軟巖地下工程預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用

楊曉敏

(秦皇島廣瑞工程項目管理有限公司，河北 秦皇島 066100)

1 工程概況

某隧道工程全長6.35km，最大高度9.2m，最大寬度6.1m。地質(zhì)勘查結(jié)果表明，內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，且存在軟弱圍巖、斷層破碎帶等不良地質(zhì)。另外，孔隙潛水、基巖裂隙水較多，斷層含水量豐富。為防止地下施工出現(xiàn)軟巖變形問題，需要采取預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)措施。

2 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)設(shè)計

2.1 長度設(shè)計

預(yù)應(yīng)力錨索由3 部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在設(shè)計錨索長度時，應(yīng)結(jié)合各分段的功能，在滿足支護(hù)要求的前提下合理調(diào)整各分段的長度。根據(jù)《巖土錨桿(索) 技術(shù)規(guī)程》CECS22-2018 中提供的計算公式：

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖

式中：L 為錨固段長度，單位為cm；N 為軸向拉力，單位為N，D 為錨索直徑，單位為mm；q 為巖層與注漿體之間的粘結(jié)強度，單位為MPa。通過上式可以得出符合施工要求的錨固段長度，在此基礎(chǔ)上按照3:1 的比例，劃分出內(nèi)錨固段和外錨固段。在現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)程中，沒有關(guān)于自由段長度設(shè)計的明確要求，行業(yè)內(nèi)通常以“自由段整體穿過滑裂面，且露出端不低于1.5m”為宜。

2.2 間距設(shè)計

預(yù)應(yīng)力錨索的密度越大，提供的支撐力也會相應(yīng)的增加；但是間距太小，會導(dǎo)致原本就比較局促的地下施工空間變得更加狹窄，不利于機械作業(yè)的開展，而且也會相應(yīng)的提高施工成本。因此，需要通過間距設(shè)計，在滿足支護(hù)要求和減少空間占用之間達(dá)到統(tǒng)籌平衡。根據(jù)壓縮拱理論，壓縮拱內(nèi)徑可由公式R=r+a/2 表示。式中R 為壓縮拱內(nèi)徑，r 為洞室半徑，a 為錨索橫線間距。轉(zhuǎn)化可得，錨索間距a=2(R-r)。

2.3 傾角設(shè)計

錨索在水平面上的投影，與錨桿之間的夾角，即為預(yù)應(yīng)力錨索的傾角。研究表明，在施加相同預(yù)應(yīng)力的情況下，在0-15°以內(nèi)，隨著錨索傾角的增加，相鄰兩根錨索之間有效壓應(yīng)力的疊加區(qū)域也會隨之?dāng)U大，從而提供更強的支撐力；而在15-30°之間，兩根錨索之間有效壓應(yīng)力的擴散區(qū)域大于疊加區(qū)域，支撐效果反而下降。超過30°，兩根錨索的有效壓應(yīng)力區(qū)域收縮，幾乎沒有重疊區(qū)域，因此支護(hù)作用被極大的削弱?；诖?，在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)時，應(yīng)保證其傾角在15°為宜，取得最為理想的支護(hù)作用。

2.4 錨固力設(shè)計

為了增強錨固力，施工中通常會選擇專門的錨固劑，將其與水泥砂漿混合后，形成注漿材料，使巖層與錨索之間的連接強度得到進(jìn)一步提升。在錨固力設(shè)計中，選擇何種錨固劑是必須要考慮的問題。樹脂錨固及具有環(huán)境適應(yīng)力強、承載力大、抗水防滲效果好等特點，是現(xiàn)階段富水地質(zhì)地下工程施工中，比較常用的一種錨固劑。在鉆孔之后，將錨固劑注漿材料注入鉆孔內(nèi)，插入錨索，如圖2 所示。其中，桿體插入錨固劑的長度(L)，將會直接決定錨索的抗拔力(F)。在錨固力設(shè)計時，應(yīng)在桿體長度滿足現(xiàn)場施工要求的前提下，盡可能的增加L 值，以便于取得更為理想的支護(hù)效果。

圖2 錨索拉拔使錨固力受力分析圖

3 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的施工技術(shù)

3.1 施工方法的選擇

預(yù)應(yīng)力錨所支護(hù)技術(shù)的日益成熟，使得錨索類型也變得更加多樣。其中，自適應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨索具有組裝方便、支護(hù)效果理想等特點，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的工程支護(hù)中應(yīng)用優(yōu)勢明顯，其結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。在確定支護(hù)方法后，還要編制施工方案，明確工藝流程和關(guān)鍵技術(shù)?；玖鞒虨椋?1)檢查設(shè)備、材料，無質(zhì)量問題后安排進(jìn)場；(2)現(xiàn)場搭設(shè)施工平臺，鉆機就位并完成鉆孔和清孔；(3)鉆孔期間，現(xiàn)場組裝錨索，將自適應(yīng)裝置嵌入到錨索中，核對錨索尺寸，檢查錨索質(zhì)量；(4)安裝錨索，注漿加強；(5)進(jìn)行張拉鎖定，封錨。

圖3 自適應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)構(gòu)組成

3.2 施工工藝及技術(shù)要點

3.2.1 錨索成孔

根據(jù)前期地質(zhì)調(diào)查，施工現(xiàn)場圍巖裂隙發(fā)育，破碎嚴(yán)重。在施工面上進(jìn)行清理、整平，露出較為堅硬的巖石后，開始布設(shè)鉆孔平臺。在巖石表面攤鋪一層20cm 后的水泥砂漿，形成平整、堅硬的地面。根據(jù)施工圖紙，標(biāo)記出各個孔位點。在第一個鉆孔處布設(shè)鉆機，校正鉆頭、鉆桿、點位在一條直線上，并保證鉆頭垂直。調(diào)整鉆機參數(shù)，包括轉(zhuǎn)速、深度、進(jìn)給壓力等。復(fù)核無誤后，開始鉆孔。在鉆至指定深度后，停止加壓但不停止轉(zhuǎn)動，讓鉆頭在當(dāng)前深度下繼續(xù)轉(zhuǎn)動3 分鐘左右，反轉(zhuǎn)拔出，保證成孔效果，防止孔壁坍塌或開裂。

3.2.2 制作錨索

在現(xiàn)場鉆孔時，同步開展錨索的加工制作。本次工程中所用錨索，均使用φ16mm 的鋼絞線加工形成，現(xiàn)場試驗抗拉強度不低于1850MPa。鋼絞線的下料長度可略大于設(shè)計長度，這樣后期裁切端頭保證齊平后，不至于出現(xiàn)鋼絞線長度不足的情況。下料時必須采用機械切割，不得使用電弧焊燒割。檢查鋼絞線不存在銹蝕等質(zhì)量問題后，安裝自適應(yīng)裝置，得到自適應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨索。另外，像錨索施工中使用到的注漿管、擴張環(huán)等，在該環(huán)節(jié)也要根據(jù)施工要求一并制作，并且將現(xiàn)場加工制作的各類材料分類擺放，統(tǒng)一管理，以備使用。

3.2.3 安裝錨索

理論上來說，預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)現(xiàn)制現(xiàn)用。為了保證施工進(jìn)度，一次性制作完成后，盡量縮短保存時間，防止預(yù)應(yīng)力錨索出現(xiàn)生銹等問題。在安裝前，應(yīng)再一次核對成孔效果，孔壁無開裂、孔斜率精確，并且孔內(nèi)無雜質(zhì)。將準(zhǔn)備好的自適應(yīng)預(yù)應(yīng)力錨索插入，在達(dá)到鉆孔底部后，施工人員使用夾具固定錨索，準(zhǔn)備注漿。

3.2.4 灌漿加固

將摻加了錨固劑的漿液，裝入到注漿泵中。注漿泵的出口端，連接一根細(xì)導(dǎo)管。將導(dǎo)管的另一端插入鉆孔內(nèi)，然后啟動注漿泵，把漿液緩緩注入鉆孔內(nèi)，直到漿液溢出孔口。然后移動設(shè)備至下一個鉆孔，重復(fù)上述步驟。在所有預(yù)應(yīng)力，錨索注漿完畢后，靜置一段時間，待漿液完全固結(jié)，撤去夾具。在這一環(huán)節(jié)中，關(guān)注的要點有：單孔注漿必須一次性完成，防止分次注漿出現(xiàn)分層現(xiàn)象；注漿完畢后，可立即轉(zhuǎn)動錨索，讓錨桿與漿材充分結(jié)合，提高抗拔效果。

3.2.5 預(yù)應(yīng)力張拉

完成注漿加固并且養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，開始進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉。張拉時，要參考鋼絞線的性能參數(shù)(見表1)，特別是極限承載力和屈服強度，避免張拉力過大導(dǎo)致鋼絞線斷裂?；谶@一方面的考慮，本次工程中，共分3 級張拉，實際施加拉力分別為設(shè)計值的60%、80%和100%。每級張拉時，必須安排專人對張拉方法、張拉力、持續(xù)荷載時間等進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，并做好如實記錄，保證張拉效果。

表1 鋼絞線的性能參數(shù)

3.2.6 封錨

完成三級張拉，并且分析記錄數(shù)據(jù)滿足支護(hù)要求后，開始進(jìn)行封錨。封錨防護(hù)范圍包括錨具、鋼墊板、露出鋼絞線等。使用M30 水泥砂漿作為封錨材料，噴射砂漿封錨后進(jìn)行簡單養(yǎng)護(hù)。

結(jié)束語

在軟弱圍巖地質(zhì)環(huán)境下開挖隧道，做好支護(hù)措施至關(guān)重要。基于自適應(yīng)裝置的預(yù)應(yīng)力錨桿，支護(hù)效果優(yōu)良，環(huán)境適應(yīng)性強，是一種比較理想的支護(hù)方式。在實際應(yīng)用時，施工單位應(yīng)基于前期所得地質(zhì)勘測結(jié)果，做好預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計方案，明確錨索間隔距離、傾斜角度和固定段長度。在施工階段，也要加強技術(shù)管控，其中成孔效果、錨索制作與安全，錨固劑漿液灌注與錨索張拉等。只有實行精細(xì)化、高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管控，才能在保障地下施工安全的前提下，切實提高隧道工程的質(zhì)量。