漫談礦山法隧道技術(shù)第三講——錨桿

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都　610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第三講——錨桿

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都610031)

摘要：分析我國隧道錨桿支護(hù)技術(shù)中存在的主要問題，包括： 1)沒有實(shí)現(xiàn)商品化； 2)多采用注漿式錨桿，沒有針對不同的圍巖條件采用不同的錨桿； 3)不設(shè)墊板的錨桿比比皆是； 4)錨桿功能單一； 5)錨桿施工管理不到位。針對這些問題： 1)重申了錨桿的功能； 2)認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)錨桿的商品化，首先要求錨桿規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)工廠化，介紹了英國的《錨桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，指出我國也應(yīng)著手編寫《錨桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，以利于錨桿商品化的實(shí)現(xiàn)，或者以一條新鐵路線或以企業(yè)為試點(diǎn)設(shè)置錨桿制備廠； 3)著重介紹了提高錨桿支護(hù)功能的措施——提高附著剛性和剪切剛性、提高錨固材料的充填飽滿度、強(qiáng)化錨桿施工管理； 4)介紹了幾種新型錨桿的構(gòu)造、規(guī)格、功能、優(yōu)點(diǎn)、適用條件等，包括摩擦式錨桿(ZAM膨脹型錨桿、高承載力摩擦式錨桿、具有排水效果和注漿功能的錨桿)和纖維錨桿； 5)介紹了發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)，并將其與通常的軸力量測進(jìn)行對比，結(jié)果大致吻合。最后指出，錨桿的首要問題是加快工廠化(商業(yè)化)進(jìn)程，編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)； 提高錨桿支護(hù)效果要在錨固材料和圍巖2方面下功夫； 針對性地加強(qiáng)對摩擦式錨桿的研究及錨桿充填率評(píng)價(jià)方法的研究也應(yīng)提到日程上來。

關(guān)鍵詞：隧道； 礦山法； 錨桿商品化； 附著強(qiáng)度； 剪切強(qiáng)度； 充填飽滿度； 注漿式錨桿； 摩擦式錨桿； 纖維錨桿； 發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)

0引言

我國用礦山法修建了上萬公里的隧道，但至今還在爭論錨桿在隧道支護(hù)中有無作用，似乎說不過去。在隧道初期支護(hù)中，目前我國的錨桿技術(shù)處于什么狀態(tài)？在山嶺隧道，錨桿支護(hù)技術(shù)存在的主要問題如下。

1)至今錨桿沒有完全實(shí)現(xiàn)商品化。很多場合，還處于作坊式的生產(chǎn)方式。與錨桿有關(guān)的配套構(gòu)件，如墊板等都沒有規(guī)格化。一般來說，商品化是實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化、確保錨桿品質(zhì)的前提條件。

2)不同的圍巖條件，需要不同類型的錨桿予以對應(yīng)。目前我國主要采用注漿式錨桿，而國外在土砂圍巖中，基本上采用摩擦式錨桿，在硬巖中為了對付巖爆也多采用摩擦式錨桿。在國內(nèi)還沒有做到這一點(diǎn)。

3)明明知道，設(shè)不設(shè)墊板對發(fā)揮錨桿的支護(hù)功能具有極大的作用，但不設(shè)墊板的錨桿比比皆是。應(yīng)該說不設(shè)墊板的錨桿不能稱為錨桿，墊板不僅可以控制較大的變形，也可以吸收較大的變形。目前國外開發(fā)的所謂伸縮式錨桿，主要是在墊板上下功夫。

4)錨桿功能的多樣化，是錨桿技術(shù)發(fā)展的主流，如具有排水功能的錨桿、控制大變形的錨桿、提高承載力的錨桿等。

5)對錨桿的施工管理，有待加強(qiáng)。錨桿技術(shù)不到位，特別是管理不到位，亟待改善。

在這樣的條件下評(píng)價(jià)錨桿的功效，是不合適的。在我國大規(guī)模修建高速鐵路的今天，必須充分認(rèn)識(shí)錨桿在隧道支護(hù)中的功能，切實(shí)發(fā)揮錨桿控制圍巖松弛、掉塊的作用，以提高錨桿技術(shù)的水平。

1錨桿功能簡述

錨桿是僅次于噴混凝土，得到迅速發(fā)展的初期支護(hù)構(gòu)件。其功能是毋容置疑的，錨桿既可作為初期支護(hù)使用，也可作為永久支護(hù)構(gòu)件使用。在初期支護(hù)中錨桿與其他構(gòu)件(噴混凝土、鋼架)不同，是唯一從內(nèi)部改善圍巖性質(zhì)的構(gòu)件，也是唯一不需要擴(kuò)展開挖斷面面積的構(gòu)件。錨桿在改善圍巖連續(xù)性的同時(shí)，也增強(qiáng)了圍巖的抗剪強(qiáng)度，提高了圍巖的自支護(hù)能力。錨桿可發(fā)揮的作用是：

1)補(bǔ)償圍巖中存在的力學(xué)上不連續(xù)性缺陷。

2)圍巖受到錨桿的約束，改善了作為連續(xù)體的圍巖的特性，圍巖位移得到抑制。

3)在不能避免過大變形的場合，保持了圍巖作為一體變形的可能性[1]。

4)由于一定的約束力，不會(huì)發(fā)生圍巖急劇破壞等。

因此，目前應(yīng)該討論的是： 如何加強(qiáng)和改善錨桿技術(shù)，提高錨桿的支護(hù)效果，而不是取消錨桿，更不能放棄對錨桿技術(shù)的研究。

2錨桿的商品化問題

錨桿的商品化，首先要求錨桿規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)工廠化。目前在礦山法隧道中，我國對錨桿技術(shù)特性的要求是不明確的。因此，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)山嶺隧道的支護(hù)要求，明確錨桿的基本特性、材料規(guī)格、制造標(biāo)準(zhǔn)和工藝等是十分必要的?，F(xiàn)把英國BS 7861-1—2007《錨桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對鋼錨桿的構(gòu)成、材料、力學(xué)特性等的規(guī)定摘錄如下，以供參考。

1)錨桿的構(gòu)成。見圖1。

圖1　鋼錨桿現(xiàn)場組裝

2)錨桿材料。錨桿桿體用含有碳0.3%(max)、錳1.6%(max)、硫0.05%(max)和磷0.05%的結(jié)構(gòu)鋼制成。

3)錨桿斷面。錨桿桿體應(yīng)具有圓形斷面和帶肋的或線條的形狀[2]。

4)錨桿直徑。錨桿桿體的最小當(dāng)量直徑不小于21.5 mm，桿體最短軸的最小尺寸不小于20 mm。

5)錨桿平直度。平直度應(yīng)在桿體長度的0.4%之內(nèi)。

6)錨桿拉伸特性。拉伸試驗(yàn)時(shí)： ①最小屈服強(qiáng)度必須大于640 MPa； ②每次拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度比屈服強(qiáng)度大20%以上； ③斷裂時(shí)的延伸率最小為18%，最大荷載(Agt)的延伸率最小為8%。

7)錨桿附著強(qiáng)度。在給定附著長度條件下，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)，錨桿/樹脂/圍巖的系統(tǒng)剛性失效荷載不能低于20 kN/mm。

8)錨桿長度。錨桿長度的偏差必須小于±5 mm。按表1在錨桿近端部用顏色標(biāo)志識(shí)別錨桿長度。其他錨桿長度比照表1確定。

9)腐蝕防護(hù)。當(dāng)錨桿要求防腐蝕時(shí)，應(yīng)按照BS EN ISO 1461進(jìn)行鍍鋅，鍍鋅層的最小厚度為85 μm。

表1　錨桿長度的顏色標(biāo)志

10)螺母緊固型式試驗(yàn)。測試時(shí)，螺母緊固設(shè)施的扭矩應(yīng)在以下范圍內(nèi)： 高扭矩在100～185 N·m； 低扭矩在35～80 N·m。

11)半球形墊板測試。測試時(shí)： ①以當(dāng)量直徑和770 MPa應(yīng)力為基礎(chǔ)，在桿體的標(biāo)稱破斷荷載的50%～70%荷載下壓平； ②錨桿、螺母和錐形墊座的容許拉拔力為，在最大拉力或拉拔荷載下，以當(dāng)量直徑和770 MPa應(yīng)力為基礎(chǔ)，桿體的破斷荷載的70%～95%。

12)螺紋拉伸試驗(yàn)。錨桿螺紋部分或螺帽的螺紋，在小于桿體額定斷裂荷載(應(yīng)力為770 MPa，桿體的直徑為當(dāng)量直徑)不發(fā)生失效。

13)剪切試驗(yàn)。錨桿/樹脂系統(tǒng)的抗剪強(qiáng)度至少為640 MPa。

14)附著強(qiáng)度和系統(tǒng)剛性。系統(tǒng)的最小附著強(qiáng)度為130 kN，最小系統(tǒng)剛性(當(dāng)荷載在40～80 kN時(shí))為240 GPa。

對錨固劑(樹脂和膠囊)、玻璃纖維錨桿(GRF)也有類似的規(guī)定。

從英國的規(guī)定可以看出，對錨桿的技術(shù)特性的要求是比較嚴(yán)格的。

首先，在現(xiàn)行的有關(guān)錨桿的技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外錨桿支護(hù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，首先著手編寫“錨桿行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，應(yīng)該提到日程上來，以利于錨桿商品化的實(shí)現(xiàn)。

其次，在沒有實(shí)現(xiàn)錨桿商品化之前，是否可以在一條新線(或者企業(yè)自身)集中設(shè)置錨桿制備廠，按照設(shè)計(jì)要求制作錨桿及其配件，分散供應(yīng)所屬隧道現(xiàn)場，改變目前作坊式的生產(chǎn)方式，也是一個(gè)可供選擇的解決方案。

3提高錨桿支護(hù)功能的措施

3.1提高錨桿的附著剛性(強(qiáng)度)和剪切剛性(強(qiáng)度)

在山嶺隧道中用的錨桿，按桿體與鉆孔周邊圍巖的接觸狀態(tài)，基本上分為錨桿通過注漿層與圍巖接觸和錨桿直接與圍巖接觸2大類。前者謂之注漿式錨桿，后者謂之摩擦式錨桿。目前主要應(yīng)用前者，后者尚在試驗(yàn)推廣階段。

不論是注漿式錨桿，還是摩擦式錨桿，之所以能夠發(fā)揮其支護(hù)功能和效果，從理論上來說主要是依靠其附著剛性(強(qiáng)度)和剪切剛性(強(qiáng)度)。因此，從工程實(shí)踐上看，如何提高錨桿的附著剛性(強(qiáng)度)和剪切剛性是非常重要的。從實(shí)用角度出發(fā)，提高錨桿的附著特性比提高剪切剛性更為重要。這里所謂的附著剛性和剪切剛性的概念如下。

附著剛性Sbond可以用拉拔試驗(yàn)予以掌握，意思是單位長度的附著力。相當(dāng)于單位錨固長度在附著失效前能夠承受的拉伸荷載。目前是根據(jù)拉拔試驗(yàn)中拉拔時(shí)的屈服荷載除以有效錨固長度求出。根據(jù)異形棒鋼D25的室內(nèi)試驗(yàn)，推定附著剛性

Sbond=π(d+2t)τpeak。

(1)

式中：d為錨桿外徑；t為錨固材料厚度；τpeak為錨固材料的最大抗剪強(qiáng)度，圍巖和錨固材料的單軸抗壓強(qiáng)度中取小者。

錨固材料的剪切剛性Kbond用錨固材料的剪切變形評(píng)價(jià)。

(2)

式中Gg為錨固材料的剪切彈性系數(shù)。

注漿式錨桿是采用最多的錨桿。錨桿的錨固力，必須從錨桿本身與錨固材料之間的附著力以及錨固材料與圍巖之間的附著力2方面進(jìn)行研究。其中，對于錨桿和錨固材料之間的附著力，若采用一般材料，可以說能得到基本滿意的結(jié)果。但是，對于錨固材料和圍巖之間的附著力，有時(shí)因錨固材料的材質(zhì)和圍巖條件的原因而得不到充分的附著力，致使拉拔承載力降低，需要加以注意。

日本對不同類型和不同錨固材料的錨桿進(jìn)行了比較詳細(xì)的試驗(yàn)研究，取得的結(jié)果值得參考。

試驗(yàn)采用的11種錨桿見表2，包括普通強(qiáng)度的螺紋棒鋼和套螺紋鋼筋錨桿以及高強(qiáng)度鋼錨桿和纖維錨桿等。包括屈服承載力130 kN的鋼錨桿(N01—N02)和屈服承載力200 kN以上的高承載力鋼錨桿(N03—N06)。這些錨桿具有螺紋、竹節(jié)等不同的表面形狀，除中空的鋼錨桿N06以外，都是實(shí)心的。錨桿的直徑D通常為19～25 mm。

為了評(píng)價(jià)FRP錨桿的附著強(qiáng)度，采用玻璃纖維(GFRP)錨桿、碳纖維(CFRP)錨桿和樹脂(AFRP)錨桿進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)研究。其中玻璃纖維錨桿的直徑采用25～27 mm，與鋼錨桿相同。其他2種錨桿的直徑都采用14.7 mm。N09玻璃纖維錨桿與N06鋼錨桿同樣是中空的。

試驗(yàn)以日本公路隧道圍巖分級(jí)中CⅠ級(jí)圍巖(相當(dāng)于國內(nèi)的Ⅲ—Ⅵ級(jí)圍巖)為對象，試驗(yàn)條件如下。

1)采用材齡28 d抗壓強(qiáng)度40 MPa的混凝土作為模擬圍巖。

2)為了研究錨固砂漿強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)的影響，采用了普通硅酸鹽水泥(OPC)和早強(qiáng)硅酸鹽水泥(HPC)。錨固砂漿材齡3、6、12、24、72 h各進(jìn)行3根錨桿的試驗(yàn)。在一部分試驗(yàn)中，進(jìn)行了不同錨固砂漿的試驗(yàn)。

3)采用中空液壓千斤頂(容量700 kN)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

從上述試驗(yàn)及工程實(shí)踐得到以下結(jié)果：

1)異形棒鋼或帶有竹節(jié)形狀的錨桿，附著強(qiáng)度比其他類型錨桿附著強(qiáng)度大，說明錨桿表面形狀對附著強(qiáng)度影響很大。從提高錨桿品質(zhì)的研究成果來看，異形鋼筋與平滑鋼筋的抗剪承載力相差2倍以上，采用異形鋼筋能夠改善錨桿的附著特性。

2)采用普通硅酸鹽水泥(OPC)的錨固材料和采用早強(qiáng)硅酸鹽水泥(HPC)的錨桿材料比較，后者的附著強(qiáng)度在初期(12 h)比前者大約1倍，初期的支護(hù)作用明顯。

表2　錨桿的規(guī)格

注： GFRP錨桿的屈服荷載欄()內(nèi)表示螺紋構(gòu)件的破壞荷載，斷裂荷載表示母材的斷裂荷載。

3)樹脂錨固與圍巖的附著強(qiáng)度比砂漿錨固的大。

4)玻璃纖維錨桿和金屬錨桿的附著強(qiáng)度相差不大，前者有代替后者的趨勢。

5)一般來說，錨桿的附著強(qiáng)度，視圍巖條件和錨桿材料，在28～72 h達(dá)到最大值，錨桿不宜緊靠掌子面施設(shè)。

6)提高錨固砂漿的抗壓強(qiáng)度，也能夠提高錨固的附著強(qiáng)度，故對錨固材料的抗壓強(qiáng)度應(yīng)有較高的要求。日本規(guī)定錨固砂漿的強(qiáng)度應(yīng)在10 MPa以上。

7)適當(dāng)增加錨桿的直徑，對提高附著強(qiáng)度是有利的。目前為了提高錨桿的直徑，多采用中空錨桿，也出現(xiàn)了采用鋼管(表面設(shè)突起或壓制成波紋狀等)的趨勢。

3.2提高錨固材料充填的飽滿度

在礦山法隧道施工中，全長注漿式錨桿得到了廣泛的應(yīng)用。其錨固力(或附著強(qiáng)度)基本上取決于錨固材料的充填狀況，如注漿材料、注漿壓力、充填是否飽滿等。錨固材料充填飽滿是重要的因素，若充填不足，會(huì)造成支護(hù)強(qiáng)度不足并影響支護(hù)的長期穩(wěn)定性。為此，日本開發(fā)出用于檢測錨桿注漿充填狀況的裝置(見圖2)[1]。

圖2　裝置外觀

為了驗(yàn)證裝置的可靠性，在室內(nèi)進(jìn)行了不同充填率(完全充填； 前端0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m充填及不充填)； 口部0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 m充填及不充填等)的組合試驗(yàn)，所有組合的發(fā)振頻率設(shè)定為2.18、3.00、3.88 MHz 3種。

圖3是獲得的代表性波形。橫軸為距振動(dòng)子的距離(超聲波傳播速度×反射時(shí)間/2)，縱軸是通過LOG天線的輸出相對振幅。由圖3可知，隨充填率的降低(空隙增加)，在主要的觀測數(shù)據(jù)中微小反射信號(hào)顯著產(chǎn)生亂反射現(xiàn)象。其次，從發(fā)振頻率看，充填率高時(shí)，與頻率無關(guān)，各波形是一定的；而充填率低時(shí)，不同發(fā)振頻率得到的波形是離散的，這說明不同的發(fā)振頻率，超聲波的指向性是不同的，因?yàn)閺母街缑娅@得的反射信號(hào)也產(chǎn)生差異。

該裝置在現(xiàn)場設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)圍巖區(qū)間和涌水區(qū)間分別進(jìn)行了測定。圖4是不同充填率不同區(qū)間測定的波形實(shí)例。圖4(a)是標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間取得的波形，微小反射信號(hào)比較小，與發(fā)振頻率無關(guān)，各波形是一定的。圖4(b)是在涌水區(qū)間取得的波形，微小反射信號(hào)較大，發(fā)振頻率的影響是顯著的。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，圖4(a)判斷充填是良好的，圖4(b)推定充填是不良的。本裝置在現(xiàn)場能夠推定錨固材料的充填狀況，可用于錨桿健全性評(píng)價(jià)。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了多變量解析，提出了由式(3)和圖5的評(píng)價(jià)充填率的方法。

F=C1×f+C2×α+C3×S+C4。

(3)

式中： Ci為根據(jù)多變量解析得到的常數(shù)； F為充填率(預(yù)測值)； f為發(fā)振頻率； α為傾角； S為面積。

圖6為測試評(píng)價(jià)值與實(shí)際值的比較結(jié)果。由圖6可知，測試值與實(shí)際值有些差異，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1%，相關(guān)系數(shù)為0.94，說明評(píng)價(jià)公式是能夠評(píng)價(jià)充填傾向的。

(a) 組合1.1(b) 組合1.4

(a) 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間

圖5　多變量解析采用的變量

圖6　現(xiàn)場充填率的判定

錨桿是否與圍巖密貼主要看錨固材料的充填狀況。實(shí)踐和測試均表明： 不同部位的錨桿注漿質(zhì)量是不同的。一般來說，由于施工條件的不同，處于拱部一定范圍的錨桿，其注漿質(zhì)量比位于側(cè)壁的錨桿差，最好的是底部錨桿。注漿必須采用機(jī)械手進(jìn)行，適當(dāng)提高拱部錨桿的注漿壓力。

3.3強(qiáng)化錨桿施工管理

強(qiáng)化錨桿施工的精細(xì)化管理，是非常重要的。錨桿施工技術(shù)不到位，特別是管理不到位是通病，必須切實(shí)改進(jìn)。

如何進(jìn)行錨固施工的精細(xì)化管理，下面介紹日本《隧道施工管理要領(lǐng)》(2013.7)建議的方法。

首先，要求在施工前提出以下報(bào)告，如表3所示。

報(bào)告中的基準(zhǔn)試驗(yàn)應(yīng)符合表4的規(guī)定。

報(bào)告中的日常管理試驗(yàn)應(yīng)符合表5規(guī)定。

上述建議的方法就是對是否能夠?qū)崿F(xiàn)錨桿功能的施工管理。如果滿足上述管理要求的規(guī)定值，錨桿完全能夠發(fā)揮其支護(hù)的功能。這種管理方法不僅僅是針對錨桿的，對噴混凝土、鋼架以及防水等都有相同的規(guī)定。希望也能制定相應(yīng)的精細(xì)化管理細(xì)則，來不斷提高隧道支護(hù)技術(shù)的水平。

表3　施工前報(bào)告表

表4　基準(zhǔn)試驗(yàn)報(bào)告表

表4(續(xù))

注： *—錨桿屈服點(diǎn)的承載力。

表5　日常管理試驗(yàn)報(bào)告表

注： *—錨桿屈服點(diǎn)的承載力。

4錨桿類型

4.1摩擦式錨桿

摩擦式錨桿不需要用錨固材料進(jìn)行錨固，而是直接利用桿體與圍巖的摩擦力進(jìn)行錨固。施工極為方便，目前有越來越多地被采用的趨勢。

4.1.1ZAM錨桿

作為永久支護(hù)采用耐腐蝕、高強(qiáng)、高延伸率的摩擦式錨桿，稱為ZAM膨脹型錨桿。

4.1.1.1ZAM錨桿的基本構(gòu)造

ZAM錨桿是鋼管膨脹式錨桿，其基本構(gòu)造如圖7所示。

圖7　ZAM錨桿的基本構(gòu)造

該錨桿頭部是一個(gè)與桿體連接的加壓注水裝置。桿體注水加壓前后的形狀如圖8所示。

圖8　注水加壓前后的形狀

桿體日本是用相當(dāng)于SS400規(guī)格的鋼板制作的，2面涂以Zn-6Al-3Mg的防腐蝕涂層(附著量140 g/m2以上)。

錨桿的尾部是密封套管與桿體相連。

4.1.1.2錨桿的規(guī)格

日本采用的ZAM規(guī)格的基本規(guī)格如表6所示。

一般來說，異形管是把外徑54 mm鋼管制成帶凹槽的、外徑36 mm的異形管。

4.1.1.3高壓注水裝置

圖9是用于注水加壓的裝置，可同時(shí)注水加壓5個(gè)錨桿。

4.1.1.4ZAM錨桿與一般的鋼管摩擦式錨桿相比的優(yōu)點(diǎn)

1)通過使用防止鋼管厚度減少的高耐腐蝕性鍍層ZAM(鋅/鋁/鎂合金鍍層)，能大幅度地提高耐腐蝕性能，即提高錨桿的耐久性。

2)使用新材料，鋼管的延伸率可達(dá)20%～35%，可以應(yīng)對圍巖大變形。

3)使用高拉力材料，板厚變薄，質(zhì)量比原來的產(chǎn)品減輕30%，可大幅減輕施工負(fù)擔(dān)。

4)板厚變薄，在加壓作業(yè)時(shí)，可以比原來產(chǎn)品用的水壓低，可以縮短施工時(shí)間。

5)輕量化的便攜式高水壓裝置和多條水管加壓方式的開發(fā)，可以同時(shí)打設(shè)2～5根鋼管，也可以單獨(dú)打設(shè)。

表6　ZAM錨桿的基本規(guī)格

(a)

(b)

6)使用高安全性、高性能的泵，可減少施工時(shí)間。

7)可兼做中空注漿錨桿和排水錨桿，實(shí)現(xiàn)功能多樣化。

8)應(yīng)對巖爆采用摩擦型錨桿是有利的，能夠吸收因過剩應(yīng)力使剝離巖塊飛散的能量。錨桿應(yīng)具有抵抗產(chǎn)生大位移的位移特性，因抑制了急劇的破壞能夠防止破壞的發(fā)展。

4.1.2高承載力摩擦式錨桿[1]

涌水多的情況下以及希望開挖后盡早補(bǔ)強(qiáng)的情況下多采用摩擦式錨桿。但是，由于圍巖狀況、孔壁塌孔等的影響，有時(shí)得不到充分的附著強(qiáng)度。由于附著強(qiáng)度的降低，不能獲得充分的支護(hù)效果，而需增加錨桿長度和根數(shù)，在工期和工費(fèi)上都會(huì)出現(xiàn)問題。

為了改善和解決這個(gè)問題，日本開發(fā)出鋼管表面設(shè)突起紋，以提高附著強(qiáng)度的高承載力摩擦式錨桿。

開發(fā)的高承載力摩擦式錨桿見圖10。高承載力摩擦式錨桿與過去的摩擦式錨桿比較見表7。

圖10　高承載力摩擦式錨桿

Table 7Comparison and contrast between frictional anchor bolt with high load-bearing copacity and conventional anchor bolt

錨桿種類外徑/mm厚度/mm屈服荷載/kN高承載力摩擦式錨桿54(63.5)*2.3180過去的摩擦式錨桿36(54)*2.3191

注： ()*—膨脹后的外徑。

高承載力摩擦式錨桿的附著強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。附著強(qiáng)度因鋼管的附著面積不同，比過去的摩擦式錨桿增大約2倍。而且，高承載力摩擦式錨桿，在附著強(qiáng)度達(dá)到峰值后，沒有降低，而略有增加的趨勢。

原位拉拔試驗(yàn)是在破碎的不均質(zhì)的軟質(zhì)泥巖中進(jìn)行的。該地點(diǎn)附近發(fā)生的拱頂下沉為30～40 mm，凈空位移為50～60 mm。拉拔試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一樣，高承載力摩擦式錨桿比過去的摩擦式錨桿的附著強(qiáng)度增大約2倍，而且高承載力摩擦式錨桿的附著強(qiáng)度在峰值后，沒有降低。因?yàn)槔纬跗诤奢d-位移曲線的傾斜大，與過去的摩擦式錨桿相比較，抑制圍巖擠出的效果也增強(qiáng)。

圖11　附著強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(室內(nèi)試驗(yàn))

圖12　附著強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(原位拉拔試驗(yàn))

Fig. 12In-situ pull-out test for conglutination strength of anchor bolt

4.1.3具有排水效果和注漿功能的錨桿系統(tǒng)[2]

山嶺隧道在地下水位以下進(jìn)行開挖時(shí)，一般都要采用排水鉆孔和降低地下水位等的防治涌水的對策，把周邊圍巖的地下水位降低到能夠確保掌子面的穩(wěn)定，是施工的基本原則。但是在未固結(jié)的砂質(zhì)土和黏性土互層以及低強(qiáng)度的砂巖層中，特別是因地下水的存在而有問題的圍巖中，降低地下水位的方法有時(shí)也難以奏效。

為解決這個(gè)問題，日本以摩擦式錨桿為載體，進(jìn)一步研發(fā)了一種效果好、經(jīng)濟(jì)性也好、具有排水效果和注漿功能的錨桿系統(tǒng)。

此錨桿系統(tǒng)除了具有錨桿的功能外，還具有自然排水和強(qiáng)制排水的效果，同時(shí)具有注漿功能，有可能成為在超前支護(hù)和腳部補(bǔ)強(qiáng)等工序中具有地層補(bǔ)強(qiáng)效果的方法。

新型錨桿系統(tǒng)示意如圖13所示。錨桿系統(tǒng)基本上是由摩擦式錨桿和過濾管構(gòu)成。前者具有止水及遮斷空氣的功能，后者具有排水效果。過去的摩擦式錨桿大多用于應(yīng)對大量涌水和巖爆。錨固方式是利用圍巖和鋼管間的摩擦，鋼管膨脹后可以立即發(fā)揮其效果。而過濾管是采用有孔的PVC管或鋼管，可能有細(xì)顆粒流出，需配置具有過濾功能的過濾網(wǎng)。

圖13　新型錨桿系統(tǒng)示意圖

為使膨脹后的鋼管確實(shí)與圍巖密貼以及從圍巖中排水或向圍巖注漿，在摩擦式錨桿的端部設(shè)置一個(gè)爆裂錐。爆裂錐能夠承受鋼管膨脹完成時(shí)施加的壓力，超過施加的壓力后就能確實(shí)破壞。爆裂錐設(shè)置在栓塞部的前端，鋼管膨脹完成后具有封堵作用，還具有爆裂錐破壞后使濾網(wǎng)與栓塞部聯(lián)通的作用，是錨桿系統(tǒng)的最重要的構(gòu)成要素。

錨桿的基本長度是4 m，根據(jù)功能及施工條件不同，過濾網(wǎng)部和栓塞部的長度可自由組合。一般來說，過濾部長1～3 m，栓塞部長1～4 m，可根據(jù)功能要求選定。

為了抑制細(xì)顆粒流失，過濾部的孔要設(shè)置過濾材料和不銹鋼金屬網(wǎng)(最小網(wǎng)距0.007 mm)。

排水后，進(jìn)行注漿。在臺(tái)階法施工中，錨桿系統(tǒng)可在上半斷面斜向設(shè)置錨桿而后進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)，也可以用于超前支護(hù)。

4.2纖維錨桿

隧道施工中越來越多地采用纖維錨桿，這不僅是因?yàn)槔w維錨桿的性能可以與金屬錨桿相媲美，更主要的是棒狀或管狀的纖維錨桿在開挖時(shí)容易切斷，在需要進(jìn)行擴(kuò)大開挖的導(dǎo)坑或者掌子面采用的較多。

纖維錨桿是通過把強(qiáng)化纖維和樹脂拉拔成形或擠壓成形而成為一體的錨桿。在要求與金屬錨桿有相同或更大的強(qiáng)度時(shí)，要通過熱硬化性的樹脂拉拔成形制造；在不需要那么高的強(qiáng)度時(shí)，可通過熱可塑性的樹脂擠壓成形制造。

一般來說，隧道所采用的纖維錨桿是拉拔成形的產(chǎn)品。拉拔成形的纖維錨桿的原料有強(qiáng)化纖維(玻璃、碳、聚氨酯、維尼龍等)和樹脂(不飽和聚酯樹脂、乙烯酯、環(huán)氧樹脂等)。

目前，從經(jīng)濟(jì)性上看，作為強(qiáng)化纖維的玻璃纖維大多使用不飽和聚酯樹脂。玻璃以外的強(qiáng)化纖維雖然原料價(jià)格高，但因能得到高強(qiáng)度，所以若是同一強(qiáng)度，則有縮小錨桿直徑的優(yōu)點(diǎn)。另外，樹脂的種類不像纖維那樣影響強(qiáng)度，但若用乙烯酯和環(huán)氧樹脂的話，則有改善強(qiáng)度和耐久性的效果。

纖維錨桿的優(yōu)點(diǎn)如下：

1)無腐蝕之憂，耐久性好。

2)質(zhì)量輕，柔軟性好，施工性好。

3)機(jī)械切割容易。

4)生產(chǎn)工廠化，質(zhì)量均一。

玻璃纖維錨桿和金屬錨桿的力學(xué)性能比較如表8所示。由表8可知，纖維錨桿的重量大約是鋼材的1/4，拉拔強(qiáng)度約為鋼材的2倍。纖維錨桿柔韌性好，剪切強(qiáng)度小，屬易于切斷的材料。

表8玻璃纖維錨桿和金屬錨桿的力學(xué)性能指標(biāo)比較

Table 8Comparison and contrast between fiber-glass anchor bolt and metal anchor bolt in terms of mechanical properties

錨桿種類比重/(kg/m3)拉拔強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa剪切強(qiáng)度/MPa纖維錨桿(玻璃纖維)1.8～2.1590～980690～1180390～590100～180金屬錨桿7.8330～490330～440440370

纖維錨桿的施工，與通常的錨桿相同，用鉆孔臺(tái)車鉆孔后，通過先填充方式(填充式)或后填充方式(注漿式)將錨桿錨固于圍巖。對于作為支護(hù)桿件的纖維錨桿，在壁面端部，用夾緊裝置固定墊板后使用。

采用掌子面錨桿時(shí)，因大多在孔壁不能自穩(wěn)的不良圍巖中施工，此時(shí)，除了在鋼套筒內(nèi)插入纖維錨桿的方法外，還開發(fā)了將套筒本身作為FRB套管保留下來的方法。

表9所示的由玻璃纖維制作的掌子面纖維錨桿，比用其他強(qiáng)化纖維的錨桿便宜，是使用最多的錨桿，但耐堿性低。在打設(shè)纖維錨桿后立即開挖的情況下，作為臨時(shí)支護(hù)使用，沒什么問題，但作為永久性支護(hù)使用時(shí)，就必須注意用其他的強(qiáng)化纖維等。

表9　玻璃纖維錨桿規(guī)格

掌子面纖維錨桿的錨固材料，有水泥類和樹脂類。為了發(fā)揮耐堿性低的玻璃纖維錨桿的長期功能，最好采用樹脂類的錨固材料。

掌子面纖維錨桿，開挖時(shí)容易切斷，一般不能和開挖碴石一起運(yùn)到棄土場進(jìn)行處理。切割后的纖維錨桿需要與開挖碴石分類收集進(jìn)行處理。

日本市場銷售的玻璃纖維錨桿的規(guī)格見表10。

表10玻璃纖維錨桿的桿體構(gòu)造

Table 10Components and application scope of fiber-glass anchor bolt

規(guī)格適用范圍CG22SCG25S中實(shí)型 中實(shí)型的全螺紋GFRP錨桿,可用接頭管接續(xù) 主要用于CD法和超前導(dǎo)坑的系統(tǒng)錨桿CGR32中空型 中空型全螺紋GFRP錨桿,利用中空部注入錨固材料和圍巖注漿材料或用接頭管可接續(xù)施工。由于把樹脂管插入到內(nèi)側(cè),即使加壓注漿,注入材料也不會(huì)逸出 主要用于掌子面補(bǔ)強(qiáng),預(yù)定開挖步的注漿管

5發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)[1]

為了提高錨桿品質(zhì)，在現(xiàn)場易于迅速評(píng)價(jià)其支護(hù)效果，并反饋到施工中而開發(fā)出的新的量測方法——發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)。

到目前為止，為評(píng)價(jià)錨桿動(dòng)態(tài)，幾乎都是采用應(yīng)變計(jì)式的錨桿軸力計(jì)，但存在以下問題。

1)只有量測專業(yè)人員能夠?qū)嵤?/p>

2)增加量測成本，量測地點(diǎn)受到限制。

3)量測結(jié)果在現(xiàn)場不能評(píng)價(jià)(不能進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià))。

發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)由表壓力磁盤(其規(guī)格見表11)和發(fā)光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(LEC)構(gòu)成。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的管理值和發(fā)光顏色對應(yīng)，可以任意設(shè)定。發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)外觀見圖14。

表11　壓力磁盤的規(guī)格

圖14　發(fā)光型簡易錨桿軸力計(jì)的外觀

在室內(nèi)試驗(yàn)中，確認(rèn)了作用在錨桿墊板上的荷載和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)光顏色間的正確對應(yīng)。圖14的右側(cè)是室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的作用荷載和發(fā)光顏色間的關(guān)系。

該設(shè)備首次應(yīng)用于破碎的、不勻質(zhì)的軟質(zhì)泥巖。為確認(rèn)該設(shè)備的適用性和精度，在同一斷面進(jìn)行了通常的軸力計(jì)和本設(shè)備的量測試驗(yàn)。圖15是通常的軸力計(jì)和發(fā)光軸力計(jì)量測獲得的軸力量測值。圖中虛線范圍的值是發(fā)光軸力計(jì)的軸力值。

圖15　錨桿軸力的比較

錨桿軸力歷時(shí)變化如圖16所示。由圖16可知，2種方法獲得的軸力值及其發(fā)生時(shí)期大致是吻合的。

圖16　錨桿軸力歷時(shí)變化

圖17表示左右側(cè)壁設(shè)置該設(shè)備的狀況。左右發(fā)光的顏色不同說明該試驗(yàn)段處于偏壓的狀態(tài)。

圖17　現(xiàn)場測定狀況

6結(jié)束語

錨桿的首要問題是加快促進(jìn)錨桿制品的商業(yè)化進(jìn)程，或者說加快工廠化制造的進(jìn)程，為此，編制錨桿制品標(biāo)準(zhǔn)化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是十分有必要的。一些有條件的大型企業(yè)應(yīng)在這方面做出貢獻(xiàn)。提高錨桿支護(hù)效果的基本方法是提高錨固材料與孔壁(圍巖)的附著強(qiáng)度，因此要在錨固材料和圍巖2方面下功夫，特別是錨固材料要根據(jù)圍巖性質(zhì)來選定。此外，有針對性地加強(qiáng)對摩擦式錨桿的研究以及評(píng)價(jià)錨桿充填率方法的研究也應(yīng)提到日程上來。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]橫田素宏ら.ロックボルト施工の品質(zhì)向上技術(shù)に關(guān)する研究[C]//トンネル工學(xué)報(bào)告集.日本： 日本土木學(xué)會(huì)，2012.(Yokota Suhiro, et al. Study on improvement of anchor bolt construction technology[C]//Symposium of Tunnel Engineering. Japan: Japan Society of Civil Engineers,2012.(in Japanese))

中國“智”造世界最大斷面矩形盾構(gòu)頂管機(jī)在大連下線

2015年12月25日，由我國自主研發(fā)制造的世界超大斷面矩形頂管機(jī)“開拓號(hào)”在大連下線，為我國地下空間開發(fā)再添“神器”。該臺(tái)矩形頂管機(jī)開挖斷面寬10.42 m，高7.55 m，打破了此前世界最大矩形盾構(gòu)的斷面紀(jì)錄。隨后，“開拓號(hào)”矩形頂管機(jī)將運(yùn)往天津，用于天津地鐵11號(hào)線黑牛城內(nèi)江路站出入口過街通道施工。

該矩形頂管機(jī)在結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，在設(shè)計(jì)上采用兩層六刀盤布置形式，相鄰刀盤的切削區(qū)域相互交叉，斷面開挖覆蓋率將達(dá)到95%，由于采取了多刀盤小范圍掘進(jìn)方式，對地層擾動(dòng)少，地表沉降將大大降低。該設(shè)備的下線標(biāo)志著中國在圓形、矩形等系列化頂管機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)方面達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

盾構(gòu)式頂管機(jī)以其開挖施工工藝簡單、速度快、成洞質(zhì)量高、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，逐步成為城市地下空間開發(fā)的“新寵”，在地下城市共同管溝、城市下穿隧道、地鐵站出入口、過街通道、地下停車場、地下商城、人防工程以及儲(chǔ)氣洞室等方面，有著廣闊的應(yīng)用空間和市場前景。

(摘自 中國中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司 http://www.crectss.com/news/1182015-12-26)

Tunneling by Mining Method: Lecture III: Anchor Bolts

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:In this paper, the major limitations of application of anchor bolt to tunnel in China are analyzed, which mainly include: 1) Non-industrialization of anchor bolt. 2) Merely using grouting anchor bolt regardless of other types. 3) Gasket is not applied for anchor bolt. 4) The anchor bolt function is simple. 5) Poor anchor bolt construction management system. In order to address these problems, the following issues are discussed: 1) The anchor bolt function should be fully re-assessed. 2) The anchor bolt should be standardized and the manufacturing of the anchor bolt should be industrialized, for which the BS ofCodesforAnchorBoltTechnologyis presented. 3) The methods to improve grouting anchor bolt qualities, including improvement of the conglutination strength and shearing strength, filling fullness and management of anchor bolt, are emphatically presented. 4) The modification, specification, function, merits and application scope of frictional anchor bolts (e.g. ZAM expansive anchor, high-performance frictional anchor bolt and anchor bolt with functions of drainage and grouting) and fiber anchor bolts are presented. 5) The simplpe luminous meter for measuring anchor bolt axial stress is presented in comparison with conventional stress meter. The results show that the indexes of simple luminous axial force meter matches those of conventional anchor bolt. Finally, some suggestions, including improvement of industrialization of anchor bolt, anchor bolt standard compiling, improvement of support structure of anchor bolt and surrounding rocks, study on frictional anchor bolt and filling fullness estimation method of anchor bolt, are given.

Keywords:tunneling; mining method; anchor bolt industrialization; conglutination strength; shearing strength; filling fullness; grouting anchor bolt; frictional anchor bolt; fiber anchor bolt; simple luminous axial force meter

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0001-11

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.001

作者簡介：關(guān)寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

收稿日期：2015-07-20