中空涨壳式预应力锚杆在深埋TBM施工隧洞的应用效果研究

蒋于波

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司,四川 成都 610072)

1 引 言

随着基建工程和经济的发展,越来越多的高埋深、高地应力的地下洞室、隧洞工程得以建造,在这过程中,岩爆已成为这类工程建设过程中的普遍问题[1]。基于岩爆的发生机制,对岩爆发生时间的准确预报实际上是不可能的[2]。为保证在岩爆条件下的施工作业安全、顺利进行,势必需要对岩爆进行相应抑制,事实证明,采用中空涨壳式预应力锚杆实现了临时支护与永久支护二者的有机结合,有效地防止了高地应力下的坍塌、岩爆等现象[3]。

目前,中空涨壳式预应力锚杆已广泛应用于交通、水利、水电等地下工程中,尤其是对于高埋深岩爆洞室及软弱围岩工程,已较为成熟、相关经验也较为丰富的支护方式,相关的控制措施和方法也较为完善。但类似工程在使用过程中和使用后,中空涨壳式预应力锚杆的应用效果极少有进行研究和评价的。

本文基于国内引汉济渭引水工程深埋TBM施工隧洞施工采用中空涨壳式预应力锚杆和砂浆锚杆支护案例的对比,简要介绍了中空涨壳式预应力锚杆的支护原理。主要通过实体试验,对中空涨壳式预应力锚杆的力学性能、围岩位移影响、拉拔力等应用效果进行研究,为隧洞在类似条件下的初期支护措施优化、动态设计等提供参考。

2 中空涨壳式预应力锚杆简介

2.1 概述

中空涨壳式预应力锚杆由涨壳锚固头、中空锚杆体、垫板和螺母组成,见图1。除此之外,在锚杆长度较长时还可用链接套进行连接。

图1 中空涨壳式预应力锚杆示意图

2.2 支护原理

TBM支护施工过程中,中空涨壳式预应力锚杆即时提供的抗剪力、抗拉力,以及锚杆的锚固力使将要滑动的岩块得以稳定,阻止层面的互相错动,起到围岩稳定的作用。需要注意的是,施工时,锚杆应按与岩层层面垂直的方向设置。

2.3 中空涨壳式预应力锚杆的优点

新奥法施工主要依靠围岩自承能力维持稳定[4-5],但要求开挖和支护必须在短时间内完成,初期支护必须很快闭合,所以对支护的及时性要求较高,尤其是在软弱围岩、强岩爆等地质条件下[6-8]。

传统的砂浆锚杆支护措施,主要是依靠水泥砂浆凝固后对锚杆产生的握裹力,对围岩变形进行抑制,但由于水泥砂浆凝固达到要求的强度是需要较长时间的,在此期间围岩存在失稳风险,存在较大安全隐患。而中空涨壳式预应力锚杆则能够在安装完成后,由于预应力的存在,可以即时起效,所以能够及时地提供支护抗力,大大减小围岩的松弛位移,减轻了围岩的坍塌变形;同时,中空涨壳式预应力锚杆具有较大的延伸率,不会使锚杆发生断裂,而是与围岩的收敛同步变形。锚杆注浆将中空杆体及围岩黏结成为整体,密实的浆液结实体使锚杆、围岩的应力传递更为紧密,基本达到同步传递的效果。

中空涨壳式预应力锚杆主要强调的是快速提供围岩约束力,但由于其是为中空材质,所以在初期强度、初期对围岩的位移影响以及拉拔方面,较传统的砂浆锚杆有一定差异,但在锚固后,通过及时地对中空杆体及锚杆孔进行注浆后,能够达到传统砂浆锚杆的效用,其初期起效快,是砂浆锚杆所不具备的特性和优点。

3 应用效果研究

3.1 力学性能试验

中空涨壳式预应力锚杆的力学性能试验主要目的是检测锚杆的屈服力、最大折损力和断后伸长率。本次检验的锚杆生产厂家为杭州某工程材料有限公司,由国内某大型引水工程项目经理部中心试验室完成。

在试验过程中,分别对同样直径(25mm)、同样壁厚(5mm)的3种锚杆长度(第一组3.0m、第二组3.5m、第三组2.5m)中空涨壳式预应力锚杆的力学性能进行对比试验,一组对比的7mm锚杆壁厚与5mm锚杆壁厚的中空锚杆力学性能试验和一组砂浆锚杆参照对比试验,试验室检测结果见表1～表5。

表1 中空锚杆力学性能检测试验结果(一)

表2 中空锚杆力学性能检测试验结果(二)

表3 中空锚杆力学性能检测试验结果(三)

表4 中空锚杆力学性能检测试验结果(四)

表5 砂浆锚杆力学性能检测试验结果(五)

通过上述试验结果,并对试验结果进行分析,可得出下列结论:

a.砂浆锚杆的最大折断力和断后伸长率明显高于中空锚杆,这一点是由于砂浆锚杆和中空锚杆的结构决定的,砂浆锚杆由直径22mm的HRB400E普通热轧带肋钢筋制作而成,而中空锚杆则由中间为空心结构的钢筋锚杆特制而成,同样长度的两种锚杆,砂浆锚杆是实心的。在中空预应力锚杆的支护过程中,由于通过施加预应力而提高锚杆支护的初始强度,可以避免锚杆在支护过程中因支护应力不足而出现屈服变形的情况。

b.随着中空锚杆长度的增加,屈服力与最大折断力不断减小,而断后伸长率变化不大且略有增大。这也是由钢件材料的性能决定的。由此带来的好处是,随着锚杆长度的增加能抵御弯曲变形的性能有小幅度的增加。

3.2 锚杆支护围岩位移影响试验

相较于传统的砂浆锚杆,此次试验为了研究分析中空涨壳式预应力锚杆预应力对硬岩隧洞开挖过后位移的影响,以预应力为唯一变量,锚杆间距取1m梅花形布置,锚杆长度为4m,分别对比砂浆锚杆支护和中空预应力锚杆支护2种工况,监测开挖过程中拱顶、拱肩、边墙3个特征点竖向和水平位移,试验数据统计见表6和表7,并得到不同预应力与位移的关系,见图2和图3。

表6 砂浆锚杆支护围岩位移变化数据

表7 中空涨壳式预应力锚杆支护围岩位移变化数据

图2 砂浆锚杆支护围岩位移变化折线图

图3 中空涨壳式预应力锚杆支护围岩位移变化折线图

通过试验数据,经过分析,可知:

a.随着锚杆支护预应力的增强,拱顶的竖向位移不断减小,由于数据范围变化不大,可以看作近似线性的变化关系,证明在中空涨壳式预应力锚杆支护的过程中,预应力的增强能够控制拱顶围岩竖向变形。

b.随着锚杆支护预应力的增强,拱肩的竖向位移不断减小,由于数据范围变化不大,可以看作近似线性的变化关系,证明在中空涨壳式预应力锚杆支护的过程中,预应力的增强能够控制拱肩围岩竖向变形。

c.随着锚杆支护预应力的增强,拱肩的横向位移不断减小(其中40kN时出现“跳跃现象”,应为数据误差所致),由于数据范围变化不大,可以看作近似线性的变化关系,证明在中空涨壳式预应力锚杆支护的过程中,预应力的增强能够控制拱肩围岩横向变形。

3.3 锚杆拉拔试验

针对中空涨壳式预应力锚杆的拉拔试验,先后在隧洞内进行了三组现场实体试验,试验结果见表8。

表8 中空涨壳式预应力锚杆拉拔试验数据统计

由表8可以看出,相较于传统的砂浆锚杆的拉拔力(直径22mm、长5m的砂浆锚杆在试验室测量值一般在122～130kN之间,这是试验室平时记录数据)[9],预应力锚杆的拉拔力有所减小。

根据锚杆拉拔试验理论,锚杆拉拔力与锚杆支护反力有正相关关系。由此可知:在锚杆支护中预应力锚杆相较砂浆锚杆支护反力更小,则围岩应力更大。

根据隧洞稳定性结构分析相关理论[10],锚杆支护中锚固力越大,围岩塑性变形圈的半径越小,围岩支护稳定系数越高,当围岩塑性圈的半径小到最小值为0时,此时围岩稳定性系数最高,这也是在周围岩体应力稳定的情况下最佳的开挖支护方案。

4 应用效果研究总结

通过对中空涨壳式预应力锚杆在工程中的实际应用效果进行真实的试验测试,说明其材料力学性能指标优于特殊工艺,较传统的砂浆锚杆力学性能有一定降低,但由于其能够快速施工,并通过施加预应力来向围岩提供约束力,阻止围岩位移、变形是客观有效的,从而为地下洞室在岩爆、软弱滑层等地质条件下的应对措施、设计优化提供了进一步的依据。

另外,在中空涨壳式预应力锚杆的应用效果研究过程中,还有其他需要总结和不足的地方,有待进一步研究,主要是:

a.在施加预应力方面:由于试验作业洞段埋深大、地应力高,属于岩爆区域,出于安全考虑和采用的风动扳手加力有限,施加的预应力相对较小,造成结果的可参考性相对有限,对试验结果或有一定影响,在今后的试验中会考虑采用大型号风动扳手进行加力。

b.在注浆方面:在试验过程中,由于预应力施加完成后须迅速注浆达到注浆强度,否则会发生滞后性岩爆,出于安全考虑采用活塞式注浆泵使注浆压力不足,造成结果的可参考性相对有限,下阶段考虑更换为螺旋式注浆泵,以提高效率。