蔣于波

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072)

1 引 言

隨著基建工程和經(jīng)濟的發(fā)展,越來越多的高埋深、高地應力的地下洞室、隧洞工程得以建造,在這過程中,巖爆已成為這類工程建設過程中的普遍問題[1]。基于巖爆的發(fā)生機制,對巖爆發(fā)生時間的準確預報實際上是不可能的[2]。為保證在巖爆條件下的施工作業(yè)安全、順利進行,勢必需要對巖爆進行相應抑制,事實證明,采用中空漲殼式預應力錨桿實現(xiàn)了臨時支護與永久支護二者的有機結(jié)合,有效地防止了高地應力下的坍塌、巖爆等現(xiàn)象[3]。

目前,中空漲殼式預應力錨桿已廣泛應用于交通、水利、水電等地下工程中,尤其是對于高埋深巖爆洞室及軟弱圍巖工程,已較為成熟、相關經(jīng)驗也較為豐富的支護方式,相關的控制措施和方法也較為完善。但類似工程在使用過程中和使用后,中空漲殼式預應力錨桿的應用效果極少有進行研究和評價的。

本文基于國內(nèi)引漢濟渭引水工程深埋TBM施工隧洞施工采用中空漲殼式預應力錨桿和砂漿錨桿支護案例的對比,簡要介紹了中空漲殼式預應力錨桿的支護原理。主要通過實體試驗,對中空漲殼式預應力錨桿的力學性能、圍巖位移影響、拉拔力等應用效果進行研究,為隧洞在類似條件下的初期支護措施優(yōu)化、動態(tài)設計等提供參考。

2 中空漲殼式預應力錨桿簡介

2.1 概述

中空漲殼式預應力錨桿由漲殼錨固頭、中空錨桿體、墊板和螺母組成,見圖1。除此之外,在錨桿長度較長時還可用鏈接套進行連接。

圖1 中空漲殼式預應力錨桿示意圖

2.2 支護原理

TBM支護施工過程中,中空漲殼式預應力錨桿即時提供的抗剪力、抗拉力,以及錨桿的錨固力使將要滑動的巖塊得以穩(wěn)定,阻止層面的互相錯動,起到圍巖穩(wěn)定的作用。需要注意的是,施工時,錨桿應按與巖層層面垂直的方向設置。

2.3 中空漲殼式預應力錨桿的優(yōu)點

新奧法施工主要依靠圍巖自承能力維持穩(wěn)定[4-5],但要求開挖和支護必須在短時間內(nèi)完成,初期支護必須很快閉合,所以對支護的及時性要求較高,尤其是在軟弱圍巖、強巖爆等地質(zhì)條件下[6-8]。

傳統(tǒng)的砂漿錨桿支護措施,主要是依靠水泥砂漿凝固后對錨桿產(chǎn)生的握裹力,對圍巖變形進行抑制,但由于水泥砂漿凝固達到要求的強度是需要較長時間的,在此期間圍巖存在失穩(wěn)風險,存在較大安全隱患。而中空漲殼式預應力錨桿則能夠在安裝完成后,由于預應力的存在,可以即時起效,所以能夠及時地提供支護抗力,大大減小圍巖的松弛位移,減輕了圍巖的坍塌變形;同時,中空漲殼式預應力錨桿具有較大的延伸率,不會使錨桿發(fā)生斷裂,而是與圍巖的收斂同步變形。錨桿注漿將中空桿體及圍巖黏結(jié)成為整體,密實的漿液結(jié)實體使錨桿、圍巖的應力傳遞更為緊密,基本達到同步傳遞的效果。

中空漲殼式預應力錨桿主要強調(diào)的是快速提供圍巖約束力,但由于其是為中空材質(zhì),所以在初期強度、初期對圍巖的位移影響以及拉拔方面,較傳統(tǒng)的砂漿錨桿有一定差異,但在錨固后,通過及時地對中空桿體及錨桿孔進行注漿后,能夠達到傳統(tǒng)砂漿錨桿的效用,其初期起效快,是砂漿錨桿所不具備的特性和優(yōu)點。

3 應用效果研究

3.1 力學性能試驗

中空漲殼式預應力錨桿的力學性能試驗主要目的是檢測錨桿的屈服力、最大折損力和斷后伸長率。本次檢驗的錨桿生產(chǎn)廠家為杭州某工程材料有限公司,由國內(nèi)某大型引水工程項目經(jīng)理部中心試驗室完成。

在試驗過程中,分別對同樣直徑(25mm)、同樣壁厚(5mm)的3種錨桿長度(第一組3.0m、第二組3.5m、第三組2.5m)中空漲殼式預應力錨桿的力學性能進行對比試驗,一組對比的7mm錨桿壁厚與5mm錨桿壁厚的中空錨桿力學性能試驗和一組砂漿錨桿參照對比試驗,試驗室檢測結(jié)果見表1～表5。

表1 中空錨桿力學性能檢測試驗結(jié)果(一)

表2 中空錨桿力學性能檢測試驗結(jié)果(二)

表3 中空錨桿力學性能檢測試驗結(jié)果(三)

表4 中空錨桿力學性能檢測試驗結(jié)果(四)

表5 砂漿錨桿力學性能檢測試驗結(jié)果(五)

通過上述試驗結(jié)果,并對試驗結(jié)果進行分析,可得出下列結(jié)論:

a.砂漿錨桿的最大折斷力和斷后伸長率明顯高于中空錨桿,這一點是由于砂漿錨桿和中空錨桿的結(jié)構(gòu)決定的,砂漿錨桿由直徑22mm的HRB400E普通熱軋帶肋鋼筋制作而成,而中空錨桿則由中間為空心結(jié)構(gòu)的鋼筋錨桿特制而成,同樣長度的兩種錨桿,砂漿錨桿是實心的。在中空預應力錨桿的支護過程中,由于通過施加預應力而提高錨桿支護的初始強度,可以避免錨桿在支護過程中因支護應力不足而出現(xiàn)屈服變形的情況。

b.隨著中空錨桿長度的增加,屈服力與最大折斷力不斷減小,而斷后伸長率變化不大且略有增大。這也是由鋼件材料的性能決定的。由此帶來的好處是,隨著錨桿長度的增加能抵御彎曲變形的性能有小幅度的增加。

3.2 錨桿支護圍巖位移影響試驗

相較于傳統(tǒng)的砂漿錨桿,此次試驗為了研究分析中空漲殼式預應力錨桿預應力對硬巖隧洞開挖過后位移的影響,以預應力為唯一變量,錨桿間距取1m梅花形布置,錨桿長度為4m,分別對比砂漿錨桿支護和中空預應力錨桿支護2種工況,監(jiān)測開挖過程中拱頂、拱肩、邊墻3個特征點豎向和水平位移,試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6和表7,并得到不同預應力與位移的關系,見圖2和圖3。

表6 砂漿錨桿支護圍巖位移變化數(shù)據(jù)

表7 中空漲殼式預應力錨桿支護圍巖位移變化數(shù)據(jù)

圖2 砂漿錨桿支護圍巖位移變化折線圖

圖3 中空漲殼式預應力錨桿支護圍巖位移變化折線圖

通過試驗數(shù)據(jù),經(jīng)過分析,可知:

a.隨著錨桿支護預應力的增強,拱頂?shù)呢Q向位移不斷減小,由于數(shù)據(jù)范圍變化不大,可以看作近似線性的變化關系,證明在中空漲殼式預應力錨桿支護的過程中,預應力的增強能夠控制拱頂圍巖豎向變形。

b.隨著錨桿支護預應力的增強,拱肩的豎向位移不斷減小,由于數(shù)據(jù)范圍變化不大,可以看作近似線性的變化關系,證明在中空漲殼式預應力錨桿支護的過程中,預應力的增強能夠控制拱肩圍巖豎向變形。

c.隨著錨桿支護預應力的增強,拱肩的橫向位移不斷減小(其中40kN時出現(xiàn)“跳躍現(xiàn)象”,應為數(shù)據(jù)誤差所致),由于數(shù)據(jù)范圍變化不大,可以看作近似線性的變化關系,證明在中空漲殼式預應力錨桿支護的過程中,預應力的增強能夠控制拱肩圍巖橫向變形。

3.3 錨桿拉拔試驗

針對中空漲殼式預應力錨桿的拉拔試驗,先后在隧洞內(nèi)進行了三組現(xiàn)場實體試驗,試驗結(jié)果見表8。

表8 中空漲殼式預應力錨桿拉拔試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表8可以看出,相較于傳統(tǒng)的砂漿錨桿的拉拔力(直徑22mm、長5m的砂漿錨桿在試驗室測量值一般在122～130kN之間,這是試驗室平時記錄數(shù)據(jù))[9],預應力錨桿的拉拔力有所減小。

根據(jù)錨桿拉拔試驗理論,錨桿拉拔力與錨桿支護反力有正相關關系。由此可知:在錨桿支護中預應力錨桿相較砂漿錨桿支護反力更小,則圍巖應力更大。

根據(jù)隧洞穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)分析相關理論[10],錨桿支護中錨固力越大,圍巖塑性變形圈的半徑越小,圍巖支護穩(wěn)定系數(shù)越高,當圍巖塑性圈的半徑小到最小值為0時,此時圍巖穩(wěn)定性系數(shù)最高,這也是在周圍巖體應力穩(wěn)定的情況下最佳的開挖支護方案。

4 應用效果研究總結(jié)

通過對中空漲殼式預應力錨桿在工程中的實際應用效果進行真實的試驗測試,說明其材料力學性能指標優(yōu)于特殊工藝,較傳統(tǒng)的砂漿錨桿力學性能有一定降低,但由于其能夠快速施工,并通過施加預應力來向圍巖提供約束力,阻止圍巖位移、變形是客觀有效的,從而為地下洞室在巖爆、軟弱滑層等地質(zhì)條件下的應對措施、設計優(yōu)化提供了進一步的依據(jù)。

另外,在中空漲殼式預應力錨桿的應用效果研究過程中,還有其他需要總結(jié)和不足的地方,有待進一步研究,主要是:

a.在施加預應力方面:由于試驗作業(yè)洞段埋深大、地應力高,屬于巖爆區(qū)域,出于安全考慮和采用的風動扳手加力有限,施加的預應力相對較小,造成結(jié)果的可參考性相對有限,對試驗結(jié)果或有一定影響,在今后的試驗中會考慮采用大型號風動扳手進行加力。

b.在注漿方面:在試驗過程中,由于預應力施加完成后須迅速注漿達到注漿強度,否則會發(fā)生滯后性巖爆,出于安全考慮采用活塞式注漿泵使注漿壓力不足,造成結(jié)果的可參考性相對有限,下階段考慮更換為螺旋式注漿泵,以提高效率。