鐵路隧道低預應力樹脂中空錨桿試驗及其質量控制

安亞丁

北京鐵城建設監理有限責任公司 北京 100855

低預應力樹脂中空錨桿適合于各類復雜地質環境的隧道支護工程，能夠起到理想的支護強度，同時兼具注漿及排氣功能，適合各類巖層隧道的臨時支護或永久支護工程[1]。但在應用之前，需要進行相關試驗確定錨桿參數。一般來說，錨桿試驗主要是針對錨固段長度、藥卷長度及注漿等參數的確定。但若是地質非常復雜的地段，應在常規試驗的基礎上，進一步拓寬試驗范圍，為更多錨桿施工細節做出指導。

1 工程概況

以某高原鐵路某隧道為例，全隧為雙洞單線隧道，左右線線間距為30～40m，左線隧道進口里程DK659+700，出口里程DK675+225；右線隧道進口里程DYK659+705，出口里程DYK675+315.445，左線隧道全長15525m，右線隧道全長15610.445m，隧道設計錨桿主要為低預應力樹脂中空注漿錨桿、藥卷錨桿、低預應力漲殼式錨桿等，其中在低預應力樹脂中空錨桿施工前，選擇某隧道1號斜井X1DK0+660.0～X1DK0+640.0段，開展工藝試驗，該實驗段的長度為1.2m，共設置15個錨桿。在該實驗中，其錨桿長度為3m，襯墊板規格為15×150×6mm。

2 試驗目的及范圍

2.1 試驗目的

(1)根據工藝性試驗，確定該廠家生產的錨桿在現場施工時預應力達到60KN時螺母的扭矩控制值。

(2)確定施工參數，主要確定錨桿實心段長度、樹脂藥卷裝填量、樹脂錨固劑的靜置時間、注漿漿液配比等參數；

(3)根據試驗結果編制作業指導書，用以指導后續低預應力樹脂錨桿施工。

2.2 試驗范圍

根據標段情況，在樹脂錨桿大規模施工前，選取一段做工藝性試驗，本次樹脂 錨桿工藝試驗段選在高原鐵路某隧道1號斜井X1DK0+660.0～X1DK0+640.0區間縱向長度1.2m，按照環縱向間距1.2*1.2m 布設，共計錨桿15根，確定施工參數；按照環縱向間距1.2*1.2m，在 試驗段上臺階開挖初噴后(前置法)及鋼架架設復噴完成后(后置法)各打設5環，共計75根，對比分析兩種施工方法的優劣，確定合理的施工方法。錨桿參數：本次試驗采用長3m低預應力樹脂中空注漿錨桿，錨桿長3m。墊板為15×150×6mm。

3 試驗一：扭力—扭矩試驗

此次試驗的內容主要包括了三個方面，一是根據本標段中錨桿的實際情況，開展針對扭力-扭矩的測試，可以用來指導后續的測試和現場施工[2]。二是針對錨固段長度、藥卷長度及注漿等參數進行試驗；三是在前期工作基礎上，比較先置法還是后置法兩種試驗技術的支護效果，最終確定最佳錨桿支護方案。

低預應力樹脂中空注漿錨桿試驗流程如圖1所示。

圖1 低預應力樹脂中空注漿錨桿試驗流程圖

3.1 試驗準備

1)制作穿心型套管，長度為50cm，直徑108mm鋼管，兩端通過d為16 mm的鋼板進行滿焊，并在鋼板的中央開一個28 mm的圓形孔洞。

2)從入場的Φ25中空錨桿中，任意選擇3個，從3個中空錨桿段處每一個都隨機地截取1m長的空心錨桿。

3)準備數顯穿心型壓力環和數顯扭矩扳手。

3.2 測試步驟

1)在自行制作的工作臺上緊固穿心型套管。

2)取錨桿一端用螺絲帽將其與套管一端焊在一起，另一端依次穿過套管、壓力傳感器和墊板，并用螺絲帽進行預緊。

3)用數字顯示扭矩扳手擰緊螺帽，分別按設計值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進行扭動，并觀察各扭力的壓力傳感器顯示的數據，并進行記錄。

4)對其余兩套螺栓，按以上方法進行測試，并記錄相關數據。

3.3 試驗結果

利用扭力實驗得到的數據，對錨桿的扭矩作出分析，根據各扭力以及對應的壓力繪制扭力-壓力的曲線，結果看到當錨桿的扭力從350N*m到800N*m的時候，壓力傳感的數值呈現出了一個遞增的趨勢，由此可以將扭力與壓力傳感的數值聯系起來，即壓力=扭力* K，帶入數據進行計算得到的K值為0.094，按照設計的要求，錨桿的預應力為60 KN，根據計算式：壓力=扭力* K，得出扭力為635 N*M。

4 試驗二：錨桿施工參數試驗

4.1 試驗準備

在本次試驗中，使用的樹脂錨固劑是一種超快速樹脂錨固劑，其型號為 CKa型。在對該樹脂錨固劑的有關標準進行查找，了解到這種錨固劑的凝膠時間為8～25s，在5 min齡期的錨固力不少于匹配錨桿屈服力值的1.2倍（157.2 KN)，也就是在攪拌停止后等到5 min樹脂膠漿與固化劑的反應就基本停止，并能夠達到設計要求。

4.2 試驗方法

試驗二主要是針對錨固段長度、藥卷長度和灌漿參數作為試驗對象，共分成7個小組：

第一套錨本體節段長24cm，裝藥筒長30cm，試驗用2支錨，兩支錨的灌漿配比為0.35:1及0.45:1；

第二套錨本體節段長32cm，裝藥卷段長40cm，試驗用2支錨，兩支錨的灌漿配比為0.35:1及0.4:1；

第三套錨本體節段長40cm，裝藥筒長50cm，試驗用2支錨，兩支錨的灌漿配比為0.4:1，另一支錨為0.45:1；

第四套錨桿體節段長48cm，藥卷長60（30+30）cm，一共試驗了3個錨桿，其中三個錨的灌漿配比為0.35:1、0.4:1及0.45:1；

第五套錨本體節段長56cm，藥卷長70（30+40）cm，試驗用兩支錨，兩支錨的灌漿率為0.35:1和0.4:1；

第六套錨本體節段長64cm，藥筒長80（40+40）cm，試驗用兩支錨，一支錨的灌漿配比為0.4:1，另一支錨的灌漿配比為0.45:1；

第七套錨本體節段長72cm，藥盤90（40+50）cm，試驗用兩支錨，兩支錨的灌漿配比一支為0.35:1，另一支錨為0.45:1。

在X1DK0+666.6～X1DK0+665.0處，共打15根錨桿，分為兩個部分，第一部分7根，第二部分8根，以下為各錨桿的編號：

表1 試驗錨桿編號及相關參數

①根據試驗尺寸進行錨桿制作。

②根據試驗計劃的規定，對初始澆筑的混凝土進行放樣，并根據要求標號。

③編號1-1,1-7的實體段為24cm，放置一根30cm長的炸藥卷，之后用三臂鑿巖臺車迅速打入桿體，充分攪拌后等待5min靜置，期間嚴禁接觸樁身。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。應用0.35:1水泥漿對1-1號錨進行灌漿，應用0.45:1水泥漿對1-7號錨進行灌漿，并對其灌漿充盈情況進行測試。

④1-2,1-6兩孔實體段為32cm，放置一根40cm長的藥卷，用三臂鑿巖臺車迅速打入樁身，攪拌均勻，放置5min，放置過程中嚴禁接觸樁身。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄[3]。應用0.35:1水泥漿對1-2號錨進行灌漿，應用0.35:1水泥漿對1-6號錨分別進行灌漿，并測試灌漿充盈程度。

⑤1-3,1-5兩孔實體段為40cm，放置一根50cm長的炸藥，用三臂鑿巖臺車迅速轉動，推動錨桿進入鉆孔，攪拌均勻，放置5min，放置過程中不得接觸到炸藥。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。在完成了預應力的施加之后，對1-3的錨桿，使用0.4:1的水泥注漿，對1-5的錨桿使用0.45:1的水泥注漿，并測試灌漿充盈程度。

⑥在1-4、2-4、2-5三個孔洞實體段都是48cm，放置兩根60cm長的炸藥卷，用三臂鑿巖臺車迅速打入樁身，攪拌均勻，放置5min，放置過程中不得接觸樁身。待安裝完畢后，馬上安裝墊片和螺母，并開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。在預應力施加完畢后，對1-4號錨桿進行0.35:1的水泥灌漿，對2-4號錨桿進行0.40:1的水泥灌漿，對2-5號錨桿進行0.45:1的水泥灌漿，并測試灌漿充盈程度。

⑦2-1,2-8兩孔的實體段為56cm，放置2個70cm長的炸藥卷，用三臂鑿巖臺車迅速轉動，推動錨桿進入鉆孔，攪拌均勻，放置5min，放置過程中嚴禁接觸樁身。待固定完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。在完成了預應力施加之后，對2-1錨桿使用0.35:1水泥注漿，對2-8錨桿使用0.40:1水泥注漿，并測試灌漿充盈程度。

⑧2-2,2-7兩孔的實體段為64cm，放置2根80cm長的炸藥卷，用用三臂鑿巖臺車迅速轉動，推動錨桿進入鉆孔，攪勻后放置5min，放置過程中嚴禁接觸樁身。待固定完畢后，馬上安裝墊片和螺母，開始張拉，待張拉至60 KN時，并作好記錄。應用0.4:1水泥漿對2-2號錨進行灌漿，用0.45:1水泥漿對2-7號錨進行了灌漿，并測試灌漿充盈程度。

4.3 檢驗結果

通過7個系列的測試，分別對錨桿的錨固長度、藥卷長度及灌漿率進行了測試，得到了以下幾個方面的結論：

第一套錨在灌漿完畢后放置5 min，然后使用錨桿拉伸器對其進行拉伸測試，在1-1號錨上加了380N*M的扭力后，錨桿被拉出，在1-7號錨上加了395N*M的扭矩后，錨被拉出；

第二套錨在灌漿完畢后放置5 min，然后使用錨桿拉伸器對其進行拉伸測試，在1-2個錨上加了420N*M的扭力后，錨被拉出，在1-6個錨上加了435N*M的扭矩后，錨被拉出；

第三套錨在進行灌漿時，放置5 min，然后使用錨桿拉伸儀器進行拉伸測試，在1至3號的錨上，在460N*M的扭力作用下，1-5號錨被拉出，在475N*M的扭矩作用下，錨被拉出；

第七套錨固結束后，放置5 min，用拉伸器進行拉伸實驗，分別對2-3號和2-6號分別加了635牛的扭力，但都沒有將錨桿拉出來。

5 試驗三：錨桿施作方式試驗

錨桿施作方法有先置法和后置法兩種，試驗三即選取最優錨桿施作方法。

(1)根據試驗一、試驗二得到的錨桿施工參數，在后續要開挖的12 m范圍里（10環）進行試驗三。

(2)在0～6m的范圍里（前5環）用后置法，在6～12m的范圍里（后5環）處采用前置法。

(3)后置法要在在初始澆筑之前，于需要初支的地方設置一個方形平臺，其頂部30×30cm，底部33×33cm，高10cm，尺寸為1.2×1.2m。

(4)在錨固結束后，對已預留的洞口重新噴射。

(5)在6～12m的區域開挖并完成初次噴射后，進行打錨。

(6)對比兩種施作方式的施工效果。

結果顯示，先置錨桿施工一個周期所需要的時間是9.3h，后置法施工錨桿一個周期所需要的時間是8.6h，后置法施工的時間可以節省42min。但是，與后置法施工相比，先置法施工在控制軟巖變形方面更占優勢。此外，后置法施工需要預先預埋溝槽，還要對錨頭進行處理，其操作過程會比較繁雜、較耗時，故此采用前置法更為理想。

6 質量控制措施

(1)設立專門的質量管理人員，健全質量保障制度，將試驗質量層層把關。

(2)試驗相關人員需要開展崗前培訓，每個試驗相關人員都要經過崗位培訓及相關考核。

(3)強化試驗作業的全程質量監管，嚴格控制施工作業的品質。

(4)嚴格執行質檢體系，對出現的質檢問題，要明確責任，找出原因，制定整改措施。

7 總結

從試驗一結果來看，60KN的低預應力樹脂中空錨桿施加的最大扭力為635 N* M；從試驗二數據中可以看出，錨桿靜置5min可以達到抗拔力的需求，注漿配合比應選擇0.35:1～0.4:1；從試驗三結果來看，采用先置法施工對于掌子面的施工安全、初期支護的平整度較好，因此錨桿宜采用先置法進行施工?？傊?，工程通過以上試驗并加強質量控制，得出最佳錨桿參數及最佳支護方法，為低預應力樹脂中空錨桿在復雜地質下鐵路隧道施工中發揮最佳作用，并為后續正常施工提供可靠的施工指導，可為同類工程借鑒。