TBM組裝洞室加固支護(hù)中錨桿類型的選擇

徐虎城，史晉華，白立強(qiáng)

(1.新疆額河建管局，新疆 烏魯木齊 830000；2.山西省水利建筑工程局，山西 太原 030000)

地下洞室的開挖使圍巖應(yīng)力按區(qū)域重新分布，若其周邊巖體的強(qiáng)度不足以承受作用在上面的荷載，圍巖就會失穩(wěn)。錨桿支護(hù)是一種常規(guī)的地下洞室圍巖支護(hù)手段，它是一種柔性支護(hù)，能夠與圍巖共同變形[1- 2]。錨桿類型選擇的不同，對洞室穩(wěn)定具有不同的影響效果，在施工現(xiàn)場通過對錨桿施工工藝的試驗，既確保了錨桿類型的選擇對支護(hù)效果的導(dǎo)向，又選擇了安全、經(jīng)濟(jì)的錨桿類型達(dá)到支護(hù)效果，滿足了洞室圍巖的穩(wěn)定。

1 概況

新疆某隧洞長度為47.5km，采用TBM法與鉆爆法施工相結(jié)合的施工方案，其中TBM法施工40.967km，鉆爆法施工6.553km。TBM施工采用2臺全新開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，開挖直徑均為8.0m，從支洞進(jìn)入主洞后分別向上下游同時掘進(jìn)施工。“一洞雙機(jī)”2臺TBM均在洞內(nèi)組裝，TBM輔助洞室包括安裝洞、附屬設(shè)備服務(wù)洞、步進(jìn)洞、始發(fā)洞等，工程整體分段平面圖如圖1所示。

圖1 工程整體分段平面圖

圖2 TBM組裝洞室結(jié)構(gòu)支護(hù)圖

2 TBM組裝洞室加固錨桿支護(hù)的原則

2.1 TBM組裝洞室地質(zhì)條件

該段巖性為華力西期花崗巖，巖體完整、新鮮，呈塊狀，圍巖穩(wěn)定條件較好，石英含量20%～30%，該段無區(qū)域性大斷裂及次級斷裂通過，隧洞理深在375～395m，均處在新鮮基巖內(nèi)，為堅硬巖，圍巖整體穩(wěn)定性好，以Ⅱ類圍巖為主，局部夾Ⅳ、Ⅴ圍巖。

2.2 TBM組裝洞室錨桿支護(hù)

TBM組裝洞段采用鉆爆法施工，長度為194m，結(jié)構(gòu)尺寸為11m×17.7m。組裝洞室拱頂結(jié)構(gòu)為蘑菇頭，錨噴支護(hù)設(shè)計為3種錨桿，分別為φ25中空注漿錨桿、φ25、φ28砂漿錨桿，邊墻部位為φ22砂漿錨桿，注漿材料均為M20水泥砂漿。φ25中空錨桿材質(zhì)為Q420，壁厚6mm，低合金高強(qiáng)度鋼，長度L=5.0m；φ25/φ28/φ22砂漿錨桿材質(zhì)為HRB400熱軋低碳鋼筋，長度L=5.0m/6.0m/4.0m。TBM組裝洞室結(jié)構(gòu)支護(hù)如圖2所示。

3 錨桿類型的試驗分析

錨噴支護(hù)是通過調(diào)動和增加巖體自身強(qiáng)度實現(xiàn)巖體自身支撐的穩(wěn)定，錨桿是高抗拉性能材料制作的一種桿狀結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械裝置、粘結(jié)介質(zhì)將其埋入洞室圍巖內(nèi)，形成承受荷載，阻止圍巖變形，加固洞室結(jié)構(gòu)，改善圍巖周邊應(yīng)力狀態(tài)[3- 5]。通過現(xiàn)場試驗，選取錨桿類型，實現(xiàn)錨桿支護(hù)作用，達(dá)到穩(wěn)定洞室的目的。

3.1 錨桿施工工藝現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場對中空注漿錨桿進(jìn)行工藝試驗，以檢驗中空注漿錨桿施工的可行性、工藝的可操作性及漿液飽滿度等，為TBM組裝洞室加固支護(hù)錨桿類型選擇提供科學(xué)依據(jù)[6- 7]。

3.2 試驗準(zhǔn)備材料

中空注漿錨桿：Q420，壁厚6mm，L=5.0m/3.0m，Φ25實心錨桿，L=5.0m；水泥砂漿(水灰比0.42/0.6)、純水泥漿(水灰比0.6)；止?jié){塞；6mm橡膠排氣管；φ45硬質(zhì)PVC管；P.O425普通硅酸鹽水泥(袋裝)；經(jīng)過篩分的細(xì)砂。

3.3 試驗設(shè)備

3.4 試驗過程

中空注漿錨桿試驗一共進(jìn)行了5次試驗，具體試驗內(nèi)容詳見表1。

表1 中空注漿錨桿工藝試驗內(nèi)容

3.5 通漿試驗

中空注漿錨桿施工時必須使砂漿順利通過錨桿桿體，才能填充錨桿桿體與孔壁之間的空隙。為驗證錨桿注漿砂漿能否順利通過中空桿體，進(jìn)行了2組通漿試驗，分別采用砂漿和純水泥漿液，選用的中空注漿錨桿長度均為5m。

嚴(yán)格按照砂漿配合比和水灰比進(jìn)行砂漿漿液調(diào)制，注漿管與中空注漿錨桿的端頭采用膠帶密封，確保注漿開始時不在端頭發(fā)生漏漿現(xiàn)象。

注漿開始后，隨螺桿注漿機(jī)啟動，漿斗內(nèi)的砂漿開始緩慢壓入注漿管內(nèi)，在10s后，漿斗內(nèi)的砂漿不再下沉，注漿機(jī)壓力迅速上升，中空注漿錨桿另一端頭未出現(xiàn)砂漿流出。為防止爆管，隨即關(guān)閉了注漿機(jī)，將注漿管與中空注漿錨桿連接處分離。經(jīng)檢查，中空注漿錨桿桿體內(nèi)有35cm長度充填有砂漿，其余桿體內(nèi)均無砂漿。

鑒于上述試驗結(jié)果，現(xiàn)場立即對砂漿進(jìn)行稀釋，水灰比調(diào)整為0.6，再進(jìn)行通漿試驗。砂漿壓入中空注漿錨桿內(nèi)的長度增大至1.2m。其余與采用水灰比為0.42的通砂漿試驗相同。

兩次試驗結(jié)果顯示，砂漿在試驗過程中易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致漿斗內(nèi)的砂漿在充填滿注漿管和中空注漿錨桿一定長度后即不再流動。試驗說明采用正常施工時錨桿砂漿配合比(水灰比為0.42/0.6)均不能有效穿過中空注漿錨桿的桿體。

鑒于通砂漿試驗過程中砂漿不能有效穿過錨桿桿體，將砂漿調(diào)整為純水泥漿，水灰比采用0.6。試驗開始前，將注漿機(jī)及注漿管進(jìn)行了清理，調(diào)配好了符合要求的純水泥漿液，并將注漿管與中空注漿錨桿端頭進(jìn)行了密封連接。試驗開始后，純水泥漿液快速地從中空注漿錨桿的另一端流出，且流速較為穩(wěn)定和連續(xù)。

試驗結(jié)果說明Φ25、L=5m中空注漿錨桿(壁厚δ=6mm)可以有效通過純水泥漿液。

主要包括廣東沿階草(Ophiopogon reversus)、地菍(Melastoma dodecandrum)、馬蹄金(Dichondra repens)、肥肉草、禺毛茛(Ranunculus cantoniensis)、鴨兒芹(Cryptotaenia japonica)、蔓莖堇菜(Viola diffusa)等，適于陰濕林下和林間隙地等環(huán)境覆蓋地面，同時也有一定的觀賞價值。

3.6 飽滿度試驗

施工過程中，純水泥漿液(水灰比0.6)經(jīng)注漿機(jī)推進(jìn)后通過中空注漿錨桿桿體進(jìn)入到桿體與孔壁之間的空隙，能否將空隙全部填滿，以及填滿空隙后的結(jié)石率，需要在施工前進(jìn)行工藝性試驗，以確定能否滿足中空注漿錨桿的施作質(zhì)量。試驗選用Φ25、L=3m的中空注漿錨桿(壁厚δ=6mm)。

為模擬圍巖注漿環(huán)境，試驗采用1根φ50，L=3.0mPVC管模擬錨桿孔，PVC管兩個端頭的一端進(jìn)行了封閉處理。試驗時，將綁有排氣管(橡膠管，內(nèi)徑6mm，超出錨桿端3cm)的中空注漿錨桿放置在PVC管內(nèi)，錨桿端頭距離PVC管封閉端5cm，錨桿入管端采用止?jié){塞封閉，同時將排氣管通過止?jié){塞延伸至外部，中空注漿錨桿安裝示意圖如圖3所示。

圖3 中空注漿錨桿安裝示意圖

為提高采用PVC管模擬中空注漿錨桿施工工藝的仿真度，將安裝好中空注漿錨桿的PVC管按450角固定在巖臂上，并做好了相應(yīng)的安全控制措施。

試驗開始時，隨著注漿機(jī)的啟動，置于水內(nèi)的橡膠排氣管開始急促地冒出氣泡，說明純水泥漿在進(jìn)入中空注漿錨桿桿體，8s后，氣泡開始停止，注漿機(jī)漿斗內(nèi)的純水泥漿液不再減少，且注漿機(jī)壓力立即上升。試驗人員立即中止試驗，并將注漿管與錨桿連接處分離。

經(jīng)量測PVC管端頭35cm范圍內(nèi)錨桿與PVC管之間充填著水泥漿，飽滿度為11.7%。試驗人員將錨桿從PVC管內(nèi)抽出，發(fā)現(xiàn)排氣管已完全被純水泥漿堵塞。

試驗結(jié)果表明，在注漿的開始階段，由于綁定在錨桿桿體上的排氣管排氣通暢，在注漿機(jī)的壓力下，純水泥漿能順利地通過錨桿桿體，并能進(jìn)入到錨桿桿體與PVC管的空隙中。隨著注漿的繼續(xù)進(jìn)行，排氣管內(nèi)開始進(jìn)入漿液，發(fā)生堵塞，導(dǎo)致密封的PVC管內(nèi)氣壓直線升高，阻礙了水泥漿的持續(xù)進(jìn)入，漿液飽滿度達(dá)不到要求。

3.7 普通砂漿錨桿工藝試驗

因采用中空注漿錨桿工藝未達(dá)到注漿飽滿度的要求，現(xiàn)場試驗人員采用普通砂漿錨桿工藝做了一組鋼筋材質(zhì)和中空材質(zhì)的錨桿對比試驗。

砂漿使用批復(fù)的配合比進(jìn)行拌制，水灰比為0.42，采用“先注漿后插桿”的施工方法。試驗結(jié)果表明，鋼筋材質(zhì)錨桿孔內(nèi)砂漿飽滿、充填密實，而中空材質(zhì)錨桿孔內(nèi)砂漿也非常飽滿，但桿體中空內(nèi)無砂漿填充。

3.8 試驗結(jié)論

根據(jù)上述多次試驗結(jié)果，中空注漿錨桿工藝試驗可以得出以下結(jié)論[8- 9]：

(1)中空注漿錨桿(Φ25，壁厚δ=6mm)采用水灰比為0.42/0.6的砂漿均不能完全通過錨桿桿體，最大通過長度僅為1.2m，不能滿足設(shè)計支護(hù)要求。

(2)采用水灰比為0.6的純水泥漿可以順利地通過中空注漿錨桿，但純水泥漿在進(jìn)入到錨桿桿體與PVC管之間空隙的同時，也較容易進(jìn)入到排氣管中，導(dǎo)致排氣管堵塞、注漿中斷，進(jìn)而不能較好地充填滿錨桿桿體與孔壁之間的空隙。試驗得出的充填飽滿度僅為11.7%，錨桿的注漿密實度遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計要求。

(3)采用砂漿錨桿工藝(先注漿再插桿)施作中空注漿錨桿可保證孔內(nèi)飽滿，但中空桿體仍無漿填充，所施作的中空注漿錨桿仍存在較大的缺陷。

(4)通過對Φ25普通砂漿錨桿后期做5組拉拔試驗，拉拔力均大于設(shè)計值13t，普通砂漿錨桿滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

綜上所述，TBM組裝洞室加固支護(hù)錨桿選擇通過現(xiàn)場試驗最終確定了合理的類型及施工工藝，將目前設(shè)計的中空注漿錨桿調(diào)整為鋼筋材質(zhì)的砂漿錨桿，節(jié)省投資約2.3萬元，并且在施工中應(yīng)做到“先注漿后插桿”，插入時宜對中微旋轉(zhuǎn)，不能隨意敲擊桿體從而影響砂漿錨固力[10]。當(dāng)下洞室錨噴支護(hù)新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，錨桿選擇可根據(jù)不同施工手段進(jìn)行現(xiàn)場試驗達(dá)到支護(hù)效果，針對不同的洞室圍巖結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)計參數(shù)選擇安全、經(jīng)濟(jì)、便于施工的錨桿類型，依然需要深入研究、相互學(xué)習(xí)借鑒，確保TBM組裝洞室施工安全有序進(jìn)行。