巨成科技月報道之05——擴孔自鎖錨固產(chǎn)品的研發(fā)歷程

1、研究背景

       二十世紀九十年代以前，許多國家和地區在各類(lèi)工程中先后使用了大量的錨固技術(shù)，主要用于加固混凝土梁柱、巖石邊坡穩定等工程。同時(shí)，在不同的工況下，相應的有許多種類(lèi)的錨桿供施工人員使用，如鋼筋錨桿、高強合金鋼筋、預應力束、合金螺桿等，其共同的特點(diǎn)是采用水泥砂漿或有機材料填充。九十年代后，有機材料成為了后錨固的主要填充材料，尤其是樹(shù)脂類(lèi)填充料發(fā)展迅速，進(jìn)入到二十一世紀后，隨著(zhù)化學(xué)植筋技術(shù)的迅猛發(fā)展，樹(shù)脂類(lèi)粘接材料快速占領(lǐng)了國內及國際市場(chǎng)。但是由于有機材料自身的缺陷，即耐高溫耐腐蝕能力差、高濕環(huán)境下粘接效果差，耐久性一般為30年，故化學(xué)植筋技術(shù)應用于設計使用壽命更久的建筑結構工程中，必然會(huì )存在一定的安全隱患。

       針對國內外錨固技術(shù)在實(shí)際應用與項目實(shí)踐過(guò)程中的問(wèn)題，武漢大學(xué)在結構加固設計與研究的基礎上，聯(lián)合有著(zhù)二十余年工程結構加固實(shí)踐經(jīng)驗的武大巨成結構股份有限公司，組成了以周劍波教授、高作平教授以及陳明祥教授為核心的項目組，對巖石與混凝土擴孔自鎖錨固技術(shù)進(jìn)行深入地研究。

      擴孔自鎖錨固技術(shù)由巨成周劍波教授原創(chuàng )，1999年第一項專(zhuān)利誕生。武漢大學(xué)教授團隊經(jīng)過(guò)二十年的潛心研發(fā)與應用，專(zhuān)利達100多項。2018年12月8日，巨成周氏自鎖錨固產(chǎn)品正式向社會(huì )發(fā)布。

     

                圖1 擴孔自鎖錨桿標準化產(chǎn)品示意圖

 

2  原理介紹

     常規粘結式錨固即我們常說(shuō)的化學(xué)植筋，是一項從國外傳進(jìn)國內的技術(shù)，由于其施工工藝簡(jiǎn)單，很快風(fēng)靡全世界，至今已有二三十年；但由于其完全依靠膠體的粘結力提供錨固力，因此規范《混凝土結構加固設計規范》GB50367對其使用的要求是溫度不得高于60℃、濕度不得大于75%、耐久性不得超過(guò)30年。

     化學(xué)植筋的工藝是在一個(gè)直孔中灌入植筋環(huán)氧基膠，再植入鋼筋，當48小時(shí)后植筋膠完全固化，只要植入的深度符合設計要求就可以將鋼筋拔斷，從而可以讓植入鋼筋發(fā)揮全部的結構性作用。

     化學(xué)植筋的原理是利用植筋膠固化后的高強度將混凝土孔壁與鋼筋膠結固化成一個(gè)整體，只要植入鋼筋的深度滿(mǎn)足某個(gè)臨界深度的要求，這種膠結固化力就可以大于鋼筋的強度，從而使植入的鋼筋能夠發(fā)揮鋼筋強度的作用。

        化學(xué)植筋有三種典型的破壞模式：分別是拉剪破壞、滑移破壞和強度破壞。

 

 

圖2  化學(xué)植筋的三種破壞形式

 

     擴孔自鎖錨固可以徹底解決上述問(wèn)題，該技術(shù)核心機理是通過(guò)底部擴孔形成機械咬合提供錨固力，同時(shí)利用注入的高強無(wú)收縮水泥基注漿材料對桿體進(jìn)行保護，并將被錨固體與自鎖錨桿粘結成整體，從而形成一個(gè)較為完整的自鎖錨固體系。

     擴孔自鎖錨固技術(shù)的工藝是先鉆直孔，再使用擴孔鉆頭在孔底擴孔，然后注入無(wú)機注漿料，再將自鎖錨桿插入孔中，通過(guò)加壓或沖擊使錨桿在孔底張開(kāi)形成機械自鎖。

     擴孔自鎖錨固技術(shù)的原理是利用孔底的擴大孔，通過(guò)錨桿底部安裝的楔塊使錨桿底部形成擴大頭，而且這個(gè)擴大頭的張開(kāi)角度與擴孔鉆頭擴出的擴大孔的角度完全吻合，從而形成錨桿底部的擴大頭與擴成的孔形成完美的機械咬合。再加上專(zhuān)用無(wú)機注漿料的填充機械咬合之間的縫隙，使孔底形成一個(gè)擴孔自鎖的完整體系，從而形成使鋼筋拔斷的錨固力而孔底的機械自鎖體系紋絲不動(dòng)，如圖3所示。

 

圖3  擴孔自鎖原理和工藝

 

 

圖4  擴孔自鎖錨固的兩種破壞形式

 

        運用擴孔自鎖錨固技術(shù)進(jìn)行植筋時(shí)，只出現了兩種破壞模式：即拉剪破壞和強度破壞。

      特別要指出的是，擴孔自鎖錨固技術(shù)植筋時(shí)，沒(méi)有出現滑移破壞，原因是孔底的機械自鎖擴大頭阻止了滑移破壞。擴孔自鎖錨固技術(shù)只有兩種破壞模式比化學(xué)植筋技術(shù)少一種破壞模式，因此擴孔自鎖錨固技術(shù)是一種更可靠的植筋技術(shù)。

 

3試驗研究

     二十年以來(lái)，巨成教授團隊率領(lǐng)巨成研究院和歷屆的博士與碩士研究生做了上萬(wàn)根擴孔自鎖錨桿試驗，得到結論：只要桿體材料延伸率大于百分之十四，專(zhuān)用無(wú)機注漿料彈性模量大于31.5GPa，注漿材料只需注入六倍錨桿直徑的深度，就可以將錨桿拔斷。

 

 

 圖5 自鎖錨桿試驗研究

 

     該試驗結果說(shuō)明：擴孔自鎖錨固技術(shù)用于植筋時(shí)，無(wú)論在巖石與混凝土中，擴大頭部分都可以提供百分之百將鋼筋拔斷的能力。

 

 

 圖6 自鎖錨桿錨頭承載力試驗

 

4  產(chǎn)品及標準

     巨成不僅開(kāi)發(fā)了擴孔自鎖錨固產(chǎn)品，還同時(shí)開(kāi)發(fā)了安裝機具，包括擴孔鉆頭、拌注一體機、安裝器等，也開(kāi)發(fā)了關(guān)鍵檢測設備、機械式測孔儀、激光式測孔儀和內窺式測孔儀。

 

 

                                圖7  自鎖錨桿成套產(chǎn)品

 

 

      2016年巨成聯(lián)合湖北省的六家單位編制了《巖石與混凝土自鎖錨固技術(shù)規程》（DB42/T 1488-2018）。2018年又聯(lián)合全國20個(gè)省市，涵蓋建筑幾乎所有行業(yè)的33家單位編制了CECS《擴孔自鎖錨固技術(shù)規程》（T/CECS 831-2021）。

        獲得院士和設計大師等組成的成果評價(jià)委員會(huì )評價(jià)：“該成果總體達到國際領(lǐng)先水平”。

 

 

圖8  擴孔自鎖錨固技術(shù)規程標準

圖9  成果評價(jià)

 

5 典型工程

      目前采用自鎖錨桿的大型工程超過(guò)1000項，在混凝土錨固工程中比較典型的應用有：

5.1天荒坪抽水蓄能電站廊道改造工程

     本工程于1999年施工，主要內容為廊道襯砌包鋼加固。該工程是巨成核心專(zhuān)利技術(shù)——擴孔自鎖錨固技術(shù)的首次應用，解決了化學(xué)植筋不耐水、結構膠在潮濕環(huán)境下粘接力不足的問(wèn)題，共計使用4.6萬(wàn)支

 

 

 

5.2 豐城電廠(chǎng)冷卻塔加固

     2016年11月24日7時(shí)許，江西豐城一電廠(chǎng)的在建冷卻塔發(fā)生一起特大事故，事故造成74人死亡，2人受傷。事發(fā)地位于江西豐城，在建的是裝機容量為2×1000兆瓦火力發(fā)電機組配套的一座冷卻塔。該冷卻塔設計高度165米，已經(jīng)建成70余米。事故發(fā)生后，項目一度停滯，一直到2000年才重新啟動(dòng)，但前提條件是，要對原先出事故的冷卻塔進(jìn)行加固設計和加固施工后才能繼續向上建造。

     本工程于2020年開(kāi)始施工，2021年6月完工，主要內容為筒壁加大截面加固施工，在高空鋼平臺錨固、模板錨固及鋼筋網(wǎng)拉錨等重要部位應用了大量的自鎖錨桿，保證了高空施工平臺結構受力安全及新建結構的耐久性要求，共計使用6.6萬(wàn)支。

 

 

5.3 深圳東江水源隧道加固工程

      東江水源是深圳的生命線(xiàn)，2021年恰逢?yáng)|江水源工程通水20周年，在3月8日~4月6日停水檢修期間，巨成結構承擔了長(cháng)嶺陂隧洞、碧嶺隧洞、布吉壓力隧洞段的加固工作，加固總長(cháng)度近600米，是一場(chǎng)大規模會(huì )戰！巨成結構投入管理人員20名，工人600人，購買(mǎi)鋼材約600噸，按期圓滿(mǎn)完成了搶修任務(wù)，獲得“應急搶險鐵軍”美譽(yù)！

 

5.4 武廣客運專(zhuān)線(xiàn)某隧道軌道底板上浮應急處理工程

     2009年8月，武廣高鐵開(kāi)通在即，連續多日的暴雨致使地下水位持續上升，造成高鐵軌道板上浮變形，關(guān)鍵時(shí)刻巨成受令，36小時(shí)內在200m長(cháng)軌道板范圍安裝預應力自鎖錨桿2000余根，應用獨有的專(zhuān)利技術(shù)完美解決了本次險情，解決國家重大工程問(wèn)題，社會(huì )效益顯著(zhù)！

 

 

 

5.5 丹江口大壩加高加固工程

     在丹江口大壩加高過(guò)程中，加高部分與原有結構之間會(huì )產(chǎn)生水平層間縫。為使層間縫處始終處于受壓狀態(tài)，考慮對初期閘墩施加豎向預壓應力，通過(guò)預應力加固，提高閘墩的整體性和耐久性。

      水工建筑物剛度大，水平層間縫加固處理過(guò)程中施加預應力噸位大，預應力錨固端端頭應力水平高，研發(fā)了多層擴孔自鎖錨桿技術(shù)。錨固段為采用3層擴孔形成機械咬合以及灌漿料的粘結來(lái)提供錨固力。

 

        在巖石錨固工程中，比較代表性的工程項目有：

5.6地下室抗浮工程

      擴孔自鎖錨固技術(shù)在巖石中應用的最廣泛的就是地下室抗浮工程，累計抗浮錨桿工程案例超過(guò)100項，使用自鎖錨桿價(jià)值超3億元。

 

      與傳統抗浮樁相比具有以下優(yōu)勢：                                                        

       1、錨固可靠；

       2、工期短：(1)“零工期”（漢陽(yáng)萬(wàn)達廣場(chǎng)抗浮錨桿項目）

                          (2) 在工期特別緊張的條件下，可以先施工完地下室，預留孔洞后施工錨桿；

       3、節約造價(jià)：至少節約30%以上，且巖石埋深越淺，節約的費用比例越大。

5.7極端天氣下的應用

      南極科考隊擬在南極建造營(yíng)房及觀(guān)測點(diǎn)，但此處風(fēng)力最高超過(guò)12級，極端最低溫度達到零下90攝氏度，水在這種情況下無(wú)法使用，無(wú)法采用有機或無(wú)機膠粘材料提供錨固力，因此如何保證在大風(fēng)作用下建筑物不傾覆就是個(gè)技術(shù)難題，擴孔自鎖錨桿可以穿透冰層，將建筑物牢牢錨固在基巖上，有效解決了此難題。

 

  

      擴孔自鎖錨固技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品在上述工程中的應用，不僅確保了結構使用中的安全可靠以及耐久性，而且節約了工期，降低了造價(jià)。