大變形隧道中鳥籠錨索系統的開發與應用研究

田 新

(中鐵十五局集團第二工程有限公司,上海 201714)

1 概述

大變形隧道開挖后會出現很多問題:變形快、變形量大、變形持續時間長等,而預應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]。

為適應軟巖大變形隧道的支護構造對及時主動性和耐久性的要求,并充分考慮到傳統機械錨固方式對軟巖隧道適應性較差[2]和對水泥基錨固方式等待時間偏長的特點缺陷[3-4],再根據對樹脂工藝錨固長度具有迅速施加預應力的能力[5-6]和水泥漿液錨固具備良好的長期支護強度[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。

2 鳥籠錨索系統結構組成

鳥籠錨索的錨頭系統由預應力錨索體(含鳥籠段)、注漿球墊、防腐套管、墊板和錨具等細部結構組成,其基本構造簡圖如圖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,膨脹節的外徑小于錨孔,但大于錨索(原)本體,因其形似鳥籠而命名,最大直徑為34 mm,其結構如圖2所示。“鳥籠形”膨脹節的作用有兩方面:一方面,膨脹節的端部擴大且“分散型結構”可使樹脂用量與錨固式溶劑的混合更加充分;另一方面,該結構使得錨索系統既滿足了隧道工程相關規范對錨桿/索保護層厚度(>8 mm)的要求,又實現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構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,從而具備了高強度性能的優點。

4)墊板和錨具結構,墊板尺寸采用250 mm×250 mm×20 mm的大尺寸墊板,以更好地實現預應力的擴散。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

鳥籠錨索系統的施工工藝包括以下步驟:

1)施工準備:復核施工者信息,建筑材料和設備的相關配套與適用性;清理作業面廢棄物、附著泥土和松散巖塊;施工風、水電、燈具已備好。

2)鉆孔:專人檢查復核鉆孔處的安全情況和鉆孔情況;鉆孔方向應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整(施工中需征得監理工程師同意)鉆機在施工時應優先采用旋轉式錨索鉆孔,以提高成孔的質量;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;鉆進深度以達到所施加錨索外部預應力的程度要求(對比具體的預應力加載方法)并滿足施工完畢時錨索受電設備直徑不超過350 mm的設計條件。

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

4)插入錨索:將鳥籠錨頭推入所應選擇的人工方法;必要時也可利用鉆機實現“旋轉推入”(盡可能避免),但應特別小心可能產生的機械損傷。

5)攪拌錨固:樹脂與錨固式劑拌和,應使用移動式挖掘機進行;對不宜的作業區域,應使用錨桿鉆機進行。攪拌時間則需要按照所使用樹脂錨固劑的種類而產生差別,一般使用CK(超快)系列樹脂錨固劑的一般攪拌機的時間要求約為30 s以內,而具體的時間分配規定則為:邊旋轉邊勻速推到孔底的時間占整個攪拌機時間的70%以內,推到洞底繼續攪拌的時間30%,在攪拌機過程中不能出現后退錨索。

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

7)張拉施工注漿材料:張拉用裝置、儀器均須預先完成標定、復核;張拉施工在附件布置完成后進行;鳥籠式錨頭的張拉施工應選用氣動錨索張拉施工設備,控制張拉須符合工程設計規定。張拉施工系統建成后,及時進行注漿材料;注漿方法材料必須達到設計條件;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是鳥籠錨索系統施工關鍵流程圖。

鳥籠錨索體系的樹脂工藝端部在完成錨固式以后,及時施加的外部預應力會通過墊木及時主動地對周邊隧道洞壁的支護圍巖加以約束,從而在墊木和端部錨之間構成壓力區域,在加壓區域內巖體物理力學參數也會獲得相應的改善,從而起到了緩解變形的目的,稱為“及時主動支護”。而后注漿材料技術利用由注漿球墊(注漿孔、連接管)、防腐套管、錨頭形成的一條注漿通路完成,實現了漿液“自底向上”的“中空注漿”能力,從而保證了注漿的安全性與嚴密度。當變形基本平衡之后,采用后注漿材料一方面可以降低整體預應力損失,但更主要的原因則是減少了錨索系統后期由于端頭錨固能力不足而失效后系統的整體失效,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,進而增強了結構的穩定性,從而達到“永久支護”。綜上所述,該鳥籠式錨索結構既達到了軟巖隧道支護及時主動性和耐久性的雙重特點,同時兼顧了長期和臨時性保護的功能。

4 預應力錨索支護技術現場測試

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

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

試驗選用錨索體為無黏結型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行錨索安裝,使用樹脂錨固劑進行錨固,其采用3節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),其次進行管道注漿,注漿水泥用量約86.576 kg,最后再進行張拉測試。

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

試驗選用錨索體為無黏結型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“鳥籠形”膨脹節,最大直徑 34 mm～35 mm;樹脂錨固劑采用3節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),其次進行管道注漿,注漿水泥用量約為84.298 kg,最后進行張拉。

試驗過程中采用錨索鉆頭在打設φ錨孔后,使用ZQS-50/2.3S型氣動手提式鉆頭攪拌調整錨固長度,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行拉拔,如圖4所示,設計的極限拉拔力為在加載過程中索體位移發生了顯著提升。

3)預應力錨索快速錨固效果測試:其目的主要驗證在以“下錨上注”為理論基礎,鳥籠錨索為預應力錨索,加入新配置的混合材料漿液為注漿材料,對軟巖隧道進行支護后的實際情況與常規預應力錨索之間的對比驗證,每種預應力錨索各進行3組試驗,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 普通預應力錨索錨固檢測

表2 鳥籠型預應力錨索快速錨固檢測

由表1,表2所得的數據可知,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,而普通支護錨固力為300 kN～310 kN左右,說明快速錨固方法的支護能力較強,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長的普通預應力錨索總耗時81 min～93 min,這也表明快速錨固技術具有良好的快速支護能力。

目前軟巖隧道中多采用鋼拱架支護,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于安裝預應力錨索的2倍,故使用預應力錨索極大節省了工程成本。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應力錨索支護的工程的總成本至少節省了30%,甚至更多。

綜上所述,本次現場試驗采用的鳥籠型預應力錨索基本達到軟巖隧道預應力錨索快速錨固的技術要求。

5 結語

本文通過介紹鳥籠錨索系統的組成結構與施工工藝可知,鳥籠錨索系統由預應力錨索體(含鳥籠段)、注漿球墊、防腐套管、墊板和錨具等細部結構組成,施工關鍵流程包括鉆孔、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及時主動性和耐久性的雙重特點,同時也兼具長期和臨時性保護的功能。從現場測試結果可以得知,鳥籠預應力錨索相比普通預應力錨索在支護能力、施工耗時及施工成本等方面更能滿足快速錨固的技術要求。