我国西部山区地质条件复杂,各种地质灾害频繁发生,严重威胁到人民生命财产和重要基础设施的安全。预应力锚固技术作为提高岩土工程稳定性和解决复杂岩土工程问题最经济有效的方法之一,在地质灾害快速处置过程中发挥了十分重要的作用,但也暴露出了一些不足。其中,高强预应力锚索的快速施工与监测预警是关键性技术问题。以地质灾害快速处置过程中的预应力锚固为工程研究背景,采用理论分析、试验研究与仿真分析相结合的研究方法,对预应力锚索快速施工与监测预警开展较系统的研究。首先,对高强预应力锚索的锚固性能进行试验研究。然后,开发研究适于高强预应力锚索快速钻进成孔的潜孔锤偏心跟管钻具及其配套技术体系,并采用ANSYS Workbench 12.0软件对潜孔锤偏心跟管钻具进行计算机仿真分析。最后,研究开发具有多路预应力实时监测、数据储存、远传、处理和超限报警功能的预应力锚索智能遥测系统,实现锚索预应力监测预警自动化。所获得的研究成果应用于现场实际工程,并就存在的问题和不足进行优化和完善。以理论为基础,以工程应用为目的,构成了高强预应力锚索快速施工与智能监测预警研究比较完整的理论与实践体系。主要研究成果体现在以下几个方面:(1)开展高强预应力锚索的锚固性能试验研究。收集国内外主要的高强预应力锚固技术体系相关资料,研究主要生产厂家高强预应力锚固技术体系的结构形式、应用领域、使用情况等,并对高强预应力锚固技术体系在地质灾害防治中的应用情况进行分析;针对2000MPa级高强预应力锚固技术体系开展相关的锚固体系承载力试验,钢绞线在不同应力状态下的耐腐蚀性能试验,以及锚索锚固段钢绞线应力分布试验。研究锚固体系的结构性能、耐腐蚀性及应力变化等;开展现场试验工作,获取高强预应力锚索的性能参数,对高强预应力锚索在地质灾害治理工程中应用的适宜性、优越性进行分析研究。(2)开展潜孔锤偏心跟管钻具设计及配套技术研究。结合地质灾害快速治理对高强预应力锚索锚固的快速成孔需求,分析潜孔锤偏心跟管钻具的工作原理,对钻具结构进行优化设计。在此基础上,对钻具材料选择及热处理工艺、配套机具、钻进设备及器具的选型配套、钻进工艺等开展较系统的研究。研制了新型潜孔锤偏心跟管钻具,通过对钻具应力分析,结合计算和模拟现场施工情况,采取了加厚、增大圆弧等方法对偏心跟管钻具改进结构设计,有效地消除了局部应力过大现象,达到了优化跟管钻具结构的目的。同时对钻具原材料的优选和设计合理的热处理工艺,使钻具的寿命得到提高。通过研究跟管钻进辅助机具,对原有的套管靴结构进行改进,从而提高套管靴的使用寿命。此外,根据研制的新型潜孔锤跟管钻具的特点,优化了钻机、空压机、钻杆、潜孔锤等设备器具的选型配套,提高了钻具综合能力。(3)开展潜孔锤偏心跟管钻具的计算机仿真分析。采用ANSYS Workbench12.0有限元数值模拟分析软件,分别从复合偏心钻头和导正器模型分析--导正器、复合偏心钻头和套管模型分析--导正器、复合偏心钻头和套管模型与岩土模型相互作用分析三个步骤对偏心跟管钻具进行计算机仿真分析。从复合偏心钻具接触配合结果来看,钻压和冲击载荷对导正器和复合偏心钻头应力影响较小,而侧向岩土顶推力对导正器和复合偏心钻头应力影响大;中间小台阶造成局部应力集中,该位置是复合偏心钻头和导正器的应力危险位置;结构总变形小于0.005mm,塑性变形较小,不会影响接触配合和设备的功能完整性;步骤二中偏心跟管钻具和导正器最大应力和应变出现位置与步骤一计算结果一致。三个部件的变形均控制在0.005mm以内,塑性变形较小,不会影响接触配合和设备的功能完整性;步骤三最大应力出现位置与步骤一和步骤二计算结果一致,证明步骤一、二对钻具载荷约束情况较为安全、合理。(4)开展预应力锚索智能监测预警系统研究。结合地质灾害治理对高强预应力锚索应力监测预警的迫切现实需求,从新型应变式锚索预应力传感器、多通道智能数据采集装置、数据传输方式、专用数据管理软件、系统调试与计量检定等方面开展了较为系统的研究。研制开发出一套具有数据传输稳定、自动化程度高、可靠性好、适合野外恶劣环境使用的新型长效锚索预应力实时自动遥测系统,具有多路预应力实时监测、数据储存、远传、处理和超限报警等功能。(5)开展现场试验研究。将所研究的潜孔锤偏心跟管钻具及其配套技术分别在大岗山水电站与梨园水电站进行现场试验。试验结果表明,所研究的偏心跟管钻具工作稳定、可靠、寿命长,配套的跟管钻进方法与当前钻进方法相比综合钻进效率提高20-50%。研制的锚索预应力实时自动遥测系统实现了锚索预应力监测预警自动化。仪器技术性能指标满足设计要求。经过1个水文年的现场试验,预应力锚索实时自动遥测系统运转正常,完全满足设计要求。