不同錨孔出水量下預應力樹脂錨索錨固劑組合試驗研究

【摘 要】錨固劑組合現場試驗。試驗結果表明：隨著出水量的增加，超快速錨固劑越能發揮出其本身快速凝膠的優勢，即當錨孔出水量處于中淋水區及以上時，采用3節超快速錨固劑為最佳；而當錨孔出水量處于弱淋水區時，宜采用“1超快速錨固劑+2中速錨固劑”；當為滴水區時，3節中速錨固劑即可充分發揮樹脂錨固性能。試驗結果對錨索施工具有重要指導意義，可有效提高主動支護預應力錨索支護效果。

【關鍵詞】預應力錨索； 樹脂錨固劑； 水； 組合； 現場試驗

【中圖分類號】U455.7【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-11-15

［作者簡介］王東（1998—），男，碩士，研究方向為軟巖隧道中錨索預應力損失與變化。

0 引言

隨著預應力主動支護技術在木寨嶺公路隧道中的推廣應用，預應力錨索可有效控制圍巖變形這一結論已得到廣泛認可［1-2］。但不同于煤礦巷道，交通隧道斷面大、使用壽命長［3］，這使得交通隧道對預應力錨索的施工要求相應更高，尤其當錨索錨固長度較長時，快錨存在錨固劑凝結硬化速度快使得人工不易控制的問題［4］，而慢錨對施工進度則有直接影響，故樹脂錨固劑的合理組合對錨索施工工效及作用效應的影響至關重要。與此同時，在富水圍巖地段，水對樹脂錨固有顯著影響［5］，如薛亞東等［6］通過室內試驗研究得出水可降低錨固粘結強度約7%，減少有效錨固長度約10%；張盛等［7］研究表明孔壁水的存在會使樹脂錨固力降低。為此，胡濱等［8］提出提高樹脂錨固劑防水性能、加大錨固長度等方法來保證樹脂錨桿支護效果；賈后省等［9］通過增設封堵導升裝置提高錨索錨固力；劉少偉等［10-11］通過室內試驗研究了各類型樹脂錨固劑的最佳動力參數和固膠比。然而實踐工程中，關于有水情況下長錨索的樹脂錨固劑組合研究卻是極少的。因快速型樹脂錨固劑能夠在短時間內完成凝膠固化，故考慮到水流對錨固劑的沖刷作用，一般建議采用快速型樹脂錨固劑，特別是當錨孔出水量較大時。但是，對錨固長度較長的樹脂錨索而言，采用凝膠時間（過）短的樹脂錨固劑，考慮到人工攪拌錨固的過程，存在難以有效保證錨固效果的不足。因此，研究有水情況下錨固劑合理組合具有重要意義。

綜上，本文以木寨嶺公路隧道為工程依托，結合不同錨孔出水量特征，開展適宜的錨固劑組合形式研究，將可明確不同錨孔出水量下的鳥籠樹脂錨索錨固劑最優組合。

1 工程概況

木寨嶺特長公路隧道位于甘肅省中部定西市漳縣、岷縣交界處，是渭武高速公路建設中的控制性工程，隧道全長15.226 km。隧道主要穿越的二疊系下統（P1）炭質板巖和斷層巖地層（圖1）具有擠壓性、流變性、膨脹性、遇水崩解性和工程擾動敏感性強等明顯的軟巖特點。實際施工中，開挖裸露圍巖多有潮濕滲水（圖2）。

主動支護所采用預應力錨索類型為鳥籠錨索（圖3），鋼絞線直徑21.8 mm，長度為L-5 000 mm和L-10 000 mm兩種交替使用，鳥籠段長度（錨固段長度）為1 200 mm。鉆孔直徑為45 mm，端頭采用樹脂藥卷錨固劑進行錨固。

2 水對錨固性能的影響分析

由于環境水的存在，部分錨孔內一直有水流出，如圖4所示。而水對預應力錨索錨固性能的影響可以分為三部分：水對巖體力學特性的影響、水對錨固劑固化反應的影響、水對錨固劑與巖體間界面黏結的影響，水作用示意如圖5所示。

2.1 水對巖體力學特性的影響

水對軟弱巖石及結構面的物理化學作用會使得巖石抗剪強度降低，巖體整體穩定性也會受到影響［12］，而作為錨固黏結的承載主體，巖體的力學特性發生變化，勢必會影響到錨索錨固性能。特別是炭質板巖這種遇水易軟化的特性，在有水情況下，對錨索錨固性能有較明顯的不利影響。

2.2 水對錨固劑固化反應的影響

樹脂錨固劑由不飽和聚酯樹脂、固化劑、促進劑和其它輔料，按一定比例配制而成的粘稠狀錨固粘接材料，其固化黏結主要通過引發劑（俗稱固化劑）使單體引發產生自由基，所生成的自由基能引發不飽和聚酯和交聯劑的交聯固化反應。而由于材料本身性質，水對錨固劑固化反應的影響也是由眾多因素［13-14］組成：水溶解部分固化劑使得固化反應不完全、水與化合物混合不溶導致錨固體強度下降、水吸熱降低固化反應速率、水量過大沖散錨固劑等等。

2.3 水對錨固劑與巖體間界面黏結的影響

水作用下樹脂錨固界面黏結強度會降低［15-16］，具體為水的潤滑作用會降低孔壁粗糙度，從而導致錨固體—巖體界面黏結系數減小，同時水流動會弱化界面黏結效應，兩者作用都不利于錨固黏結界面的穩定形成，最終表現為錨索錨固性能下降。

3 錨固劑組合試驗方案

由于水對錨固性能影響因素過多且相互交結，同時不同類型錨固劑凝膠時間與攪拌時間有所不同，而錨索攪拌施工時屬于邊推進邊攪拌，前端錨固劑率先接觸錨索，其受攪拌時間、固化時間均長于后端錨固劑，所以難以對錨固劑合理組合進行微觀量化分析。故本次試驗主要從宏觀角度進行研究，分析鉆孔中不同流水量下鳥籠樹脂錨索錨固劑合理組合。

3.1 錨孔水量分級

根據煤礦巷道頂板出水量分級標準，結合隧道相關規范，劃分單孔出水量分區如表1所示，典型實景如圖6所示。錨孔出水量的測試：當錨索錨孔內有明顯淋水時，將10 L量筒置于水流下方，同時使用（手機）秒表記錄水流流入量筒的時間，讀取量筒水量讀數，從而計算流水量。

3.2 錨固劑組合工況

鑒于鳥籠段錨固長度為1.2 m，試驗采用錨固劑為普通型CKa3540樹脂錨固劑（超快速錨固劑，顏色標識為黃）和普通型Z3540樹脂錨固劑（中速錨固劑，顏色標識為白）進行組合試驗，設有4種工況，如圖7所示。同時超快速錨固劑凝膠時間為8～25 s，等待安裝時間為10～30 s；中速錨固劑凝膠時間為91～180 s，等待安裝時間為480 s。試驗過程中控制攪拌轉速為300 r/min，扭矩不小于40 N·m，各工況攪拌時間控制為（a）15 s、（b）18 s、（c）20 s、（d）25 s。

4 試驗結果與分析

試驗在滴水區、弱淋水區、中淋水區分別成功開展3次，獲取錨固力數據如圖8所示。

如圖8所示，不同出水量、不同錨固劑組合的錨固效果差異明顯。當出水量位于滴水區時，采用3節中速錨固劑的錨固效果超過其余組合；當出水量位于弱淋水區時，不同錨固劑組合的錨固效果無明顯差異，錨固力最高為“1超快+2中速”錨固劑組合；當出水量位于中淋水區時，采用三節中速錨固劑的錨固效果最差，并隨采用的超快速錨固劑增多，錨固力提升，至采用3節超快速錨固劑時，錨固效果最佳。同時，隨著錨孔出水量的增加，中速錨固劑組合的錨固劑降幅明顯偏大，而超快速錨固劑組合所受影響較小，這也意味著水量越大，超快速錨固劑越能發揮出其本身快速凝膠的優勢。但是在弱淋水情況以下，超快速錨固劑攪拌推進過程中操作不易控制的不足也比較明顯。

綜上，錨孔出水量處于滴水區時，應采用3節中速錨固劑；當錨孔出水量處于弱淋水區時，應采用“1超快+2中速”錨固劑；當錨孔出水量處于中淋水區及以上時，應采用3節超快速錨固劑。

5 結論

（1）通過錨孔出水量將圍巖劃分為滴水區、淋水區（弱、中、強）、涌水區，建立起錨孔出水量分級，并以此為前提，進行不同水量下鳥籠樹脂錨索錨固劑組合試驗。試驗結果表明：隨著錨孔出水量的增加，超快速錨固劑越能發揮出其本身快速凝膠的優勢。但是在弱淋水情況以下，超快速錨固劑攪拌推進過程中操作不易控制的不足也比較明顯。

（2）對鳥籠錨索而言，在錨固長度為1.2 m時，不同水量下錨固劑最優組合為：當錨孔出水量處于中淋水區及以上時，采用3節超快速錨固劑為最佳；而當錨孔出水量處于弱淋水區時，宜采用“1超快速錨固劑+2中速錨固劑”；當為滴水區時，3節中速錨固劑即可充分發揮樹脂錨固性能。

參考文獻

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