铁路隧道低预应力树脂中空锚杆试验及其质量控制

安亚丁

北京铁城建设监理有限责任公司 北京 100855

低预应力树脂中空锚杆适合于各类复杂地质环境的隧道支护工程，能够起到理想的支护强度，同时兼具注浆及排气功能，适合各类岩层隧道的临时支护或永久支护工程[1]。但在应用之前，需要进行相关试验确定锚杆参数。一般来说，锚杆试验主要是针对锚固段长度、药卷长度及注浆等参数的确定。但若是地质非常复杂的地段，应在常规试验的基础上，进一步拓宽试验范围，为更多锚杆施工细节做出指导。

1 工程概况

以某高原铁路某隧道为例，全隧为双洞单线隧道，左右线线间距为30～40m，左线隧道进口里程DK659+700，出口里程DK675+225；右线隧道进口里程DYK659+705，出口里程DYK675+315.445，左线隧道全长15525m，右线隧道全长15610.445m，隧道设计锚杆主要为低预应力树脂中空注浆锚杆、药卷锚杆、低预应力涨壳式锚杆等，其中在低预应力树脂中空锚杆施工前，选择某隧道1号斜井X1DK0+660.0～X1DK0+640.0段，开展工艺试验，该实验段的长度为1.2m，共设置15个锚杆。在该实验中，其锚杆长度为3m，衬垫板规格为15×150×6mm。

2 试验目的及范围

2.1 试验目的

(1)根据工艺性试验，确定该厂家生产的锚杆在现场施工时预应力达到60KN时螺母的扭矩控制值。

(2)确定施工参数，主要确定锚杆实心段长度、树脂药卷装填量、树脂锚固剂的静置时间、注浆浆液配比等参数；

(3)根据试验结果编制作业指导书，用以指导后续低预应力树脂锚杆施工。

2.2 试验范围

根据标段情况，在树脂锚杆大规模施工前，选取一段做工艺性试验，本次树脂 锚杆工艺试验段选在高原铁路某隧道1号斜井X1DK0+660.0～X1DK0+640.0区间纵向长度1.2m，按照环纵向间距1.2*1.2m 布设，共计锚杆15根，确定施工参数；按照环纵向间距1.2*1.2m，在 试验段上台阶开挖初喷后(前置法)及钢架架设复喷完成后(后置法)各打设5环，共计75根，对比分析两种施工方法的优劣，确定合理的施工方法。锚杆参数：本次试验采用长3m低预应力树脂中空注浆锚杆，锚杆长3m。垫板为15×150×6mm。

3 试验一：扭力—扭矩试验

此次试验的内容主要包括了三个方面，一是根据本标段中锚杆的实际情况，开展针对扭力-扭矩的测试，可以用来指导后续的测试和现场施工[2]。二是针对锚固段长度、药卷长度及注浆等参数进行试验；三是在前期工作基础上，比较先置法还是后置法两种试验技术的支护效果，最终确定最佳锚杆支护方案。

低预应力树脂中空注浆锚杆试验流程如图1所示。

图1 低预应力树脂中空注浆锚杆试验流程图

3.1 试验准备

1)制作穿心型套管，长度为50cm，直径108mm钢管，两端通过d为16 mm的钢板进行满焊，并在钢板的中央开一个28 mm的圆形孔洞。

2)从入场的Φ25中空锚杆中，任意选择3个，从3个中空锚杆段处每一个都随机地截取1m长的空心锚杆。

3)准备数显穿心型压力环和数显扭矩扳手。

3.2 测试步骤

1)在自行制作的工作台上紧固穿心型套管。

2)取锚杆一端用螺丝帽将其与套管一端焊在一起，另一端依次穿过套管、压力传感器和垫板，并用螺丝帽进行预紧。

3)用数字显示扭矩扳手拧紧螺帽，分别按设计值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进行扭动，并观察各扭力的压力传感器显示的数据，并进行记录。

4)对其余两套螺栓，按以上方法进行测试，并记录相关数据。

3.3 试验结果

利用扭力实验得到的数据，对锚杆的扭矩作出分析，根据各扭力以及对应的压力绘制扭力-压力的曲线，结果看到当锚杆的扭力从350N*m到800N*m的时候，压力传感的数值呈现出了一个递增的趋势，由此可以将扭力与压力传感的数值联系起来，即压力=扭力* K，带入数据进行计算得到的K值为0.094，按照设计的要求，锚杆的预应力为60 KN，根据计算式：压力=扭力* K，得出扭力为635 N*M。

4 试验二：锚杆施工参数试验

4.1 试验准备

在本次试验中，使用的树脂锚固剂是一种超快速树脂锚固剂，其型号为 CKa型。在对该树脂锚固剂的有关标准进行查找，了解到这种锚固剂的凝胶时间为8～25s，在5 min龄期的锚固力不少于匹配锚杆屈服力值的1.2倍（157.2 KN)，也就是在搅拌停止后等到5 min树脂胶浆与固化剂的反应就基本停止，并能够达到设计要求。

4.2 试验方法

试验二主要是针对锚固段长度、药卷长度和灌浆参数作为试验对象，共分成7个小组：

第一套锚本体节段长24cm，装药筒长30cm，试验用2支锚，两支锚的灌浆配比为0.35:1及0.45:1；

第二套锚本体节段长32cm，装药卷段长40cm，试验用2支锚，两支锚的灌浆配比为0.35:1及0.4:1；

第三套锚本体节段长40cm，装药筒长50cm，试验用2支锚，两支锚的灌浆配比为0.4:1，另一支锚为0.45:1；

第四套锚杆体节段长48cm，药卷长60（30+30）cm，一共试验了3个锚杆，其中三个锚的灌浆配比为0.35:1、0.4:1及0.45:1；

第五套锚本体节段长56cm，药卷长70（30+40）cm，试验用两支锚，两支锚的灌浆率为0.35:1和0.4:1；

第六套锚本体节段长64cm，药筒长80（40+40）cm，试验用两支锚，一支锚的灌浆配比为0.4:1，另一支锚的灌浆配比为0.45:1；

第七套锚本体节段长72cm，药盘90（40+50）cm，试验用两支锚，两支锚的灌浆配比一支为0.35:1，另一支锚为0.45:1。

在X1DK0+666.6～X1DK0+665.0处，共打15根锚杆，分为两个部分，第一部分7根，第二部分8根，以下为各锚杆的编号：

表1 试验锚杆编号及相关参数

①根据试验尺寸进行锚杆制作。

②根据试验计划的规定，对初始浇筑的混凝土进行放样，并根据要求标号。

③编号1-1,1-7的实体段为24cm，放置一根30cm长的炸药卷，之后用三臂凿岩台车迅速打入杆体，充分搅拌后等待5min静置，期间严禁接触桩身。待安装完毕后，马上安装垫片和螺母，开始张拉，待张拉至60 KN时，并作好记录。应用0.35:1水泥浆对1-1号锚进行灌浆，应用0.45:1水泥浆对1-7号锚进行灌浆，并对其灌浆充盈情况进行测试。

④1-2,1-6两孔实体段为32cm，放置一根40cm长的药卷，用三臂凿岩台车迅速打入桩身，搅拌均匀，放置5min，放置过程中严禁接触桩身。待安装完毕后，马上安装垫片和螺母，开始张拉，待张拉至60 KN时，并作好记录[3]。应用0.35:1水泥浆对1-2号锚进行灌浆，应用0.35:1水泥浆对1-6号锚分别进行灌浆，并测试灌浆充盈程度。

⑤1-3,1-5两孔实体段为40cm，放置一根50cm长的炸药，用三臂凿岩台车迅速转动，推动锚杆进入钻孔，搅拌均匀，放置5min，放置过程中不得接触到炸药。待安装完毕后，马上安装垫片和螺母，开始张拉，待张拉至60 KN时，并作好记录。在完成了预应力的施加之后，对1-3的锚杆，使用0.4:1的水泥注浆，对1-5的锚杆使用0.45:1的水泥注浆，并测试灌浆充盈程度。

⑥在1-4、2-4、2-5三个孔洞实体段都是48cm，放置两根60cm长的炸药卷，用三臂凿岩台车迅速打入桩身，搅拌均匀，放置5min，放置过程中不得接触桩身。待安装完毕后，马上安装垫片和螺母，并开始张拉，待张拉至60 KN时，并作好记录。在预应力施加完毕后，对1-4号锚杆进行0.35:1的水泥灌浆，对2-4号锚杆进行0.40:1的水泥灌浆，对2-5号锚杆进行0.45:1的水泥灌浆，并测试灌浆充盈程度。

⑦2-1,2-8两孔的实体段为56cm，放置2个70cm长的炸药卷，用三臂凿岩台车迅速转动，推动锚杆进入钻孔，搅拌均匀，放置5min，放置过程中严禁接触桩身。待固定完毕后，马上安装垫片和螺母，开始张拉，待张拉至60 KN时，并作好记录。在完成了预应力施加之后，对2-1锚杆使用0.35:1水泥注浆，对2-8锚杆使用0.40:1水泥注浆，并测试灌浆充盈程度。

⑧2-2,2-7两孔的实体段为64cm，放置2根80cm长的炸药卷，用用三臂凿岩台车迅速转动，推动锚杆进入钻孔，搅匀后放置5min，放置过程中严禁接触桩身。待固定完毕后，马上安装垫片和螺母，开始张拉，待张拉至60 KN时，并作好记录。应用0.4:1水泥浆对2-2号锚进行灌浆，用0.45:1水泥浆对2-7号锚进行了灌浆，并测试灌浆充盈程度。

4.3 检验结果

通过7个系列的测试，分别对锚杆的锚固长度、药卷长度及灌浆率进行了测试，得到了以下几个方面的结论：

第一套锚在灌浆完毕后放置5 min，然后使用锚杆拉伸器对其进行拉伸测试，在1-1号锚上加了380N*M的扭力后，锚杆被拉出，在1-7号锚上加了395N*M的扭矩后，锚被拉出；

第二套锚在灌浆完毕后放置5 min，然后使用锚杆拉伸器对其进行拉伸测试，在1-2个锚上加了420N*M的扭力后，锚被拉出，在1-6个锚上加了435N*M的扭矩后，锚被拉出；

第三套锚在进行灌浆时，放置5 min，然后使用锚杆拉伸仪器进行拉伸测试，在1至3号的锚上，在460N*M的扭力作用下，1-5号锚被拉出，在475N*M的扭矩作用下，锚被拉出；

第七套锚固结束后，放置5 min，用拉伸器进行拉伸实验，分别对2-3号和2-6号分别加了635牛的扭力，但都没有将锚杆拉出来。

5 试验三：锚杆施作方式试验

锚杆施作方法有先置法和后置法两种，试验三即选取最优锚杆施作方法。

(1)根据试验一、试验二得到的锚杆施工参数，在后续要开挖的12 m范围里（10环）进行试验三。

(2)在0～6m的范围里（前5环）用后置法，在6～12m的范围里（后5环）处采用前置法。

(3)后置法要在在初始浇筑之前，于需要初支的地方设置一个方形平台，其顶部30×30cm，底部33×33cm，高10cm，尺寸为1.2×1.2m。

(4)在锚固结束后，对已预留的洞口重新喷射。

(5)在6～12m的区域开挖并完成初次喷射后，进行打锚。

(6)对比两种施作方式的施工效果。

结果显示，先置锚杆施工一个周期所需要的时间是9.3h，后置法施工锚杆一个周期所需要的时间是8.6h，后置法施工的时间可以节省42min。但是，与后置法施工相比，先置法施工在控制软岩变形方面更占优势。此外，后置法施工需要预先预埋沟槽，还要对锚头进行处理，其操作过程会比较繁杂、较耗时，故此采用前置法更为理想。

6 质量控制措施

(1)设立专门的质量管理人员，健全质量保障制度，将试验质量层层把关。

(2)试验相关人员需要开展岗前培训，每个试验相关人员都要经过岗位培训及相关考核。

(3)强化试验作业的全程质量监管，严格控制施工作业的品质。

(4)严格执行质检体系，对出现的质检问题，要明确责任，找出原因，制定整改措施。

7 总结

从试验一结果来看，60KN的低预应力树脂中空锚杆施加的最大扭力为635 N* M；从试验二数据中可以看出，锚杆静置5min可以达到抗拔力的需求，注浆配合比应选择0.35:1～0.4:1；从试验三结果来看，采用先置法施工对于掌子面的施工安全、初期支护的平整度较好，因此锚杆宜采用先置法进行施工。总之，工程通过以上试验并加强质量控制，得出最佳锚杆参数及最佳支护方法，为低预应力树脂中空锚杆在复杂地质下铁路隧道施工中发挥最佳作用，并为后续正常施工提供可靠的施工指导，可为同类工程借鉴。