1、研究背景

       二十世紀(jì)九十年代以前，許多國家和地區(qū)在各類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(wěn)定等工程。同時，在不同的工況下，相應(yīng)的有許多種類的錨桿供施工人員使用，如鋼筋錨桿、高強(qiáng)合金鋼筋、預(yù)應(yīng)力束、合金螺桿等，其共同的特點是采用水泥砂漿或有機(jī)材料填充。九十年代后，有機(jī)材料成為了后錨固的主要填充材料，尤其是樹脂類填充料發(fā)展迅速，進(jìn)入到二十一世紀(jì)后，隨著化學(xué)植筋技術(shù)的迅猛發(fā)展，樹脂類粘接材料快速占領(lǐng)了國內(nèi)及國際市場。但是由于有機(jī)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(yīng)用于設(shè)計使用壽命更久的建筑結(jié)構(gòu)工程中，必然會存在一定的安全隱患。

       針對國內(nèi)外錨固技術(shù)在實際應(yīng)用與項目實踐過程中的問題，武漢大學(xué)在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計與研究的基礎(chǔ)上，聯(lián)合有著二十余年工程結(jié)構(gòu)加固實踐經(jīng)驗的武大巨成結(jié)構(gòu)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(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)進(jìn)行深入地研究。

      擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)由巨成周劍波教授原創(chuàng)，1999年第一項專利誕生。武漢大學(xué)教授團(tuán)隊經(jīng)過二十年的潛心研發(fā)與應(yīng)用，專利達(dá)100多項。2018年12月8日，巨成周氏自鎖錨固產(chǎn)品正式向社會發(fā)布。

     

                圖1 擴(kuò)孔自鎖錨桿標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品示意圖

 

2  原理介紹

     常規(guī)粘結(jié)式錨固即我們常說的化學(xué)植筋，是一項從國外傳進(jìn)國內(nèi)的技術(shù)，由于其施工工藝簡單，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(jié)力提供錨固力，因此規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)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30年。

     化學(xué)植筋的工藝是在一個直孔中灌入植筋環(huán)氧基膠，再植入鋼筋，當(dāng)48小時后植筋膠完全固化，只要植入的深度符合設(shè)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(jié)構(gòu)性作用。

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

 

 

圖2  化學(xué)植筋的三種破壞形式

 

     擴(kuò)孔自鎖錨固可以徹底解決上述問題，該技術(shù)核心機(jī)理是通過底部擴(kuò)孔形成機(jī)械咬合提供錨固力，同時利用注入的高強(qiáng)無收縮水泥基注漿材料對桿體進(jìn)行保護(hù)，并將被錨固體與自鎖錨桿粘結(jié)成整體，從而形成一個較為完整的自鎖錨固體系。

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

     擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)的原理是利用孔底的擴(kuò)大孔，通過錨桿底部安裝的楔塊使錨桿底部形成擴(kuò)大頭，而且這個擴(kuò)大頭的張開角度與擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)出的擴(kuò)大孔的角度完全吻合，從而形成錨桿底部的擴(kuò)大頭與擴(kuò)成的孔形成完美的機(jī)械咬合。再加上專用無機(jī)注漿料的填充機(jī)械咬合之間的縫隙，使孔底形成一個擴(kuò)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(jī)械自鎖體系紋絲不動，如圖3所示。

 

圖3  擴(kuò)孔自鎖原理和工藝

 

 

圖4  擴(kuò)孔自鎖錨固的兩種破壞形式

 

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

      特別要指出的是，擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)植筋時，沒有出現(xiàn)滑移破壞，原因是孔底的機(jī)械自鎖擴(kuò)大頭阻止了滑移破壞。擴(kuò)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(kuò)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，巨成教授團(tuán)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根擴(kuò)孔自鎖錨桿試驗，得到結(jié)論：只要桿體材料延伸率大于百分之十四，專用無機(jī)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(jié)果說明：擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)用于植筋時，無論在巖石與混凝土中，擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)

     巨成不僅開發(fā)了擴(kuò)孔自鎖錨固產(chǎn)品，還同時開發(fā)了安裝機(jī)具，包括擴(kuò)孔鉆頭、拌注一體機(jī)、安裝器等，也開發(fā)了關(guān)鍵檢測設(shè)備、機(jī)械式測孔儀、激光式測孔儀和內(nèi)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(guī)程》（DB42/T 1488-2018）。2018年又聯(lián)合全國20個省市，涵蓋建筑幾乎所有行業(yè)的33家單位編制了CECS《擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 831-2021）。

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

 

 

圖8  擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)

圖9  成果評價

 

5 典型工程

      目前采用自鎖錨桿的大型工程超過1000項，在混凝土錨固工程中比較典型的應(yīng)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(nèi)容為廊道襯砌包鋼加固。該工程是巨成核心專利技術(shù)——擴(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)的首次應(yīng)用，解決了化學(xué)植筋不耐水、結(jié)構(gòu)膠在潮濕環(huán)境下粘接力不足的問題，共計使用4.6萬支

 

 

 

5.2 豐城電廠冷卻塔加固

     2016年11月24日7時許，江西豐城一電廠的在建冷卻塔發(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(jī)容量為2×1000兆瓦火力發(fā)電機(jī)組配套的一座冷卻塔。該冷卻塔設(shè)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，但前提條件是，要對原先出事故的冷卻塔進(jìn)行加固設(shè)計和加固施工后才能繼續(xù)向上建造。

     本工程于2020年開始施工，2021年6月完工，主要內(nèi)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(yīng)用了大量的自鎖錨桿，保證了高空施工平臺結(jié)構(gòu)受力安全及新建結(jié)構(gòu)的耐久性要求，共計使用6.6萬支。

 

 

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，2021年恰逢東江水源工程通水20周年，在3月8日~4月6日停水檢修期間，巨成結(jié)構(gòu)承擔(dān)了長嶺陂隧洞、碧嶺隧洞、布吉壓力隧洞段的加固工作，加固總長度近600米，是一場大規(guī)模會戰(zhàn)！巨成結(jié)構(gòu)投入管理人員20名，工人600人，購買鋼材約600噸，按期圓滿完成了搶修任務(wù)，獲得“應(yīng)急搶險鐵軍”美譽！

 

5.4 武廣客運專線某隧道軌道底板上浮應(yīng)急處理工程

     2009年8月，武廣高鐵開通在即，連續(xù)多日的暴雨致使地下水位持續(xù)上升，造成高鐵軌道板上浮變形，關(guān)鍵時刻巨成受令，36小時內(nèi)在200m長軌道板范圍安裝預(yù)應(yīng)力自鎖錨桿2000余根，應(yīng)用獨有的專利技術(shù)完美解決了本次險情，解決國家重大工程問題，社會效益顯著！

 

 

 

5.5 丹江口大壩加高加固工程

     在丹江口大壩加高過程中，加高部分與原有結(jié)構(gòu)之間會產(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(yù)壓應(yīng)力，通過預(yù)應(yīng)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程中施加預(yù)應(yīng)力噸位大，預(yù)應(yīng)力錨固端端頭應(yīng)力水平高，研發(fā)了多層擴(kuò)孔自鎖錨桿技術(shù)。錨固段為采用3層擴(kuò)孔形成機(jī)械咬合以及灌漿料的粘結(jié)來提供錨固力。

 

        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(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)在巖石中應(yīng)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100項，使用自鎖錨桿價值超3億元。

 

      與傳統(tǒng)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”（漢陽萬達(dá)廣場抗浮錨桿項目）

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

       3、節(jié)約造價：至少節(jié)約30%以上，且?guī)r石埋深越淺，節(jié)約的費用比例越大。

5.7極端天氣下的應(yīng)用

      南極科考隊擬在南極建造營房及觀測點，但此處風(fēng)力最高超過12級，極端最低溫度達(dá)到零下90攝氏度，水在這種情況下無法使用，無法采用有機(jī)或無機(jī)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技術(shù)難題，擴(kuò)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(kuò)孔自鎖錨固技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品在上述工程中的應(yīng)用，不僅確保了結(jié)構(gòu)使用中的安全可靠以及耐久性，而且節(jié)約了工期，降低了造價。