坡防护结构中 ［1］。预应力是锚索支护的关键 参数， 是支护效果的决定性因素， 而预应力的损失直 接影响到锚索的加固效果， 同时也关系到工程的安 全稳定问题 ［2-3］。通常在工程施工中， 当锚索预应力 施加到位后， 按照设计要求， 锚索尾部即被剪断并封 闭在混凝土墩中， 以防止锚索生锈以及保证工程美 观。但是， 随着时间的推移， 由于边坡自身变形或钢 绞线蠕变等原因， 既有锚索的预应力可能出现较大 的损失， 此时， 需要对既有锚索进行二次张拉以恢复 设计预应力值， 进而保障工程的稳定、 安全。 目前国内外的专家学者的研究多集中在对施工 过程中锚索预应力损失和二次张拉问题的研究 ［2-5］， 对既有锚索的二次张拉问题并未重视。因此， 出现 了在锚索尾部剪断后， 由于长度较短而无法进行二 次张拉的问题。因此需要一种新型的二次张拉机具 可以在既有锚索尾部较短 （3～5 cm） 的情况下实现既 163 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 有锚索的二次张拉。 以鄂西沪渝高速公路边坡的锚索支护结构为 例， 本研究设计了一种新型的既有锚索二次张拉机 具， 对二次张拉设备、 施工技术流程、 施工要点和工 程实践等方面进行分析， 以期对相关的工程建设提 供参考。 1新型既有锚索二次张拉机具设计 1. 1新型既有锚索二次张拉机具的产生 现有预应力锚索支护工程中大多使用如图1 （a） 所示的型号为YM15-6的锚盘， 整体为圆柱形， 中间 有6个圆孔供锚索和夹片穿过； 如图1 （b） 所示为工程 中常用的锚索张拉机具， 使用时将锚索穿过机具， 锚 索才能受力张拉。而在既有锚索的二次张拉施工 中， 由于既有锚索剪段之后长度较短， 无法穿过现有 的张拉机具进行二次张拉。 因此如何延长既有锚索的出露端长度成为二次 张拉的关键问题。为解决这一问题， 考虑先将张拉 力施加到既有锚盘上， 再传递到既有锚索。因既有 锚盘为圆柱形， 外周没有承力构件， 因此选取高强度 粘结胶， 将既有锚盘与其他的传力构件粘结， 考虑抗 剪强度等问题， 在既有锚盘上再安装一个新的锚盘， 已提供足够的强度承受二次张拉所产生的剪力和拉 力。然后设计一个新型的持力连接器， 连接既有锚 索和持力钢棒， 持力钢棒穿过千斤顶进行拉拔， 相当 于对既有锚索进行了有效的延长。 考虑既有锚索的二次张拉对工程的实际意义， 解决现有张拉机具不能适用的问题， 笔者综合考虑 现场的施工情况， 将上述想法付诸实践， 研究设计了 一套新型的既有锚索二次张拉机具。 1. 2新型二次张拉机具的功能设计 新型的既有锚索二次张拉机具分为可拆卸和不 可拆卸部分， 在施工结束后将可拆卸部分拆除， 既美 观又节省了空间， 在后续的施工中还可重复使用， 节 约资源。 为了监测张拉过后锚索的预应力变化情况， 还 在该装置中安装了锚索测力计， 方便进行实时监测， 检验该装置的张拉效果。 如图2所示， 新型的既有锚索二次张拉机具主要 由新增锚盘、 夹片、 粘结持力连接器、 支撑脚Ⅰ、 支撑 脚Ⅱ、 锚索测力计、 锚定盘、 持力连接器、 持力钢棒 Ⅰ、 持力钢棒Ⅱ、 千斤顶、 压板、 持力螺母等构件组 成。其中， 新增锚盘、 夹片、 粘结持力连接器、 支撑脚 Ⅰ、 持力钢棒Ⅰ、 锚索测力计、 圆环垫片、 锚定盘等构 成了承力构架， 粘结持力连接器用于与既有锚索的 连接。持力连接器、 持力钢棒Ⅱ、 支撑脚Ⅱ、 千斤顶、 压板、 持力螺母等构件用于二次张拉力的施加。张 拉机具又分为可拆卸和不可拆卸2部分， 在拉拔力施 加到位后， 承力构架还要继续工作， 是不可拆卸部 分， 其余部件可按顺序拆卸， 即为可拆卸部分。 164 ChaoXing 2019年第6期崔雪雪等 既有锚索二次张拉机具技术研究 粘结持力连接器为新型二次张拉机具的关键构 件， 决定既有锚索二次张拉的效果， 其细部构造的剖 面图如图3所示。它分为2段， 粘结套筒用于与既有 锚盘、 新增锚盘连接， 内径略大于锚盘的外径， 预留 一定的空间用于注入粘结胶， 预留厚度约为2 mm。 粘结套筒内部有环形凹槽， 中间有1个圆形凸台， 它 们的作用是允许既有锚索穿过。粘结器尾部的套筒 内径与持力钢棒Ⅰ的外径相同， 用于二者的连接。 锚定盘是张拉过后防止持力钢棒Ⅰ回缩， 避免 二次张拉力松弛的关键构件， 如图4所示。锚定盘中 间有1个内径与持力钢棒Ⅰ的直径相同的圆孔， 持力 钢棒Ⅰ从圆孔穿过， 二次张拉力施加到位后， 操作人 员将锚定盘锁紧， 以保证张拉效果。 1. 3新型既有锚索二次张拉机具的技术要点 （1） 所有构件的制作要使用优质的合金结构钢， 以承受施加拉拔力时产生的压力。且施工结束后， 不可拆卸部分暴露在空气中要防止生锈， 以方便下 次张拉。 （2） 粘结连接器与既有锚盘的连接的可靠性是 既有锚索二次张拉技术的核心。粘结胶的粘结强度 要达到工程要求， 既有锚盘和粘结连接器紧密连接， 才能将二次拉拔力有效地传递到既有锚索。航空用 的高强度粘结胶的抗剪强度可达30 MPa， 可以提供 约 110 t 的二次拉拔力。强度验算 锚盘直径 D 126 mm， 锚盘高度 H50 mm， 抗剪面积 A12πDH 0.039 6 m2， 抗拉面积A2πD2/40.012 4 m2， 抗剪强度 τ23 000 kN/ /m2， 抗拉强度σ15 000 kN/ /m2， 则可承受 拉力FτA1σA21 097 kN。高强度粘结胶的初始强 度发挥需要30 min， 但是达到最终强度需要8 h以上， 因此， 既有锚索的二次张拉操作要在灌注粘结胶的 第2天进行。 （3） 锚定盘的旋紧程度对预应力损失值影响较 大， 安装时要严格按照设计依次安装， 将张拉机具清 理干净， 尤其是螺纹上的杂物， 以免杂物在强大压力 下被压碎造成缝隙， 导致锚固回缩值增大。 2新型既有锚索张拉机具施工工艺 新型二次张拉机具所需的部件在加工厂按强度 要求加工完成后， 将其运到施工现场。然后按以下 步骤进行安装和张拉。 （1） 既有锚索外部包裹的混凝土墩凿开， 既有锚 索周边的墙面整平。 （2） 新增锚盘套在既有锚索上， 与既有锚盘连 接， 再将连接器套在锚盘外， 在连接过程中， 用胶枪 在新增锚盘与既有锚盘中间的空隙和锚盘外周与粘 结持力连接器之间的空隙均匀涂抹足够的高强度金 属粘结胶， 然后， 静置至粘结胶强度达到要求。 （3） 将持力钢棒Ⅰ旋入粘结连接器的尾部， 再将 支撑脚Ⅰ套在连接器外， 再将锚索测力计、 圆环垫片 和锚定盘依次旋入持力钢棒Ⅰ， 完成不可拆卸部分 的安装。此时锚定盘不必锁紧。 （4） 用持力连接器将持力钢棒Ⅰ、 Ⅱ连接起来， 然后套上支撑脚Ⅱ， 与支撑脚Ⅰ用螺栓连接固定， 再 将千斤顶、 压板、 持力螺母依次安装， 将持力螺母旋 紧， 抵在千斤顶的尾部， 不可拆卸部分安装完成。 （5） 向千斤顶逐级施送液压使其产生二次张拉 力， 并测量施加荷载后的累计拉拔位移。待二次张 拉力施加到位后， 保持千斤顶的位移缸不动， 持荷5 min， 然后旋转锚定盘， 直至转不动为止。 （6） 卸掉千斤顶的液压油使位移缸回缩， 由于锚 定盘锁定了持力钢棒Ⅰ， 使其不能回缩， 因此二次张 拉力全部转移至锚定盘。然后顺序将可拆卸部分拆 除。 3新型既有锚索张拉机具在实际工程中的应 用 3. 1工程概况 沪渝高速某边坡采用 “锚索挂网喷射混凝土” 支护的形式， 由于使用时间较长， 要恢复其设计预应 165 ChaoXing 金属矿山2019年第6期总第516期 力。某边坡支护锚索设计如图5所示。预应力锚索 设计张拉力为500 kN， 由6根270级 （1 860 MPa） 的高 强度低松弛无粘结钢绞线组成， 锚具采用OVM15型 锚具。锚固注浆材料用M40水泥砂浆， 水灰比0.4～ 0.45， 注浆压力不低于0.3 MPa。锚索封闭保护层厚 度大于20 cm。 3. 2既有锚索二次张拉应用 本次对某边坡锚索的二次张拉是在已经施工完 成的锚索上进行。由于既有锚索已经封死， 锚索外 露的自由端长度有限， 图6为锚墩破除后既有锚索的 锚盘及外露长度照片， 可以看到， 外露锚索长度很 短， 无法穿过张拉千斤顶。 通过安装锚索二次张拉机具， 有效地将锚索长 度进行了延长， 使得张拉千斤顶的张拉力可以顺利 通过连接钢棒传递给至既有锚索， 实现二次张拉。 既有锚索预应力设计值为500 kN， 本次张拉选择超 拉20。既有锚索二次张拉过程中， 需要监测既有锚 索现有的预应力， 因此， 此次张拉选择逐级分级施加 荷载， 分级荷载按照下列顺序施加 60 kN、 60 kN、 80 kN、 80 kN、 60 kN、 60 kN、 40 kN、 40 kN、 40 kN、 20 kN、 20 kN、 20 kN、 10 kN、 10 kN。施加分级荷载的过程 中， 记录分级荷载和相应的位移值， 估计张拉曲线拐 点， 得出大概的锚索预应力。 图7为既有锚索二次张拉过程数据曲线。由张 拉过程记录的数据所绘制的二次张拉荷载位移曲 线， 选取1锚索二次张拉曲线为例， 张拉曲线中有明 显的拐点， 可确定既有锚索的预应力约为470 kN。 如图8， 从现场的施工照片来看， 既有锚盘被明 显地拉出， 与持力平面产生了一定距离， 说明本次设 计的二次张拉机具可以提供足够的张拉抗力， 应用 效果较好。 为了监测锚索内力的变化规律， 在既有锚索二次 张拉过程中， 在支撑脚I的尾部安装了锚索测力计， 后 期锚索测力计的监测数据可以看出， 拆除可拆卸部分 后， 锚索预应力值为554.8 kN， 200 h后锚索的预应力 值仍有544.5 kN， 预应力损失＜2， 因此二次张拉效 166 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ 果显著。既有锚索预应力变化如图9所示。 4结论 （1） 既有的预应力锚索二次拉拔对边坡支护效 果的后期维护有着重要意义， 介绍的新型既有锚索 二次张拉机具， 解决了既有锚索尾部较短， 现有的张 拉机具无法适用的问题， 对以后类似工程有一定的 实用价值。 （2） 实际工程案例表明， 本研究设计的新型既有 锚索二次张拉机具可以使千斤顶的张拉力顺利地施 加到既有锚索， 恢复既有锚索的设计预应力值， 增强 锚固效果， 同时又不破坏既有锚索的结构。 （3） 该新型张拉机具分为不可拆卸部分和可拆 卸部分， 施工结束后将可拆卸部分拆除， 既美观， 又 节省空间， 还可对锚索继续进行张拉。 （4） 该机具装有锚索测力计， 可以对锚索使用过 程中预应力的变化进行实时监测。 参 考 文 献 刘驹.高填方地基锚索预应力损失试验研究 ［D］ .北京中国地 质大学 （北京） ， 2016. 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