鐵路隧道低預應力樹脂中空錨桿試驗及其質量控制

安亞丁

北京鐵城建設監(jiān)理有限責任公司 北京 100855

低預應力樹脂中空錨桿適合于各類復雜地質環(huán)境的隧道支護工程，能夠起到理想的支護強度，同時兼具注漿及排氣功能，適合各類巖層隧道的臨時支護或永久支護工程[1]。但在應用之前，需要進行相關試驗確定錨桿參數(shù)。一般來說，錨桿試驗主要是針對錨固段長度、藥卷長度及注漿等參數(shù)的確定。但若是地質非常復雜的地段，應在常規(guī)試驗的基礎上，進一步拓寬試驗范圍，為更多錨桿施工細節(jié)做出指導。

1 工程概況

以某高原鐵路某隧道為例，全隧為雙洞單線隧道，左右線線間距為30～40m，左線隧道進口里程DK659+700，出口里程DK675+225；右線隧道進口里程DYK659+705，出口里程DYK675+315.445，左線隧道全長15525m，右線隧道全長15610.445m，隧道設計錨桿主要為低預應力樹脂中空注漿錨桿、藥卷錨桿、低預應力漲殼式錨桿等，其中在低預應力樹脂中空錨桿施工前，選擇某隧道1號斜井X1DK0+660.0～X1DK0+640.0段，開展工藝試驗，該實驗段的長度為1.2m，共設置15個錨桿。在該實驗中，其錨桿長度為3m，襯墊板規(guī)格為15×150×6mm。

2 試驗目的及范圍

2.1 試驗目的

(1)根據(jù)工藝性試驗，確定該廠家生產的錨桿在現(xiàn)場施工時預應力達到60KN時螺母的扭矩控制值。

(2)確定施工參數(shù)，主要確定錨桿實心段長度、樹脂藥卷裝填量、樹脂錨固劑的靜置時間、注漿漿液配比等參數(shù)；

(3)根據(jù)試驗結果編制作業(yè)指導書，用以指導后續(xù)低預應力樹脂錨桿施工。

2.2 試驗范圍

根據(jù)標段情況，在樹脂錨桿大規(guī)模施工前，選取一段做工藝性試驗，本次樹脂 錨桿工藝試驗段選在高原鐵路某隧道1號斜井X1DK0+660.0～X1DK0+640.0區(qū)間縱向長度1.2m，按照環(huán)縱向間距1.2*1.2m 布設，共計錨桿15根，確定施工參數(shù)；按照環(huán)縱向間距1.2*1.2m，在 試驗段上臺階開挖初噴后(前置法)及鋼架架設復噴完成后(后置法)各打設5環(huán)，共計75根，對比分析兩種施工方法的優(yōu)劣，確定合理的施工方法。錨桿參數(shù)：本次試驗采用長3m低預應力樹脂中空注漿錨桿，錨桿長3m。墊板為15×150×6mm。

3 試驗一：扭力—扭矩試驗

此次試驗的內容主要包括了三個方面，一是根據(jù)本標段中錨桿的實際情況，開展針對扭力-扭矩的測試，可以用來指導后續(xù)的測試和現(xiàn)場施工[2]。二是針對錨固段長度、藥卷長度及注漿等參數(shù)進行試驗；三是在前期工作基礎上，比較先置法還是后置法兩種試驗技術的支護效果，最終確定最佳錨桿支護方案。

低預應力樹脂中空注漿錨桿試驗流程如圖1所示。

圖1 低預應力樹脂中空注漿錨桿試驗流程圖

3.1 試驗準備

1)制作穿心型套管，長度為50cm，直徑108mm鋼管，兩端通過d為16 mm的鋼板進行滿焊，并在鋼板的中央開一個28 mm的圓形孔洞。

2)從入場的Φ25中空錨桿中，任意選擇3個，從3個中空錨桿段處每一個都隨機地截取1m長的空心錨桿。

3)準備數(shù)顯穿心型壓力環(huán)和數(shù)顯扭矩扳手。

3.2 測試步驟

1)在自行制作的工作臺上緊固穿心型套管。

2)取錨桿一端用螺絲帽將其與套管一端焊在一起，另一端依次穿過套管、壓力傳感器和墊板，并用螺絲帽進行預緊。

3)用數(shù)字顯示扭矩扳手擰緊螺帽，分別按設計值350 N*m、400 N*m、450 N*m、500 N*m、550 N*m，600 N*m、650 N*m、700 N*m、750 N*m，800 N*m進行扭動，并觀察各扭力的壓力傳感器顯示的數(shù)據(jù)，并進行記錄。

4)對其余兩套螺栓，按以上方法進行測試，并記錄相關數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結果

利用扭力實驗得到的數(shù)據(jù)，對錨桿的扭矩作出分析，根據(jù)各扭力以及對應的壓力繪制扭力-壓力的曲線，結果看到當錨桿的扭力從350N*m到800N*m的時候，壓力傳感的數(shù)值呈現(xiàn)出了一個遞增的趨勢，由此可以將扭力與壓力傳感的數(shù)值聯(lián)系起來，即壓力=扭力* K，帶入數(shù)據(jù)進行計算得到的K值為0.094，按照設計的要求，錨桿的預應力為60 KN，根據(jù)計算式：壓力=扭力* K，得出扭力為635 N*M。

4 試驗二：錨桿施工參數(shù)試驗

4.1 試驗準備

在本次試驗中，使用的樹脂錨固劑是一種超快速樹脂錨固劑，其型號為 CKa型。在對該樹脂錨固劑的有關標準進行查找，了解到這種錨固劑的凝膠時間為8～25s，在5 min齡期的錨固力不少于匹配錨桿屈服力值的1.2倍（157.2 KN)，也就是在攪拌停止后等到5 min樹脂膠漿與固化劑的反應就基本停止，并能夠達到設計要求。

4.2 試驗方法

試驗二主要是針對錨固段長度、藥卷長度和灌漿參數(shù)作為試驗對象，共分成7個小組：

第一套錨本體節(jié)段長24cm，裝藥筒長30cm，試驗用2支錨，兩支錨的灌漿配比為0.35:1及0.45:1；

第二套錨本體節(jié)段長32cm，裝藥卷段長40cm，試驗用2支錨，兩支錨的灌漿配比為0.35:1及0.4:1；

第三套錨本體節(jié)段長40cm，裝藥筒長50cm，試驗用2支錨，兩支錨的灌漿配比為0.4:1，另一支錨為0.45:1；

第四套錨桿體節(jié)段長48cm，藥卷長60（30+30）cm，一共試驗了3個錨桿，其中三個錨的灌漿配比為0.35:1、0.4:1及0.45:1；

第五套錨本體節(jié)段長56cm，藥卷長70（30+40）cm，試驗用兩支錨，兩支錨的灌漿率為0.35:1和0.4:1；

第六套錨本體節(jié)段長64cm，藥筒長80（40+40）cm，試驗用兩支錨，一支錨的灌漿配比為0.4:1，另一支錨的灌漿配比為0.45:1；

第七套錨本體節(jié)段長72cm，藥盤90（40+50）cm，試驗用兩支錨，兩支錨的灌漿配比一支為0.35:1，另一支錨為0.45:1。

在X1DK0+666.6～X1DK0+665.0處，共打15根錨桿，分為兩個部分，第一部分7根，第二部分8根，以下為各錨桿的編號：

表1 試驗錨桿編號及相關參數(shù)

①根據(jù)試驗尺寸進行錨桿制作。

②根據(jù)試驗計劃的規(guī)定，對初始澆筑的混凝土進行放樣，并根據(jù)要求標號。

③編號1-1,1-7的實體段為24cm，放置一根30cm長的炸藥卷，之后用三臂鑿巖臺車迅速打入桿體，充分攪拌后等待5min靜置，期間嚴禁接觸樁身。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。應用0.35:1水泥漿對1-1號錨進行灌漿，應用0.45:1水泥漿對1-7號錨進行灌漿，并對其灌漿充盈情況進行測試。

④1-2,1-6兩孔實體段為32cm，放置一根40cm長的藥卷，用三臂鑿巖臺車迅速打入樁身，攪拌均勻，放置5min，放置過程中嚴禁接觸樁身。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄[3]。應用0.35:1水泥漿對1-2號錨進行灌漿，應用0.35:1水泥漿對1-6號錨分別進行灌漿，并測試灌漿充盈程度。

⑤1-3,1-5兩孔實體段為40cm，放置一根50cm長的炸藥，用三臂鑿巖臺車迅速轉動，推動錨桿進入鉆孔，攪拌均勻，放置5min，放置過程中不得接觸到炸藥。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。在完成了預應力的施加之后，對1-3的錨桿，使用0.4:1的水泥注漿，對1-5的錨桿使用0.45:1的水泥注漿，并測試灌漿充盈程度。

⑥在1-4、2-4、2-5三個孔洞實體段都是48cm，放置兩根60cm長的炸藥卷，用三臂鑿巖臺車迅速打入樁身，攪拌均勻，放置5min，放置過程中不得接觸樁身。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，并開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。在預應力施加完畢后，對1-4號錨桿進行0.35:1的水泥灌漿，對2-4號錨桿進行0.40:1的水泥灌漿，對2-5號錨桿進行0.45:1的水泥灌漿，并測試灌漿充盈程度。

⑦2-1,2-8兩孔的實體段為56cm，放置2個70cm長的炸藥卷，用三臂鑿巖臺車迅速轉動，推動錨桿進入鉆孔，攪拌均勻，放置5min，放置過程中嚴禁接觸樁身。待固定完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。在完成了預應力施加之后，對2-1錨桿使用0.35:1水泥注漿，對2-8錨桿使用0.40:1水泥注漿，并測試灌漿充盈程度。

⑧2-2,2-7兩孔的實體段為64cm，放置2根80cm長的炸藥卷，用用三臂鑿巖臺車迅速轉動，推動錨桿進入鉆孔，攪勻后放置5min，放置過程中嚴禁接觸樁身。待固定完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。應用0.4:1水泥漿對2-2號錨進行灌漿，用0.45:1水泥漿對2-7號錨進行了灌漿，并測試灌漿充盈程度。

4.3 檢驗結果

通過7個系列的測試，分別對錨桿的錨固長度、藥卷長度及灌漿率進行了測試，得到了以下幾個方面的結論：

第一套錨在灌漿完畢后放置5 min，然后使用錨桿拉伸器對其進行拉伸測試，在1-1號錨上加了380N*M的扭力后，錨桿被拉出，在1-7號錨上加了395N*M的扭矩后，錨被拉出；

第二套錨在灌漿完畢后放置5 min，然后使用錨桿拉伸器對其進行拉伸測試，在1-2個錨上加了420N*M的扭力后，錨被拉出，在1-6個錨上加了435N*M的扭矩后，錨被拉出；

第三套錨在進行灌漿時，放置5 min，然后使用錨桿拉伸儀器進行拉伸測試，在1至3號的錨上，在460N*M的扭力作用下，1-5號錨被拉出，在475N*M的扭矩作用下，錨被拉出；

第七套錨固結束后，放置5 min，用拉伸器進行拉伸實驗，分別對2-3號和2-6號分別加了635牛的扭力，但都沒有將錨桿拉出來。

5 試驗三：錨桿施作方式試驗

錨桿施作方法有先置法和后置法兩種，試驗三即選取最優(yōu)錨桿施作方法。

(1)根據(jù)試驗一、試驗二得到的錨桿施工參數(shù)，在后續(xù)要開挖的12 m范圍里（10環(huán)）進行試驗三。

(2)在0～6m的范圍里（前5環(huán)）用后置法，在6～12m的范圍里（后5環(huán)）處采用前置法。

(3)后置法要在在初始澆筑之前，于需要初支的地方設置一個方形平臺，其頂部30×30cm，底部33×33cm，高10cm，尺寸為1.2×1.2m。

(4)在錨固結束后，對已預留的洞口重新噴射。

(5)在6～12m的區(qū)域開挖并完成初次噴射后，進行打錨。

(6)對比兩種施作方式的施工效果。

結果顯示，先置錨桿施工一個周期所需要的時間是9.3h，后置法施工錨桿一個周期所需要的時間是8.6h，后置法施工的時間可以節(jié)省42min。但是，與后置法施工相比，先置法施工在控制軟巖變形方面更占優(yōu)勢。此外，后置法施工需要預先預埋溝槽，還要對錨頭進行處理，其操作過程會比較繁雜、較耗時，故此采用前置法更為理想。

6 質量控制措施

(1)設立專門的質量管理人員，健全質量保障制度，將試驗質量層層把關。

(2)試驗相關人員需要開展崗前培訓，每個試驗相關人員都要經過崗位培訓及相關考核。

(3)強化試驗作業(yè)的全程質量監(jiān)管，嚴格控制施工作業(yè)的品質。

(4)嚴格執(zhí)行質檢體系，對出現(xiàn)的質檢問題，要明確責任，找出原因，制定整改措施。

7 總結

從試驗一結果來看，60KN的低預應力樹脂中空錨桿施加的最大扭力為635 N* M；從試驗二數(shù)據(jù)中可以看出，錨桿靜置5min可以達到抗拔力的需求，注漿配合比應選擇0.35:1～0.4:1；從試驗三結果來看，采用先置法施工對于掌子面的施工安全、初期支護的平整度較好，因此錨桿宜采用先置法進行施工。總之，工程通過以上試驗并加強質量控制，得出最佳錨桿參數(shù)及最佳支護方法，為低預應力樹脂中空錨桿在復雜地質下鐵路隧道施工中發(fā)揮最佳作用，并為后續(xù)正常施工提供可靠的施工指導，可為同類工程借鑒。