漲殼式中空錨桿抗沖擊性能現場試驗研究

陳瓊 龐琦 隋學 張金龍 趙武勝

摘要：巴基斯坦N-J水電站引水隧洞沿線埋深大，區域地質構造復雜，TBM施工過程中巖爆災害頻發，使漲殼式中空錨桿在強沖擊力作用的支護性能研究顯得異常迫切。設計并實施了漲殼式中空錨桿抗沖擊性能現場大型試驗，對現場試驗的支護、監測方案設計和試驗過程和結果進行了論述。試驗表明：在不注漿條件下，錨固效果在巖體破碎時很難達到設計的效果，在動力荷載作用下，錨桿變化較快，在破碎圍巖中錨桿最大應力（拉應力）遠小于設計值。

Abstract： The water diversion tunnel of N-J Hydropower Station in Pakistan has a large buried depth and complex geological structure. The frequent occurrence of rockburst disasters during TBM construction makes the research on the supporting performance of the shell-type hollow anchors under strong impact force urgent. The large-scale test on the impact resistance of the shell-type hollow anchor was designed and implemented， and the support， monitoring scheme design and test process and results of the field test were discussed. The test shows that under the condition of no grouting， the anchoring effect is difficult to achieve the design effect when the rock mass is broken. Under the dynamic load， the bolt changes rapidly， and the maximum stress （pull stress） of the bolt in the broken surrounding rock is far less than the design value.

關鍵詞：漲殼式中空錨桿;抗沖擊性能;地下廠房

Key words： rising shell hollow anchor;impact resistance;underground plant

中圖分類號：TV554? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）34-0130-02

0? 引言

錨桿是地下工程施工中重要的支護手段之一，漲殼式中空錨桿以其提供施工方便、提供預應力及時、具有高抗剪強度和剛度等優點在交通、水電、礦上等地下工程中得到了廣泛的應用[1-4]。國內外學者也對其各項性能進行了廣泛深入的研究，例如：劉江等[2]通過在鄭萬高鐵高家坪隧道軟弱圍巖段大斷面機械化施工條件下漲殼式預應力中空錨桿的應用研究，總結出漲殼式預應力中空錨桿工作原理、工藝流程。蔡向陽和任勇[3]從監理工程師角度闡述了漲殼式預應力中空注漿錨桿新材料應用產生的工程變更處理的基本原則和方法、方式。鄭鵬飛[4]對漲殼式預應力中空錨桿施工工藝及技術要點作了詳細論述，闡明了漲殼式預應力中空錨桿在隧洞支護中的重要意義。對但總的來說，現有的研究成果多集中在施工效果和工藝的研究，對其在強沖擊力作用的支護性能還缺乏現場大型試驗的驗證。

巴基斯坦N-J水電站引水隧洞沿線埋深大，地應力高，區域地質構造復雜，在TBM施工過程中出現了不同程度的巖爆災害，巖爆嚴重影響了隧洞的正常掘進，并對人員及設備安全帶來了嚴重威脅。面對較強巖爆，現有漲殼式錨支護方案是否能滿足抗沖擊要求缺乏試驗數據支撐，經綜合考慮，N-J項目部研究決定采用爆炸模擬巖爆進行錨桿抗沖擊性能試驗，試驗地點選擇在出露巖體相對完整的一個邊坡（如圖1所示）。

本次試驗通過模擬當前強巖爆區域的地質條件及支護形式，在常規錨網梁支護模式下，利用孔內爆破模擬強巖爆的方式來驗證當前現場支護的合理性。爆破所用炸藥用量釋放的能量模擬試驗區圍巖發生強巖爆到極強巖爆時錨桿受力狀況。

1? 支護方案設計與監測方案

1.1 支護方案設計

錨桿形式和規格：漲殼式中空錨桿10根，9根試驗錨桿，1根備用錨桿，由漲殼式錨頭、鋼筋桿體、托盤及螺母組成，型號為D28（可施加預應力80～100kN），桿體斷裂抗拉強度≥310kN，延伸率≥8%，桿體長度3.85m，直徑？準28mm;

槽鋼：5根，根據現場安裝實際情況，采用整體槽鋼或分段槽鋼;

網片規格：采用Φ10mm的鋼絲焊接網，規格為1500×1200mm，網格尺寸150×150mm;

錨桿布置：錨桿間距為1300mm，排距900mm;

錨桿預緊力：設計錨桿安裝預緊力80kN～100kN。

1.2 監測方案設計

1.2.1 監測內容

本次試驗采用UT3404動態數據采集系統，主要測試錨桿的軸向應變波和兩種不同支護形式下所受爆破沖擊波。

1.2.2 監測步驟和方法

①試驗錨桿應變片貼片。采用BX120-3AA（3mm×3mm）型應變片及導線4套，2套試驗，2套備用，監測爆破期間錨桿的軸向應變波。

在進行現場爆破對比試驗前，需要對錨桿進行精細加工。主要包括以下幾個方面：切槽打磨;黏貼應變片并焊接導線;應變片保護。選取錨桿一根，貼上1個應變片，2根導線。通過橋盒與動態采集儀相連。應變片粘貼位置為距離錨尾1000mm。貼片以及連線后的錨桿（此處為應變片黏貼演示錨桿，非現場安裝錨桿）。

②壓力傳感器安裝。

本次試驗選取安裝位置完全一致的KD壓力傳感器及屏蔽線2套（其中1套備用）器監測錨桿所受爆破沖擊波。因現場需要表面不噴射混凝土，因此將壓力傳感器固定于兩個錨桿托盤之間。

③測試系統的組建及調試。

錨桿支后，開啟放大器預熱，將動態采集儀、橋盒按順序連接成設計數目的測試線路，最后根據應變片的工作模式，將測點的應變片接入橋盒。根據現場試驗要求選取合適的采樣時間、應變波頻率等采樣參數。

④應變波、沖擊壓力波采集。

試驗測試時，采集分析儀器采用的采樣率定為128kHz，采用上升沿觸發，觸發延遲-40，觸發極性自由運行。應變波采集時根據應變片、導線電阻進行校正因子計算，沖擊壓力波采集時根據傳感器靈敏度校正。

2? 試驗結果分析

2.1 爆破沖擊距離及爆腔形態

現場觀測爆破沖擊距離約為30m以上，且網片破斷呈絲狀，槽鋼剪斷（如圖2所示），說明爆破沖擊非常強，類似極強巖爆。

爆破后爆腔形態如圖2所示。爆腔內部非常破碎，且結構面、層理發育;普通錨桿支護處爆腔呈V字型爆坑，圍巖中存在一些傾斜的結構面，且表面有明顯擦痕，爆腔深度約為2.3m。

2.2 錨桿支護體形態

現場爆破后的錨桿形態如圖3所示。從現場爆破后錨桿支護體形態看，錨桿明顯彎曲，托盤無太大變化。上述錨桿支護體形態說明：由于內部巖體破碎，孔徑較大（現場量測約為52～55mm），錨桿漲殼錨頭幾乎未起到應有的錨固作用，不能與外端托盤、螺母等形成整體錨固體系。

2.3 錨桿應變波波形特征

錨桿應變波形分析監測儀測到應變波形如圖4所示，圖中正表示壓應變，負表示拉應變。

由圖知，在爆破作用下，錨桿應變波變化較快，波形衰減明顯，振動時間短，最大值為175.084×10-6。根據應變信號和應力轉化關系?錨桿彈性模量為210GPa，計算爆炸動載引起的應力，錨桿最大應力（拉應力）為36.77MPa。

3? 結論

①因無法在隧洞內進行爆破試驗，選取室外類似巖性地點試驗，表面看來巖性較為完整，爆破后發現內部非常破碎，且結構面、層理發育;直接影響了漲殼錨頭的錨固效果，從爆破后漲殼錨頭端部擦痕來看，在不注漿條件下，漲殼錨頭的錨固效果在巖體破碎時很難達到設計的錨固效果。②在爆破荷載作用下，錨桿應變波變化較快，波形衰減明顯，振動時間短，在破碎圍巖中錨桿最大應力（拉應力）遠小于設計值。

參考文獻：

[1]趙應文.強巖爆隧洞機械漲殼式預應力中空錨桿支護技術[J].黑龍江水利科技，2015，43（06）：77-78.

[2]劉江，王軍，徐騰輝.漲殼式預應力中空錨桿在機械化開挖大斷面隧道中的施工應用研究[J].隧道建設（中英文），2018，38（S2）：324-329.

[3]蔡現陽，任勇.漲殼式預應力中空注漿錨桿新材料應用工程變更處理[J].四川水力發電，2015，34（S2）：21-23，46.

[4]鄭鵬飛.漲殼式預應力中空錨桿在錦屏引水隧洞的應用[J].科技與企業，2013（01）：196.