大變形隧道中鳥籠錨索系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究

田 新

(中鐵十五局集團(tuán)第二工程有限公司,上海 201714)

1 概述

大變形隧道開挖后會出現(xiàn)很多問題:變形快、變形量大、變形持續(xù)時間長等,而預(yù)應(yīng)力錨索可以及時對已開挖隧道的圍巖提供足夠的承載力[1]。

為適應(yīng)軟巖大變形隧道的支護(hù)構(gòu)造對及時主動性和耐久性的要求,并充分考慮到傳統(tǒng)機(jī)械錨固方式對軟巖隧道適應(yīng)性較差[2]和對水泥基錨固方式等待時間偏長的特點(diǎn)缺陷[3-4],再根據(jù)對樹脂工藝錨固長度具有迅速施加預(yù)應(yīng)力的能力[5-6]和水泥漿液錨固具備良好的長期支護(hù)強(qiáng)度[7]等既有研究的前提下,本文提出并研究“樹脂端錨+水泥漿全長錨固”的鳥籠錨索系統(tǒng)。

2 鳥籠錨索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

鳥籠錨索的錨頭系統(tǒng)由預(yù)應(yīng)力錨索體(含鳥籠段)、注漿球墊、防腐套管、墊板和錨具等細(xì)部結(jié)構(gòu)組成,其基本構(gòu)造簡圖如圖1所示。

1)錨索體采用1×19S-21.8 mm-1 860 MPa錨索,鉆孔直徑45 mm。鳥籠段是在原有錨索體上加工形成多個“鳥籠形”膨脹節(jié),膨脹節(jié)的外徑小于錨孔,但大于錨索(原)本體,因其形似鳥籠而命名,最大直徑為34 mm,其結(jié)構(gòu)如圖2所示?！傍B籠形”膨脹節(jié)的作用有兩方面:一方面,膨脹節(jié)的端部擴(kuò)大且“分散型結(jié)構(gòu)”可使樹脂用量與錨固式溶劑的混合更加充分;另一方面,該結(jié)構(gòu)使得錨索系統(tǒng)既滿足了隧道工程相關(guān)規(guī)范對錨桿/索保護(hù)層厚度(>8 mm)的要求,又實(shí)現(xiàn)了樹脂錨固施工工藝中的三徑(鉆孔直徑一般為45 mm、錨固劑直徑和錨桿/索直徑)匹配性要求。

2)注漿方法球墊可以看作由三個部分構(gòu)成:空心的球狀清洗器、沿中軸線向伸展的連接管以及斜向伸展的注漿方法孔,其中球狀清洗器的中孔和注漿方法孔交叉相接,具有連接的功能。

3)防腐套管為連續(xù)波紋型PVC薄壁管,長度稍短于錨索全長,尺寸為36 mm×32 mm×1 mm。相比一般的圓管,防腐套管凹凸起伏的波紋結(jié)構(gòu)不僅提高了自身剛度,有利于套管的插入,并可防止阻塞泥漿流與黏結(jié)層,還可增加與灌漿物料之間的連接力度,使錨固完成后的錨固能力得以有效增強(qiáng),從而具備了高強(qiáng)度性能的優(yōu)點(diǎn)。

4)墊板和錨具結(jié)構(gòu),墊板尺寸采用250 mm×250 mm×20 mm的大尺寸墊板,以更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散。其中心孔直徑60 mm,該尺寸與注漿球墊尺寸相匹配;而錨具采用錐形3夾片形式,有利于提升錨固的可靠性。

3 鳥籠錨索施工工藝

鳥籠錨索系統(tǒng)的施工工藝包括以下步驟:

1)施工準(zhǔn)備:復(fù)核施工者信息,建筑材料和設(shè)備的相關(guān)配套與適用性;清理作業(yè)面廢棄物、附著泥土和松散巖塊;施工風(fēng)、水電、燈具已備好。

2)鉆孔:專人檢查復(fù)核鉆孔處的安全情況和鉆孔情況;鉆孔方向應(yīng)與巖石平面垂直并盡可能與巖層的最大傾角相交,如果角度太過時,則鉆孔傾角視情況局部調(diào)整(施工中需征得監(jiān)理工程師同意)鉆機(jī)在施工時應(yīng)優(yōu)先采用旋轉(zhuǎn)式錨索鉆孔,以提高成孔的質(zhì)量;每次鉆孔工作最少要由2個合作人員完成,上臺階鉆孔過程中,須密切注意頂部巷道圍巖,防止落塊傷害;鉆進(jìn)深度以達(dá)到所施加錨索外部預(yù)應(yīng)力的程度要求(對比具體的預(yù)應(yīng)力加載方法)并滿足施工完畢時錨索受電設(shè)備直徑不超過350 mm的設(shè)計條件。

3)安裝錨固劑:一般應(yīng)選用PE管,沿鉆孔壁遲緩、逐節(jié)推進(jìn)至孔底;完成后應(yīng)保證錨固長劑不打滑;推進(jìn)過程中應(yīng)采取有效保護(hù)措施防止錨固長劑斷裂或無法推進(jìn)等狀況出現(xiàn)。

4)插入錨索:將鳥籠錨頭推入所應(yīng)選擇的人工方法;必要時也可利用鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)推入”(盡可能避免),但應(yīng)特別小心可能產(chǎn)生的機(jī)械損傷。

5)攪拌錨固:樹脂與錨固式劑拌和,應(yīng)使用移動式挖掘機(jī)進(jìn)行;對不宜的作業(yè)區(qū)域,應(yīng)使用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行。攪拌時間則需要按照所使用樹脂錨固劑的種類而產(chǎn)生差別,一般使用CK(超快)系列樹脂錨固劑的一般攪拌機(jī)的時間要求約為30 s以內(nèi),而具體的時間分配規(guī)定則為:邊旋轉(zhuǎn)邊勻速推到孔底的時間占整個攪拌機(jī)時間的70%以內(nèi),推到洞底繼續(xù)攪拌的時間30%,在攪拌機(jī)過程中不能出現(xiàn)后退錨索。

6)安裝附件(墊板注漿球墊/錨具):附件的安裝須在符合規(guī)范中規(guī)定的錨固長劑等待安裝時間后方可進(jìn)行,而CKb系列錨固長劑則建議15 min為宜后方可進(jìn)行安裝附件;防腐套管通過螺旋方式,與注漿料球墊進(jìn)行相連;墊板盡量在平順的巖石表面放置,保持墊木與巖石面密貼,防止點(diǎn)接觸和線碰撞等狀況出現(xiàn),保護(hù)墊板產(chǎn)生效果。

7)張拉施工注漿材料:張拉用裝置、儀器均須預(yù)先完成標(biāo)定、復(fù)核;張拉施工在附件布置完成后進(jìn)行;鳥籠式錨頭的張拉施工應(yīng)選用氣動錨索張拉施工設(shè)備,控制張拉須符合工程設(shè)計規(guī)定。張拉施工系統(tǒng)建成后,及時進(jìn)行注漿材料;注漿方法材料必須達(dá)到設(shè)計條件;注漿料壓宜維持在0.5 MPa以下,待泥漿從墊木背后溢出時停止注漿方法材料工作。

圖3是鳥籠錨索系統(tǒng)施工關(guān)鍵流程圖。

鳥籠錨索體系的樹脂工藝端部在完成錨固式以后,及時施加的外部預(yù)應(yīng)力會通過墊木及時主動地對周邊隧道洞壁的支護(hù)圍巖加以約束,從而在墊木和端部錨之間構(gòu)成壓力區(qū)域,在加壓區(qū)域內(nèi)巖體物理力學(xué)參數(shù)也會獲得相應(yīng)的改善,從而起到了緩解變形的目的,稱為“及時主動支護(hù)”。而后注漿材料技術(shù)利用由注漿球墊(注漿孔、連接管)、防腐套管、錨頭形成的一條注漿通路完成,實(shí)現(xiàn)了漿液“自底向上”的“中空注漿”能力,從而保證了注漿的安全性與嚴(yán)密度。當(dāng)變形基本平衡之后,采用后注漿材料一方面可以降低整體預(yù)應(yīng)力損失,但更主要的原因則是減少了錨索系統(tǒng)后期由于端頭錨固能力不足而失效后系統(tǒng)的整體失效,從而保證了錨固體系在隧道整個服役階段都能起到可靠的支撐效應(yīng),進(jìn)而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而達(dá)到“永久支護(hù)”。綜上所述,該鳥籠式錨索結(jié)構(gòu)既達(dá)到了軟巖隧道支護(hù)及時主動性和耐久性的雙重特點(diǎn),同時兼顧了長期和臨時性保護(hù)的功能。

4 預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場測試

1)預(yù)應(yīng)力錨索施工檢測:本文選取某公路軟巖隧道進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)現(xiàn)場測試,首先采用普通的預(yù)應(yīng)力錨索的施工方法進(jìn)行支護(hù),就其成孔、錨索制作、錨索安裝、錨固以及張拉等施工工藝進(jìn)行測試;然后再使用鳥籠錨索,兩者進(jìn)行對比。

首先進(jìn)行普通預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù),采用鉆桿導(dǎo)正器來糾正偏斜,有效解決鉆頭向上偏斜,保證鉆頭按照預(yù)定軸線鉆進(jìn),采用的導(dǎo)正器直徑為140 mm～150 mm,長80 mm～100 mm,副導(dǎo)正器直徑為130 mm～140 mm,長150 mm～330 mm。

試驗(yàn)選用錨索體為無黏結(jié)型5 m長1×19 s-21.80 mm-1 860 MPa鋼絞線,最大力583 kN,屈服力(0.2%)513 kN,伸長率3.5%,使用上仰錨索安裝方法以及水平錨索安裝方法進(jìn)行錨索安裝,使用樹脂錨固劑進(jìn)行錨固,其采用3節(jié)CKb3 540 (直徑35 mm、長度40 cm),換算理論錨固長度1.02 m(樹脂錨固長度1.2 m～1.5 m,錨固力300 kN～350 kN),其次進(jìn)行管道注漿,注漿水泥用量約86.576 kg,最后再進(jìn)行張拉測試。

2)快速錨固施工測試:通過在試驗(yàn)隧道斷面的上、中臺階開展鳥籠型錨索的現(xiàn)場錨固拉拔實(shí)驗(yàn),檢測鳥籠錨索系統(tǒng)在軟巖大變形隧洞中的可行性及安全性。依托隧道試驗(yàn)斷面圍巖大多為薄層水泥狀炭質(zhì)板巖(夾砂質(zhì)板巖)發(fā)育,而地下水層則大多為壩基巖性裂隙水、并不發(fā)育;巖塊的點(diǎn)荷載,換算強(qiáng)度22.7 MPa～35.6 MPa。

試驗(yàn)選用錨索體為無黏結(jié)型5 m長1×19 s-21.80 mm-1 860 MPa鋼絞線,最大力583 kN,屈服力513 kN,伸長率3.5%,鳥籠段長度1.2 m,含4節(jié)“鳥籠形”膨脹節(jié),最大直徑 34 mm～35 mm;樹脂錨固劑采用3節(jié)CKb3540(直徑35 mm、長度40 cm),換算理論錨固長度1.02 m(樹脂錨固長度1.2 m～1.5 m,錨固力300 kN～350 kN),其次進(jìn)行管道注漿,注漿水泥用量約為84.298 kg,最后進(jìn)行張拉。

試驗(yàn)過程中采用錨索鉆頭在打設(shè)φ錨孔后,使用ZQS-50/2.3S型氣動手提式鉆頭攪拌調(diào)整錨固長度,在錨固性能15 min為宜后,再使用45 t型手動油管對壓力穿心螺旋千斤頂進(jìn)行拉拔,如圖4所示,設(shè)計的極限拉拔力為在加載過程中索體位移發(fā)生了顯著提升。

3)預(yù)應(yīng)力錨索快速錨固效果測試:其目的主要驗(yàn)證在以“下錨上注”為理論基礎(chǔ),鳥籠錨索為預(yù)應(yīng)力錨索,加入新配置的混合材料漿液為注漿材料,對軟巖隧道進(jìn)行支護(hù)后的實(shí)際情況與常規(guī)預(yù)應(yīng)力錨索之間的對比驗(yàn)證,每種預(yù)應(yīng)力錨索各進(jìn)行3組試驗(yàn),測試錨索錨固的具體耗時和極限拉力值,如表1,表2所示。

表1 普通預(yù)應(yīng)力錨索錨固檢測

表2 鳥籠型預(yù)應(yīng)力錨索快速錨固檢測

由表1,表2所得的數(shù)據(jù)可知,大約理論錨固長度1.5 m的樹脂錨固劑及新型快速承載注漿材料所提供的錨固力為430 kN～450 kN左右,而普通支護(hù)錨固力為300 kN～310 kN左右,說明快速錨固方法的支護(hù)能力較強(qiáng),完全可以阻止隧道軟體圍巖的變形。而在施工耗時方面,5 m長的鳥籠錨索從開始鉆孔一直到注漿結(jié)束這一完整階段里的總耗時大約為37 min～47 min,而5 m長的普通預(yù)應(yīng)力錨索總耗時81 min～93 min,這也表明快速錨固技術(shù)具有良好的快速支護(hù)能力。

目前軟巖隧道中多采用鋼拱架支護(hù),由于軟巖變形量大、變形速度快,容易換拱,鋼拱架換一次成本相當(dāng)于安裝預(yù)應(yīng)力錨索的2倍,故使用預(yù)應(yīng)力錨索極大節(jié)省了工程成本。而且換拱造成的工期延后損失以及人員開支成本至少增加了20%,整個工程算下來使用預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)的工程的總成本至少節(jié)省了30%,甚至更多。

綜上所述,本次現(xiàn)場試驗(yàn)采用的鳥籠型預(yù)應(yīng)力錨索基本達(dá)到軟巖隧道預(yù)應(yīng)力錨索快速錨固的技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文通過介紹鳥籠錨索系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與施工工藝可知,鳥籠錨索系統(tǒng)由預(yù)應(yīng)力錨索體(含鳥籠段)、注漿球墊、防腐套管、墊板和錨具等細(xì)部結(jié)構(gòu)組成,施工關(guān)鍵流程包括鉆孔、安裝錨固劑、插入錨索、攪拌錨固、安裝附件、張拉注漿等工藝,該鳥籠錨索既滿足了軟巖隧道支護(hù)及時主動性和耐久性的雙重特點(diǎn),同時也兼具長期和臨時性保護(hù)的功能。從現(xiàn)場測試結(jié)果可以得知,鳥籠預(yù)應(yīng)力錨索相比普通預(yù)應(yīng)力錨索在支護(hù)能力、施工耗時及施工成本等方面更能滿足快速錨固的技術(shù)要求。