中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿在深埋TBM施工隧洞的應(yīng)用效果研究

蔣于波

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)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(yīng)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(shè)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(yù)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(yīng)抑制,事實證明,采用中空漲殼式預(yù)應(yīng)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(yīng)力下的坍塌、巖爆等現(xiàn)象[3]。

目前,中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿已廣泛應(yīng)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(guān)經(jīng)驗也較為豐富的支護方式,相關(guān)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(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨桿的支護原理。主要通過實體試驗,對中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)性能、圍巖位移影響、拉拔力等應(yīng)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(shè)計等提供參考。

2 中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿簡介

2.1 概述

中空漲殼式預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)按與巖層層面垂直的方向設(shè)置。

2.3 中空漲殼式預(yù)應(yīng)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(fēng)險,存在較大安全隱患。而中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿則能夠在安裝完成后,由于預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力傳遞更為緊密,基本達到同步傳遞的效果。

中空漲殼式預(yù)應(yīng)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(yīng)用效果研究

3.1 力學(xué)性能試驗

中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)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(yù)應(yīng)力錨桿的力學(xué)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(xué)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(xué)性能檢測試驗結(jié)果(一)

表2 中空錨桿力學(xué)性能檢測試驗結(jié)果(二)

表3 中空錨桿力學(xué)性能檢測試驗結(jié)果(三)

表4 中空錨桿力學(xué)性能檢測試驗結(jié)果(四)

表5 砂漿錨桿力學(xué)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(yù)應(yīng)力錨桿的支護過程中,由于通過施加預(yù)應(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)力錨桿預(yù)應(yīng)力對硬巖隧洞開挖過后位移的影響,以預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力與位移的關(guān)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(guān)系,證明在中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿支護的過程中,預(yù)應(yīng)力的增強能夠控制拱頂圍巖豎向變形。

b.隨著錨桿支護預(yù)應(yīng)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(guān)系,證明在中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿支護的過程中,預(yù)應(yīng)力的增強能夠控制拱肩圍巖豎向變形。

c.隨著錨桿支護預(yù)應(yīng)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(yīng)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(guān)系,證明在中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿支護的過程中,預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(guān)關(guān)系。由此可知:在錨桿支護中預(yù)應(yīng)力錨桿相較砂漿錨桿支護反力更小,則圍巖應(yīng)力更大。

根據(jù)隧洞穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)分析相關(guān)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(dāng)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(yīng)力穩(wěn)定的情況下最佳的開挖支護方案。

4 應(yīng)用效果研究總結(jié)

通過對中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿在工程中的實際應(yīng)用效果進行真實的試驗測試,說明其材料力學(xué)性能指標優(yōu)于特殊工藝,較傳統(tǒng)的砂漿錨桿力學(xué)性能有一定降低,但由于其能夠快速施工,并通過施加預(yù)應(yīng)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(yīng)對措施、設(shè)計優(yōu)化提供了進一步的依據(jù)。

另外,在中空漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿的應(yīng)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(yù)應(yīng)力方面:由于試驗作業(yè)洞段埋深大、地應(yīng)力高,屬于巖爆區(qū)域,出于安全考慮和采用的風(fēng)動扳手加力有限,施加的預(yù)應(yīng)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(fēng)動扳手進行加力。

b.在注漿方面:在試驗過程中,由于預(yù)應(yīng)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。