水力膨胀式锚杆在隧道支护中的应用

1 水力膨胀式锚杆在隧道支护中的应用 任赛星 佘玉华 中铁二局渝怀铁路工程指挥部 重庆 408601 摘摘 要要 水力膨胀式管子锚杆是一种全长锚固的新型锚杆 本文主要介绍了其作用机理 现场验证试验及 在隧道施工中的应用情况 并提出了改进建议 期望其能在隧道施工支护中得到广泛应用 关键词关键词 新型锚杆 抽检试验 隧道支护 推广应用 The water power inflation anchor pole is in the tunnel under construction application Ren sai xing She yu hua The Headquarters of Yuhuai of China Railway Engineering Civil Group No 2 ChongQin Abstract The water power inflation anchor pole is a kind of whole long new anchor pole This paper mainly introduced its function mechanism the spot of its verification experiment and its using under construction applied circumstance in the tunnel and put forward the improvement suggestion expect that it can get the extensive application in tunnel timbering Keyword new anchor pole take out the check experiment tunnel timbering expansion application 1 前言 在国内外地下工程中 锚杆的加固应用越来越多 特别是采用喷锚构筑法修建隧道时 锚杆是必 不可少的 从现有的几种锚杆应用情况来看 都有其不足的一面 如 全长粘结型锚杆 普通水泥砂 浆锚杆 早强水泥砂浆锚杆 树脂卷锚杆 水泥药卷锚杆 其砂浆在全长范围内很难保持均匀 满孔 从而不能充分起到设计要求的作用 端头锚固型锚杆受力集中在端部 容易产生应力集中等等 而水 力膨胀式管子锚杆作为一种受力合理 锚固力更强的新型锚杆能克服这些缺点 并且此种锚杆淘汰了 锚固剂 无粉尘和化学污染 改善了工作的劳动环境 2 工程概况 渝怀铁路白涛隧道位于重庆市涪陵白涛镇 为单线铁路隧道 全长 823 米 隧道穿越的地层 V 级围 岩 185 米 IV 级围岩 638 米 均为水平状页岩夹泥质灰岩 灰岩 节理发育 风化颇重 围岩强度为 RC 5 30Mpa 隧道按新奥法组织施工 正台阶开挖 锚喷施工支护 衬砌为模注砼 在 V 级围岩 185 米段设格栅 钢架及超前锚杆加固支护 喷射砼厚 20cm 锚杆长 3 5 间距为 0 8 1 0m 格栅纵向间距为不大于 2 1m 水力膨胀式锚杆在该隧道中进行了试验 并作为径向锚杆在全隧加以应用 3 水力膨胀式锚杆的构造及特点 3 13 1 锚杆构造锚杆构造 该锚杆是厚 2mm 无缝钢管加工成双层异型膨胀式管子锚杆 它由管状杆体 端套 挡圈 注液嘴 托盘等组成 锚杆外表直径为 400mm 锚杆构造详见图 1 3 23 2 锚杆锚杆 端套 杆体 托盘 注液嘴 挡圈 图1 水力膨胀式管子锚杆构造示意图 及其配套设备主要技术参数及其配套设备主要技术参数 锚杆及其配套设备主要技术参数锚杆及其配套设备主要技术参数 表 1 性 能指 标 初锚固力 80KN m 安装时间 90s 锚杆破断力98KN 摩擦力80 160KN 适应钻孔直径40 46mm 锚杆长度1 5 3m 也可由用户确定 充液压力20 25Mpa 泵额定压力31 5 Mpa 高压泵的功率和电压3KW 380 660V 3 33 3 作用原理作用原理 将锚杆装入事先钻好的岩孔中 并注入高压水 当水压超过钢管材料的屈服极限时 锚杆便产生 膨胀变形 使其牢牢地镶嵌在岩孔中 产生极大的摩擦力 对围岩产生强大的挤压加固作用形成拱圈 受力状态 同时在其膨胀过程中因其直径由细变粗 锚杆沿纵向有一定的收缩量 一般为 1 4mm 使托盘紧紧地压在隧道围岩表面 产生向上的托锚力 从而起到锚固围岩的作用 3 43 4 锚杆特点锚杆特点 3 4 1 安装方便 能立即承载 水力膨胀式锚杆是通过向杆体内部注液使其膨胀来锚固围岩的 它的安装时间主要有注液时间及 辅助时间两部分组成 一般注液在 10s 左右的时间便能完成整个锚固过程 加上辅助操作时间 安装 一根锚杆能在 1mim 内全部完成 并且可实现高位置施工 因此 它是安装时间最短的一种锚杆 同时 能够实现立即承载 3 4 2 锚杆全长锚固 受力均匀 锚固力大 3 该锚杆在满足正常充液压力的情况下 具有较大锚固力 一般在 80KN 以上 且为全长锚固 整 体随岩孔壁形状膨胀变化 受力均匀 3 4 3 在硬岩中锚固力效果好 在软岩中效果相应偏差 3 4 4 安装时不产生化学和粉尘污染 改善了劳动环境 4 水力膨胀管子锚杆抽检试验 4 14 1 锚杆自由膨胀试验锚杆自由膨胀试验 将锚杆放在地面上 压入高压水进行无约束的自由膨胀试验 其试验了 9 根 其长度分别为 2 0m 2 5m 3 0m 每种长度为 3 根 通过试验我们发现 充液压力为 10Mpa 时锚杆开始膨胀 一般都是在锚杆全长 2 5 4 5 之间先膨 胀 经过 15s 的稳压后 随着压力的升高 锚杆也迅速由中间向两端膨胀 充液压力达到 25Mpa 时 锚杆整个杆体都膨胀非常饱满 升压到 30Mpa 时 锚杆出现塑性变形 锚杆在岩孔中膨胀过程和性质 与上述基本相同 锚杆充液压力与充液时间关系如图 2 图 3 水力膨胀式锚杆自由膨胀过程压力与时间的关系曲线 10 5 充液时间 s 2030 充液压力P MPa 10 15 20 水力膨胀式锚杆在锚孔中膨胀过程压力与时间的关系曲线 5 1020充液时间 s 30 充液压力P MPa 10 15 20 图2图3 4 24 2 锚杆在不同直径钻孔中锚固力的测定锚杆在不同直径钻孔中锚固力的测定 这次试验是为确定锚杆适应孔径而做的 试验是在白涛隧道出口洞口拱圈进行 做法是 在拱圈 上分别用直径为 40mm 42mm 44mm 和 46mm 的钻头各打了 2 个孔 打入 1 5m 长的锚杆 测得在充液压 力为 28Mpa 时的初锚固力都在 120KN 以上 这表明 对这 4 种孔径水力膨胀锚杆都是适用的 4 34 3 充液压力与相应初锚力的测定充液压力与相应初锚力的测定 试验段的岩石为泥质灰岩 节理发育 风化颇重 属 级围岩 试验方法为 用 1 5m 长的锚杆 18 根 分成 6 组 每组 3 根 进行试验 锚杆孔与岩面相垂直 充液压力定为 10Mpa 15Mpa 18Mpa 20Mpa 25Mpa 30Mpa 充压后用 ML 20 拉力器拉拨并测量锚固力 当充液压 力达到 30Mpa 时 锚杆头被拉断 表明此时的初锚力已大于锚杆材料的极限抗拉强度 表 2 为实测的 锚杆初锚力 取其平均值绘出锚杆初锚力与充液压力关系曲线 如图 4 44 4 纵向及径向收缩量的测定纵向及径向收缩量的测定 锚杆受到充液压力后发生径向膨胀和轴向收缩 是水力膨锚杆的特点 我们对其轴向收缩量进行 4 了测定 其值为 1 4mm 同时管壁径向收缩量测试结果为 0 01 0 05mm 5 初锚力测试记录初锚力测试记录 表 2 5 水 锚杆充液压力与初锚力的关系图 05 图4 101520 20 40 80 60 100 初锚固力F kN 120 140 充液压力P MPa 2530 力膨胀式锚杆施工技术 隧道开工前首先熟悉设计文件 编制实施性施工组织设计 特别是水力膨胀式锚杆施工方案或作 业指导书 并进行技术交底 正确指导膨胀锚杆的施工 5 15 1 施工工艺流程施工工艺流程 光面爆破后清除危石进行施工支护 施工工艺流程详见图 5 5 25 2 初喷砼与架立格栅钢架初喷砼与架立格栅钢架 找顶清除危石后 立即初喷 5 7cm 厚的砼 封闭撑子面 以防岩石风化和剥落 然后按设计要求 架立好格栅钢架 这项工序与一般的锚喷支护相同 5 35 3 施放锚杆孔位施放锚杆孔位 根据锚杆孔的设计布置图 将锚杆孔位施放到作业面上 锚杆孔距的允许偏差为 150mm 5 45 4 钻设锚杆孔钻设锚杆孔 格栅钢架架立好后 用风力凿岩机按间距为 1 0m 菱形布置锚杆孔 孔径为 42mm 孔深为 3 1m 5 55 5 锚杆入孔锚杆入孔 锚杆插入注液器并锁闭后送入钻孔 使其托盘紧托岩面 在锚杆入孔前应吹清孔内 以防锚杆被 试件初锚力 KN 充液压 力 Mpa 1 2 3 平均锚固 力 KN 1055 649 850 251 9 1579 080 275 378 2 1899 4100 0100 399 9 20110 5100 3106 9105 9 25120 1110 3115 2115 2 30115 3122 4125 5121 1 爆破后找顶 清除危石 初喷混凝土 架设格栅钢 架 按设计施放 锚孔位置 钻机就位钻锚杆孔 进行第二根 锚杆作业 关闭阀门撤 除高压水管 向锚杆充注 高压水 调整 BPO 型高压泵 锚杆插入孔 内 清孔 施工工艺流程图 图 5 6 堵塞 5 65 6 锚杆充注高压水锚杆充注高压水 启动高压水泵及打开水路阀门 给锚杆充注高压水 开始时压力计指针读数慢慢往上升 在达 10Mpa 左右 经过一段时间稳压后压力便迅速上升 当压力达到 18Mpa 时 打开高压水泵回水管路进 行卸压 此时 水力膨胀式管子锚杆也就安装完毕 撤下安装棒 进行下一根锚杆的安装 5 75 7 施工注意事项施工注意事项 5 7 1 高压泵要设置防护罩 锚杆安装完毕 将高压胶管一并放入高压泵防护罩内 并搬移到安全无 淋水的地方 防止放炮时被砸坏 5 7 2 搬运高压泵时 必须先断开前一级电源开关 严禁带电作业 5 7 3 操作高压泵的司机要经过培训 5 7 4 进水阀未关闭 回水阀未打开之前 不准撤离安装棒 5 7 5 常向泵内初充 1 3 的乳化油 水必须经过滤网过滤 5 7 6 安装锚杆时 操作人员手擎安装棒应与锚杆孔轴线偏离一个角度 5 7 7 锚杆应轻拿轻放 避免末端注液咀碰伤 6 应用效果 水力膨胀式管子锚杆在该隧道中得以应用 加快了施工进度 确保了隧道开挖施工安全 提高了 临时支护施工质量 在安装锚杆当中 随机抽检了 10 根 抗拔力都在 110KN 以上 满足设计要求 对其初期支护进行了以净空水平位移 拱顶下沉为主的监测 共测 3 个断面 在每个断面的拱顶 设 1 个点 起拱线上 0 5 米和边墙上各 2 个点 量测数据如表 3 从表中数据看出 初期支护满足了 喷锚构筑法施工的要求 变形量测数据汇总表变形量测数据汇总表 表 3 最大位移值 mm 断面里程测点测量总天数 拱顶下沉水平收敛 I 15013 I 25025D1K155 170 I 34018 II 15020 II 25020D1K155 140 II 33012 III 13015 III 23018D1K155 110 III 32515 7 改进建议 7 1 此种锚杆的金属杆身与岩层直接接触 不耐久 时间长会锈蚀 再者 被锚胀力挤压的岩层徐变 作用引起锚固力会随时间延长而退化 因此 此种锚杆只能作短期使用的临时支护 尚需加大作为永 久支护的研究力度 7 7 2 如果这