强锚杆在水工隧洞中的应用分析

郭 锋,吴世文

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁 沈阳 110006;2.辽宁省水资源管理集团有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)

强锚杆在水工隧洞中的应用分析

郭 锋1,吴世文2

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院,辽宁 沈阳 110006;2.辽宁省水资源管理集团有限责任公司,辽宁 沈阳 110166)

全螺纹等强锚杆是全长黏结型锚杆的一种改进型式,具有无需现场二次加工、可在杆体全长范围内紧固、杆体内不存在薄弱面、安装速度快(节省工期)、生产效率高、支护效果好等优点,经实际工程试验及应用,能够满足水工隧洞工程需要.

强锚杆;水工隧洞;应用研究

1 "新奥法"中喷锚支护的作用和效果

目前,我国绝大多数水工隧洞的修建都采用"新奥法"设计理念,而锚喷支护是"新奥法"最基本的组成部分,锚喷支护属于柔性薄壁支护,具有能够调节隧洞围岩变形、充分发挥围岩自承能力及支护材料的承载能力、支护及时、施工灵活等优点.锚喷支护由喷射混凝土和锚杆组成,喷射混凝土起到支撑围岩、填平补强围岩、分配外力、止水、防止围岩泥化等作用和效果;锚杆起到加固围岩、加固不稳定块体、锁定岩石共同受力、限制围岩位移等作用和效果,除与喷射混凝土联合使用外,可单独作为临时或永久支护使用.[1]

2 水工隧洞常用锚杆类型

锚杆是水工隧洞喷锚支护最基本、最重要的支护材料之一,目前水工隧洞常采用的锚杆的类型有几下几种[2]:

1)按锚杆与围岩接触方式分:

①全长黏结型:水泥砂浆锚杆、树脂锚杆、水泥卷锚杆.

②端头锚固型:机械端头锚固锚杆、树脂端头锚固锚杆、快硬水泥卷端头锚固锚杆.

③摩擦型:缝管锚杆、花管注浆锚杆、水胀式锚杆.

2)按对锚杆施加的张拉力大小分:张拉锚杆和预应力锚杆.

3)特殊类型:自钻式锚杆.

3 传统锚杆作用机理及应用经验总结

由于全长黏结型锚杆具有安装简便、施工工艺少、材料易采购、成本低廉等优点,除特殊情况,一般水工隧洞喷锚支护,基本上均采用全长黏结型锚杆.

3.1 锚杆作用机理

全长黏结型锚杆就是在锚杆孔内全长填充黏结材料的锚杆,全长黏结型锚杆安装时必须使锚杆孔中全部充满黏结材料,使锚杆杆体和锚杆孔壁间的空隙完全用黏结材料填充密实,当黏结材料凝结、硬化以后,锚杆杆体"沿全长"锚固在岩体中.全长黏结型锚杆是依靠锚杆与黏结材料及黏结材料与岩石的粘结力起锚固作用的.[3]

3.2 锚杆施工工艺

全长黏结型锚杆施工基本施工工艺流程为:

锚杆钻孔定位→造孔→清孔→灌注黏结材料(安装锚杆杆体)→安装锚杆杆体(灌注黏结材料)→安装垫板→拧紧螺母.

3.3 锚杆应用经验总结

通过全长黏结型锚杆在水工隧洞工程中的应用情况,总结如下经验:

1)锚杆杆体材料采用HRB335、HRB400级带肋钢筋,垫板材质等级常采用Q235级,生产厂家多、料源充足、采购方便、成本低廉.

2)施工工艺少而简单,易于安装,锚固力能够满足设计要求.

3)全长黏结型锚杆是一种被动型锚杆,不能对围岩施加预应力,只能在围岩发生变形以后才受力.

4)安装后不能立即承载.

5)锚杆孔内黏结材料易造成空洞、不密实等现象.

6)杆体与锚杆孔难于对中.

7)端部螺纹紧固段需现场加工,螺纹紧固段质量视现场情况及加工人员水平而定,参差不齐,螺母与螺纹不配套的情况时有发生.

8)垫板采用钢板现场加工而成,成孔质量参差不齐,围岩开挖表面凹凸不平,垫板很难与围岩面密贴(可采用喷射混凝土找平).

9)遇锚杆孔成孔困难、尾部踏孔或者支护后出现片帮、掉顶等情况,锚杆不能全长插入锚杆孔时,垫板与围岩面之间就会存在距离,两者无法密贴.

4 锚杆改进型式-全螺纹等强锚杆

传统全长黏结型锚杆在工程应用中存在一些弊端,因此出现了全长黏结型锚杆的一种改进型式--全螺纹等强锚杆,以保证工程质量及工程安全的前提下,便于施工,节省工期.全螺纹等强锚杆,针对传统全长黏结型锚杆在施工存在的缺陷和不足方面进行改进,主要优点如下:[4]

1)施工工艺流程与传统全长黏结型锚杆一致,杆体、垫片、螺母均为定型产品,无需现场二次加工.

2)杆体采用专门设计的螺纹孔热轧,形成螺旋式螺纹,配合专门的螺母使用,可在杆体全长范围内紧固;杆体不用二次加工螺纹紧固段,减少加工工序,减少材料;杆体在全长范围内强度相等,不存在薄弱面;螺纹螺距比普通螺纹大,因此安装速度快,机械化程度高.

3)杆体加工工艺简单,按设计长度直接截取即可得到成品杆体,生产效率高.

4)垫片与锚杆孔接触面为球面,垫板受力均匀,缓冲效果良好.

5 工程应用实例

5.1 工程概况

LXB供水二期工程白石段是解决锦州市、朝阳市、北票市城市生活、生产用水的输送水工程.该段引水隧洞有三种型式:

1)白石水库～朝阳分水口段:有压引水隧洞,总长23.73 km,断面型式为圆形,成洞断面尺寸5.62 m.

2)朝阳分水口～小凌河分水口段:无压引水隧洞,总长35.05 km,断面型式为圆拱直墙型,成洞断面尺寸为4.6 mX5.25 m(宽X高).

3)朝阳支线:有压引水隧洞,总长26.30 km,断面型式为圆形,成洞断面尺寸3.90 m.

5.2 应用情况及支护效果

由于全螺纹等强锚杆在水工隧洞工程中的应用较少,该工程在主体工程使用该新型锚杆前进行了详细的调研以及理论计算分析工作,并在朝阳分水口～小凌河分水口段无压引水隧洞支洞洞口及洞身段进行了试验,经现场施工人员反应,与传统砂浆锚杆相比较,全螺纹等强锚杆在施工中确能提高工作效率,为了验证全螺纹等强锚杆的支护效果,进行了锚杆拉拔力试验,试验结果表明,全螺纹等强锚杆受力均匀,拉拔力均能满足设计要求,且比传统砂浆锚杆要高.因此,经业主、设计、监理、施工单位共同确认在该工程三段引水隧洞主体工程中使用全螺纹等强锚杆,通过现场拉拔力试验,拉拔力完全能够满足设计要求.

6 结论

全螺纹等强锚杆是全长黏结型锚杆的一种改进型式,具有无需现场二次加工、可在杆体全长范围内紧固、杆体内不存在薄弱面、安装速度快、生产效率高、支护效果好等优点,并经实际工程验证,全螺纹等强锚杆在水工隧洞中应用效果良好,能够满足工程需要,其他类似水工隧洞工程可以借鉴使用.

[1]徐干成.地下工程支护结构与设计[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[2]程良奎.锚杆喷射混凝土支护技术规范[M].北京:中国计划出版社,2001.

[3]熊启钧.隧洞[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[4]蔡桂宝.全螺纹等强锚杆的开发及应用[J].辽宁工程技术大学学报,2002.

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B

1002-0624(2017)11-0031-02

2017-02-27