巨成科技月报道之05——扩孔自锁锚固产品的研发历程
1、研究背景
二十世纪九十年代以前，许多国家和地区在各类工程中先后使用了大量的锚固技术，主要用于加固混凝土梁柱、岩石边坡稳定等工程。同时，在不同的工况下，相应的有许多种类的锚杆供施工人员使用，如钢筋锚杆、高强合金钢筋、预应力束、合金螺杆等，其共同的特点是采用水泥砂浆或有机材料填充。九十年代后，有机材料成为了后锚固的主要填充材料，尤其是树脂类填充料发展迅速，进入到二十一世纪后，随着化学植筋技术的迅猛发展，树脂类粘接材料快速占领了国内及国际市场。但是由于有机材料自身的缺陷，即耐高温耐腐蚀能力差、高湿环境下粘接效果差，耐久性一般为30年，故化学植筋技术应用于设计使用寿命更久的建筑结构工程中，必然会存在一定的安全隐患。
针对国内外锚固技术在实际应用与项目实践过程中的问题，武汉大学在结构加固设计与研究的基础上，联合有着二十余年工程结构加固实践经验的武大巨成结构股份有限公司，组成了以周剑波教授、高作平教授以及陈明祥教授为核心的项目组，对岩石与混凝土扩孔自锁锚固技术进行深入地研究。
扩孔自锁锚固技术由巨成周剑波教授原创，1999年第一项专利诞生。武汉大学教授团队经过二十年的潜心研发与应用，专利达100多项。2018年12月8日，巨成周氏自锁锚固产品正式向社会发布。
图1 扩孔自锁锚杆标准化产品示意图
2 原理介绍
常规粘结式锚固即我们常说的化学植筋，是一项从国外传进国内的技术，由于其施工工艺简单，很快风靡全世界，至今已有二三十年；但由于其完全依靠胶体的粘结力提供锚固力，因此规范《混凝土结构加固设计规范》GB50367对其使用的要求是温度不得高于60℃、湿度不得大于75%、耐久性不得超过30年。
化学植筋的工艺是在一个直孔中灌入植筋环氧基胶，再植入钢筋，当48小时后植筋胶完全固化，只要植入的深度符合设计要求就可以将钢筋拔断，从而可以让植入钢筋发挥全部的结构性作用。
化学植筋的原理是利用植筋胶固化后的高强度将混凝土孔壁与钢筋胶结固化成一个整体，只要植入钢筋的深度满足某个临界深度的要求，这种胶结固化力就可以大于钢筋的强度，从而使植入的钢筋能够发挥钢筋强度的作用。
化学植筋有三种典型的破坏模式：分别是拉剪破坏、滑移破坏和强度破坏。
图2 化学植筋的三种破坏形式
扩孔自锁锚固可以彻底解决上述问题，该技术核心机理是通过底部扩孔形成机械咬合提供锚固力，同时利用注入的高强无收缩水泥基注浆材料对杆体进行保护，并将被锚固体与自锁锚杆粘结成整体，从而形成一个较为完整的自锁锚固体系。
扩孔自锁锚固技术的工艺是先钻直孔，再使用扩孔钻头在孔底扩孔，然后注入无机注浆料，再将自锁锚杆插入孔中，通过加压或冲击使锚杆在孔底张开形成机械自锁。
扩孔自锁锚固技术的原理是利用孔底的扩大孔，通过锚杆底部安装的楔块使锚杆底部形成扩大头，而且这个扩大头的张开角度与扩孔钻头扩出的扩大孔的角度完全吻合，从而形成锚杆底部的扩大头与扩成的孔形成完美的机械咬合。再加上专用无机注浆料的填充机械咬合之间的缝隙，使孔底形成一个扩孔自锁的完整体系，从而形成使钢筋拔断的锚固力而孔底的机械自锁体系纹丝不动，如图3所示。
图3 扩孔自锁原理和工艺
图4 扩孔自锁锚固的两种破坏形式
运用扩孔自锁锚固技术进行植筋时，只出现了两种破坏模式：即拉剪破坏和强度破坏。
特别要指出的是，扩孔自锁锚固技术植筋时，没有出现滑移破坏，原因是孔底的机械自锁扩大头阻止了滑移破坏。扩孔自锁锚固技术只有两种破坏模式比化学植筋技术少一种破坏模式，因此扩孔自锁锚固技术是一种更可靠的植筋技术。
3试验研究
二十年以来，巨成教授团队率领巨成研究院和历届的博士与硕士研究生做了上万根扩孔自锁锚杆试验，得到结论：只要杆体材料延伸率大于百分之十四，专用无机注浆料弹性模量大于31.5GPa，注浆材料只需注入六倍锚杆直径的深度，就可以将锚杆拔断。
图5 自锁锚杆试验研究
该试验结果说明：扩孔自锁锚固技术用于植筋时，无论在岩石与混凝土中，扩大头部分都可以提供百分之百将钢筋拔断的能力。
图6 自锁锚杆锚头承载力试验
4 产品及标准
巨成不仅开发了扩孔自锁锚固产品，还同时开发了安装机具，包括扩孔钻头、拌注一体机、安装器等，也开发了关键检测设备、机械式测孔仪、激光式测孔仪和内窥式测孔仪。
图7 自锁锚杆成套产品
2016年巨成联合湖北省的六家单位编制了《岩石与混凝土自锁锚固技术规程》（DB42/T 1488-2018）。2018年又联合全国20个省市，涵盖建筑几乎所有行业的33家单位编制了CECS《扩孔自锁锚固技术规程》（T/CECS 831-2021）。
获得院士和设计大师等组成的成果评价委员会评价：“该成果总体达到国际领先水平”。
图8 扩孔自锁锚固技术规程标准
图9 成果评价
5 典型工程
目前采用自锁锚杆的大型工程超过1000项，在混凝土锚固工程中比较典型的应用有：
5.1天荒坪抽水蓄能电站廊道改造工程
本工程于1999年施工，主要内容为廊道衬砌包钢加固。该工程是巨成核心专利技术——扩孔自锁锚固技术的首次应用，解决了化学植筋不耐水、结构胶在潮湿环境下粘接力不足的问题，共计使用4.6万支
5.2 丰城电厂冷却塔加固
2016年11月24日7时许，江西丰城一电厂的在建冷却塔发生一起特大事故，事故造成74人死亡，2人受伤。事发地位于江西丰城，在建的是装机容量为2×1000兆瓦火力发电机组配套的一座冷却塔。该冷却塔设计高度165米，已经建成70余米。事故发生后，项目一度停滞，一直到2000年才重新启动，但前提条件是，要对原先出事故的冷却塔进行加固设计和加固施工后才能继续向上建造。
本工程于2020年开始施工，2021年6月完工，主要内容为筒壁加大截面加固施工，在高空钢平台锚固、模板锚固及钢筋网拉锚等重要部位应用了大量的自锁锚杆，保证了高空施工平台结构受力安全及新建结构的耐久性要求，共计使用6.6万支。
5.3 深圳东江水源隧道加固工程
东江水源是深圳的生命线，2021年恰逢东江水源工程通水20周年，在3月8日~4月6日停水检修期间，巨成结构承担了长岭陂隧洞、碧岭隧洞、布吉压力隧洞段的加固工作，加固总长度近600米，是一场大规模会战！巨成结构投入管理人员20名，工人600人，购买钢材约600吨，按期圆满完成了抢修任务，获得“应急抢险铁军”美誉！
5.4 武广客运专线某隧道轨道底板上浮应急处理工程
2009年8月，武广高铁开通在即，连续多日的暴雨致使地下水位持续上升，造成高铁轨道板上浮变形，关键时刻巨成受令，36小时内在200m长轨道板范围安装预应力自锁锚杆2000余根，应用独有的专利技术完美解决了本次险情，解决国家重大工程问题，社会效益显著！
5.5 丹江口大坝加高加固工程
在丹江口大坝加高过程中，加高部分与原有结构之间会产生水平层间缝。为使层间缝处始终处于受压状态，考虑对初期闸墩施加竖向预压应力，通过预应力加固，提高闸墩的整体性和耐久性。
水工建筑物刚度大，水平层间缝加固处理过程中施加预应力吨位大，预应力锚固端端头应力水平高，研发了多层扩孔自锁锚杆技术。锚固段为采用3层扩孔形成机械咬合以及灌浆料的粘结来提供锚固力。
在岩石锚固工程中，比较代表性的工程项目有：
5.6地下室抗浮工程
扩孔自锁锚固技术在岩石中应用的最广泛的就是地下室抗浮工程，累计抗浮锚杆工程案例超过100项，使用自锁锚杆价值超3亿元。
与传统抗浮桩相比具有以下优势：
1、锚固可靠；
2、工期短：(1)“零工期”（汉阳万达广场抗浮锚杆项目）
(2) 在工期特别紧张的条件下，可以先施工完地下室，预留孔洞后施工锚杆；
3、节约造价：至少节约30%以上，且岩石埋深越浅，节约的费用比例越大。
5.7极端天气下的应用
南极科考队拟在南极建造营房及观测点，但此处风力最高超过12级，极端最低温度达到零下90摄氏度，水在这种情况下无法使用，无法采用有机或无机胶粘材料提供锚固力，因此如何保证在大风作用下建筑物不倾覆就是个技术难题，扩孔自锁锚杆可以穿透冰层，将建筑物牢牢锚固在基岩上，有效解决了此难题。
扩孔自锁锚固技术相关产品在上述工程中的应用，不仅确保了结构使用中的安全可靠以及耐久性，而且节约了工期，降低了造价。
