漲殼式中空錨桿抗沖擊性能現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

陳瓊 龐琦 隋學(xué) 張金龍 趙武勝

摘要：巴基斯坦N-J水電站引水隧洞沿線埋深大，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，TBM施工過程中巖爆災(zāi)害頻發(fā)，使?jié)q殼式中空錨桿在強(qiáng)沖擊力作用的支護(hù)性能研究顯得異常迫切。設(shè)計(jì)并實(shí)施了漲殼式中空錨桿抗沖擊性能現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的支護(hù)、監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行了論述。試驗(yàn)表明：在不注漿條件下，錨固效果在巖體破碎時(shí)很難達(dá)到設(shè)計(jì)的效果，在動(dòng)力荷載作用下，錨桿變化較快，在破碎圍巖中錨桿最大應(yīng)力（拉應(yīng)力）遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。

Abstract： The water diversion tunnel of N-J Hydropower Station in Pakistan has a large buried depth and complex geological structure. The frequent occurrence of rockburst disasters during TBM construction makes the research on the supporting performance of the shell-type hollow anchors under strong impact force urgent. The large-scale test on the impact resistance of the shell-type hollow anchor was designed and implemented， and the support， monitoring scheme design and test process and results of the field test were discussed. The test shows that under the condition of no grouting， the anchoring effect is difficult to achieve the design effect when the rock mass is broken. Under the dynamic load， the bolt changes rapidly， and the maximum stress （pull stress） of the bolt in the broken surrounding rock is far less than the design value.

關(guān)鍵詞：漲殼式中空錨桿;抗沖擊性能;地下廠房

Key words： rising shell hollow anchor;impact resistance;underground plant

中圖分類號(hào)：TV554? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0130-02

0? 引言

錨桿是地下工程施工中重要的支護(hù)手段之一，漲殼式中空錨桿以其提供施工方便、提供預(yù)應(yīng)力及時(shí)、具有高抗剪強(qiáng)度和剛度等優(yōu)點(diǎn)在交通、水電、礦上等地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了廣泛深入的研究，例如：劉江等[2]通過在鄭萬(wàn)高鐵高家坪隧道軟弱圍巖段大斷面機(jī)械化施工條件下漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿的應(yīng)用研究，總結(jié)出漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿工作原理、工藝流程。蔡向陽(yáng)和任勇[3]從監(jiān)理工程師角度闡述了漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿新材料應(yīng)用產(chǎn)生的工程變更處理的基本原則和方法、方式。鄭鵬飛[4]對(duì)漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)作了詳細(xì)論述，闡明了漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿在隧洞支護(hù)中的重要意義。對(duì)但總的來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的研究成果多集中在施工效果和工藝的研究，對(duì)其在強(qiáng)沖擊力作用的支護(hù)性能還缺乏現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)的驗(yàn)證。

巴基斯坦N-J水電站引水隧洞沿線埋深大，地應(yīng)力高，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在TBM施工過程中出現(xiàn)了不同程度的巖爆災(zāi)害，巖爆嚴(yán)重影響了隧洞的正常掘進(jìn)，并對(duì)人員及設(shè)備安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。面對(duì)較強(qiáng)巖爆，現(xiàn)有漲殼式錨支護(hù)方案是否能滿足抗沖擊要求缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，經(jīng)綜合考慮，N-J項(xiàng)目部研究決定采用爆炸模擬巖爆進(jìn)行錨桿抗沖擊性能試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在出露巖體相對(duì)完整的一個(gè)邊坡（如圖1所示）。

本次試驗(yàn)通過模擬當(dāng)前強(qiáng)巖爆區(qū)域的地質(zhì)條件及支護(hù)形式，在常規(guī)錨網(wǎng)梁支護(hù)模式下，利用孔內(nèi)爆破模擬強(qiáng)巖爆的方式來(lái)驗(yàn)證當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)的合理性。爆破所用炸藥用量釋放的能量模擬試驗(yàn)區(qū)圍巖發(fā)生強(qiáng)巖爆到極強(qiáng)巖爆時(shí)錨桿受力狀況。

1? 支護(hù)方案設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)方案

1.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

錨桿形式和規(guī)格：漲殼式中空錨桿10根，9根試驗(yàn)錨桿，1根備用錨桿，由漲殼式錨頭、鋼筋桿體、托盤及螺母組成，型號(hào)為D28（可施加預(yù)應(yīng)力80～100kN），桿體斷裂抗拉強(qiáng)度≥310kN，延伸率≥8%，桿體長(zhǎng)度3.85m，直徑？準(zhǔn)28mm;

槽鋼：5根，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)際情況，采用整體槽鋼或分段槽鋼;

網(wǎng)片規(guī)格：采用Φ10mm的鋼絲焊接網(wǎng)，規(guī)格為1500×1200mm，網(wǎng)格尺寸150×150mm;

錨桿布置：錨桿間距為1300mm，排距900mm;

錨桿預(yù)緊力：設(shè)計(jì)錨桿安裝預(yù)緊力80kN～100kN。

1.2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

本次試驗(yàn)采用UT3404動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要測(cè)試錨桿的軸向應(yīng)變波和兩種不同支護(hù)形式下所受爆破沖擊波。

1.2.2 監(jiān)測(cè)步驟和方法

①試驗(yàn)錨桿應(yīng)變片貼片。采用BX120-3AA（3mm×3mm）型應(yīng)變片及導(dǎo)線4套，2套試驗(yàn)，2套備用，監(jiān)測(cè)爆破期間錨桿的軸向應(yīng)變波。

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破對(duì)比試驗(yàn)前，需要對(duì)錨桿進(jìn)行精細(xì)加工。主要包括以下幾個(gè)方面：切槽打磨;黏貼應(yīng)變片并焊接導(dǎo)線;應(yīng)變片保護(hù)。選取錨桿一根，貼上1個(gè)應(yīng)變片，2根導(dǎo)線。通過橋盒與動(dòng)態(tài)采集儀相連。應(yīng)變片粘貼位置為距離錨尾1000mm。貼片以及連線后的錨桿（此處為應(yīng)變片黏貼演示錨桿，非現(xiàn)場(chǎng)安裝錨桿）。

②壓力傳感器安裝。

本次試驗(yàn)選取安裝位置完全一致的KD壓力傳感器及屏蔽線2套（其中1套備用）器監(jiān)測(cè)錨桿所受爆破沖擊波。因現(xiàn)場(chǎng)需要表面不噴射混凝土，因此將壓力傳感器固定于兩個(gè)錨桿托盤之間。

③測(cè)試系統(tǒng)的組建及調(diào)試。

錨桿支后，開啟放大器預(yù)熱，將動(dòng)態(tài)采集儀、橋盒按順序連接成設(shè)計(jì)數(shù)目的測(cè)試線路，最后根據(jù)應(yīng)變片的工作模式，將測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片接入橋盒。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求選取合適的采樣時(shí)間、應(yīng)變波頻率等采樣參數(shù)。

④應(yīng)變波、沖擊壓力波采集。

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，采集分析儀器采用的采樣率定為128kHz，采用上升沿觸發(fā)，觸發(fā)延遲-40，觸發(fā)極性自由運(yùn)行。應(yīng)變波采集時(shí)根據(jù)應(yīng)變片、導(dǎo)線電阻進(jìn)行校正因子計(jì)算，沖擊壓力波采集時(shí)根據(jù)傳感器靈敏度校正。

2? 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 爆破沖擊距離及爆腔形態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)爆破沖擊距離約為30m以上，且網(wǎng)片破斷呈絲狀，槽鋼剪斷（如圖2所示），說(shuō)明爆破沖擊非常強(qiáng)，類似極強(qiáng)巖爆。

爆破后爆腔形態(tài)如圖2所示。爆腔內(nèi)部非常破碎，且結(jié)構(gòu)面、層理發(fā)育;普通錨桿支護(hù)處爆腔呈V字型爆坑，圍巖中存在一些傾斜的結(jié)構(gòu)面，且表面有明顯擦痕，爆腔深度約為2.3m。

2.2 錨桿支護(hù)體形態(tài)

現(xiàn)場(chǎng)爆破后的錨桿形態(tài)如圖3所示。從現(xiàn)場(chǎng)爆破后錨桿支護(hù)體形態(tài)看，錨桿明顯彎曲，托盤無(wú)太大變化。上述錨桿支護(hù)體形態(tài)說(shuō)明：由于內(nèi)部巖體破碎，孔徑較大（現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)約為52～55mm），錨桿漲殼錨頭幾乎未起到應(yīng)有的錨固作用，不能與外端托盤、螺母等形成整體錨固體系。

2.3 錨桿應(yīng)變波波形特征

錨桿應(yīng)變波形分析監(jiān)測(cè)儀測(cè)到應(yīng)變波形如圖4所示，圖中正表示壓應(yīng)變，負(fù)表示拉應(yīng)變。

由圖知，在爆破作用下，錨桿應(yīng)變波變化較快，波形衰減明顯，振動(dòng)時(shí)間短，最大值為175.084×10-6。根據(jù)應(yīng)變信號(hào)和應(yīng)力轉(zhuǎn)化關(guān)系?錨桿彈性模量為210GPa，計(jì)算爆炸動(dòng)載引起的應(yīng)力，錨桿最大應(yīng)力（拉應(yīng)力）為36.77MPa。

3? 結(jié)論

①因無(wú)法在隧洞內(nèi)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，選取室外類似巖性地點(diǎn)試驗(yàn)，表面看來(lái)巖性較為完整，爆破后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部非常破碎，且結(jié)構(gòu)面、層理發(fā)育;直接影響了漲殼錨頭的錨固效果，從爆破后漲殼錨頭端部擦痕來(lái)看，在不注漿條件下，漲殼錨頭的錨固效果在巖體破碎時(shí)很難達(dá)到設(shè)計(jì)的錨固效果。②在爆破荷載作用下，錨桿應(yīng)變波變化較快，波形衰減明顯，振動(dòng)時(shí)間短，在破碎圍巖中錨桿最大應(yīng)力（拉應(yīng)力）遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。

參考文獻(xiàn)：

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