玻璃纖維錨桿在水工隧洞工程中的應(yīng)用與效果評價

張奇智

(喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

1 研究背景

某供水工程位于遼寧省朝陽市朝陽縣境內(nèi)，總長約15.7km，主要由白石隧洞工程和錦凌分水口工程以及相關(guān)的配套工程組成[1]。其中，白石隧洞(主洞)全長15690m，成洞斷面尺寸為4.6m×5.25m。該隧洞施工條件差，圍巖破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，遇水變泥，極易出現(xiàn)坍塌滑層等現(xiàn)象。根據(jù)地層巖性以及相關(guān)工程施工經(jīng)驗，白石隧洞采用新奧法施工，在隧洞洞體開挖后主要采用噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架和錨桿作為支護手段，然后第二次噴射厚度為50mm的C25混凝土，通過充分發(fā)揮圍巖的自承能力，使輸水隧洞圍巖和支護結(jié)構(gòu)形成整體結(jié)構(gòu)。

錨固支護是技術(shù)主要是充分調(diào)動巖土體的自穩(wěn)能力和自身強度，從而提高工程建設(shè)中的邊坡或圍巖的穩(wěn)定性[2]。錨桿作為錨固系統(tǒng)中的受拉桿件，承載著荷載的傳遞作用，對錨固系統(tǒng)的工程效果產(chǎn)生最為直接的影響。目前，普通注漿鋼錨桿已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種水利工程建設(shè)，同時也表現(xiàn)出作為永久支護方式的不足和缺陷[3]。其主要原因是鋼筋的腐蝕問題難以徹底解決，例如，法國的朱克斯壩在建成使用幾個月后就出現(xiàn)了錨桿斷裂問題，我國安徽的梅山水庫支護結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力錨索也在使用21年后發(fā)生斷裂事故。鑒于現(xiàn)有的防腐措施并不能完全解決錨桿的銹蝕問題，開發(fā)新型錨桿材料就具有巨大的工程價值。玻璃纖維錨桿作為一種新型的纖維增強材料錨桿，具有強度高、抗腐蝕性好、耐久性強等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煤礦等領(lǐng)域的超前支護[4]。但是，將其作為永久支護應(yīng)用的工程案例較少。基于此，本次研究以具體工程背景為依托，展開玻璃纖維錨桿在水工隧洞工程中的應(yīng)用與效果評價，為相關(guān)工程應(yīng)用提供必要的借鑒和支持。

2 支護方案設(shè)計

2.1 支護材料

本次研究力圖通過玻璃纖維等新型材料和相應(yīng)的先進支護技術(shù)的應(yīng)用，降低支護施工難度，提高支護工程的綜合成本。由于研究洞段采用的是新奧法施工方式，因此支護的主要手段是錨噴網(wǎng)，在必要的洞段輔助注漿或鋼架支撐，以增加承載能力。基于本次研究的目的和上述施工要求，施工中選用的是直徑為20mm的玻璃纖維錨桿。該型錨桿主要由樹脂基體和玻璃纖維制成，具有密度小、其強度大、方便安裝的特點。

目前，在支護領(lǐng)域最常見的支護網(wǎng)有鋼筋網(wǎng)、鐵絲網(wǎng)以及TECCO 網(wǎng)及 TENSAR 網(wǎng)[5]。其中，鐵絲網(wǎng)的強度較低，而鋼筋網(wǎng)雖然強度高，但是網(wǎng)眼較大，不利于斷層破碎帶圍巖塑性區(qū)的控制。因此在本次試驗研究中選擇TENSAR網(wǎng)，這種由聚丙烯材料制成的網(wǎng)片，具有密度小、強度高、方便裁剪的優(yōu)勢，同時還與噴射混凝土具有良好的耦合性。

2.2 支護參數(shù)設(shè)計

支護參數(shù)的設(shè)計的主要技術(shù)資料有研究洞段的原巖應(yīng)力測試結(jié)果；隧洞開挖之后的圍巖松動范圍測試結(jié)果；相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計經(jīng)驗以及該領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范[6]。經(jīng)過各種影響因素的綜合考慮和計算，最終確定如下支護參數(shù)：錨桿的長度為3.25m；錨桿的間距為1.0m；錨桿的直徑為20mm；錨桿的排列方式為梅花型排列，排距為1.0m；根據(jù)隧洞開挖參數(shù)，每排錨桿包括12根，其中拱頂6根，左右邊幫各設(shè)置3根，其中最下面的一根和水平方向成20°的夾角，其余兩根呈水平布置，其具體的布置示意圖如圖1所示。

圖1 錨桿布置示意圖

2.3 施工工藝

研究洞段擬采用錨噴網(wǎng)支護工藝，其具體流程如圖2所示。在開挖完畢之后需要清理隧洞內(nèi)面的浮石，并進行鑿毛作業(yè)，然后進行厚度為5mm的C25混凝土初噴作業(yè)；利用ZJ400鉆機進行錨桿鉆孔，成孔直徑為40mm，孔深為3650mm。鉆孔施工中按照1m×1m的間距進行梅花型孔位布置，定位偏差應(yīng)該<100mm，拱頂部位的鉆孔保證與壁面法線基本一致[7]。鉆孔結(jié)束之后要對成孔進行清洗，去除其中的雜質(zhì)；使用ZJ-230M型注漿機向孔內(nèi)注射M25水泥砂漿，在砂漿注滿之后立即插入錨桿；安裝TENSAR網(wǎng)，并用托盤壓緊；最后進行厚度為50cm的C25混凝土噴射。

圖2 施工工藝流程圖

3 施工效果評價

3.1 現(xiàn)場拉拔試驗

為了驗證玻璃纖維錨桿的支護效果，獲得玻璃纖維錨桿的極限抗拉力大小，在研究洞段的S3+010-S3+016洞段進行現(xiàn)場拉拔試驗[8]。試驗中與傳統(tǒng)的鋼筋錨桿為對照，其具體的參數(shù)設(shè)計如表1所示。試驗設(shè)備采用的是本溪市天舟特種設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LB-03型錨桿拉拔計。

表1 試驗錨桿參數(shù)

拉拔試驗在上文提到的洞段進行，對兩種不同的錨桿各取三根進行拉拔試驗，并將試驗結(jié)果的均值作為最終試驗數(shù)據(jù)。試驗過程中的加載速率設(shè)定為2.5MPa/min，每階段的加載時長為5min。當(dāng)觀察到錨桿斷裂或壓力表示數(shù)突然降低時，即可結(jié)束試驗，同時記錄好壓力表的示數(shù)和現(xiàn)場觀察工作。具體的試驗結(jié)果如表2所示。由試驗結(jié)果可知，兩種不同種類的錨桿均得到了工程設(shè)計中8t的標(biāo)準(zhǔn)要求，這說明玻璃纖維砂漿錨桿可以用于研究洞段的圍巖支護工程施工。從具體數(shù)值來看，玻璃纖維砂漿錨桿的抗拉拔力達(dá)到了11.3t，在8t的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上提高了41.25%。這說明，直徑20mm，長2.0m的玻璃纖維砂漿錨桿，完全可以替代傳統(tǒng)的鋼筋水泥砂漿錨桿。另一方面，試驗中的玻璃纖維砂漿試驗破壞的形式為拉絲狀解體，并沒有在拉拔力的作用下被拔出，因此文章設(shè)計的錨桿參數(shù)具有試驗依據(jù)，可以充分達(dá)到圍巖開挖之后的松動圈半徑。

表2 拉拔試驗數(shù)據(jù)

3.2 圍巖變形結(jié)果分析

為了進一步對比玻璃纖維錨桿和傳統(tǒng)鋼筋錨桿的現(xiàn)場支護效果，研究中在試驗段的現(xiàn)場設(shè)置4處檢測斷面。其中，1號和2號斷面為傳統(tǒng)趕緊錨桿支護結(jié)構(gòu)，3號和46號斷面為新型比例現(xiàn)為錨桿支護結(jié)構(gòu)。每個斷面設(shè)置3個測點，分別位移隧道的拱頂和兩側(cè)，分別監(jiān)測拱頂?shù)某两滴灰坪蛢蓚?cè)的收斂位移，并作為支護效果的評價依據(jù)。變形監(jiān)測采用的是SLJ-30A數(shù)顯收斂儀。其中1號和2號斷面的監(jiān)測時間為2019年5月15日至6月15日；3號和4號監(jiān)測斷面的監(jiān)測時間為2019年5月30日至6月29日，各監(jiān)測點均在開挖支護試驗施工完成時候進行并持續(xù)30d，最終獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

由表中的試驗數(shù)據(jù)可知，各段面的拱頂沉降量隨著支護時間的推移而逐步加大，而沉降的速率則逐漸減小。在監(jiān)測結(jié)束之后其沉降速率均小于0.2mm/d。說明試驗洞段的拱頂沉降變形在一個月內(nèi)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。與拱頂?shù)某两底冃尾煌?號和4號斷面拱腰的收斂變形隨著時間的推移逐漸增大，而2號和3號斷面則呈現(xiàn)出波動變化的特征。究其原因，主要是支護完成之后，拱腰部位的圍巖應(yīng)力仍舊在進行重分布，進而導(dǎo)致拱腰收斂變形的波動。從變形速率上來看，在一月的試驗期內(nèi)均達(dá)到了小于0.2mm/d的水平，說明試驗洞段的拱腰收斂變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從兩種不同的支護方式來看，玻璃纖維錨桿相對于普通鋼筋錨桿無論是變形量還是變形速率均比較接近，并且表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。因此，玻璃纖維支護材料與圍巖變形之間具有良好的協(xié)調(diào)性，可以有效控制圍巖變形，可以在支護工程中選用。

4 結(jié) 論

此次研究以白石輸水隧洞為例，通過理論研究和工程試驗相結(jié)合的方式，分析了玻璃纖維錨桿在輸水隧洞支護工程中的應(yīng)用，并獲得如下主要結(jié)論：

1)通過工程經(jīng)驗總結(jié)和理論分析，指出玻璃纖維錨桿在水工隧洞圍巖支護中的應(yīng)用價值；結(jié)合具體的工程需求，提出了相應(yīng)的支護參數(shù)和施工工藝流程。

2)現(xiàn)場拉拔試驗和圍巖變形監(jiān)測結(jié)果顯示，玻璃纖維錨桿的抗拉拔力滿足工程設(shè)計要求，并由較大的冗余量，支護材料與圍巖變形之間具有良好的協(xié)調(diào)性，可以有效控制圍巖變形，可以在支護工程中選用。