自进式中空注浆锚杆在隧道围岩支护中的应用

邹胜勇,傅菁俊,寿忠华

(1.浙江交通职业技术学院,杭州 311112;2.杭州市交通工程质量安全监督局,杭州 310014;3.杭州宇航交通工程有限公司,杭州 311100)

0 引 言

锚杆支护能充分发挥围岩自稳能力,在公路隧道围岩支护中应用非常广泛。永久性锚杆多采用普通砂浆锚杆,但普通砂浆锚杆存在灌浆不饱满,特别是向上仰斜或长度大于3 m时,由于砂浆外溢,其饱满程度难以保证,常存在孔内空隙、杆体钢筋裸露现象,导致实际的有效锚固区达不到设计要求[1-4]。此外,普通砂浆锚杆在围岩破碎、松散时,造孔困难,容易塌孔、卡钻,甚至拔不出钻杆,导致锚杆支护无法进行。

自进式中空注浆锚杆是一种集钻进、注浆、锚固功能于一体的新型锚杆,能够保证在复杂地层(破碎岩石地层、松散土层以及需要套管护壁钻进的地层)下施工效率高,锚固效果好。

1 工程概况

鸬鸟陡岭隧道位于杭州余杭鸬鸟镇鸬鸟大道延伸段,长485 m,宽11.5 m,隧道地质构造十分复杂,进出洞口均在山区垭口位置,围岩稳定性较差。隧道洞身主要以石灰岩为主,进出口节理、裂隙极发育且贯通性好,部分节理未闭合。工程采用自进式中空注浆锚杆加固危岩,于2006年7月开工,2007年10月竣工。经检测,自进式中空注浆锚杆砂浆饱满、填隙充分、施工安全、锚固质量可靠,投入使用两年来,效果良好。

2 自进式中空注浆锚杆与普通砂浆锚杆、普通中空注浆锚杆对比分析

在同等工况下,于一般破碎区、严重破碎区分别施作2 m长和5 m长的φ25普通砂浆锚杆、普通中空注浆锚杆和自进式中空注浆锚杆 (具体见表1),砂浆强度等级M30,锚杆设置150 mm×150 mm×6 mm垫板,进行技术指标和经济指标试验,试验结果比较分析如下。

2.1 抗拔强度

从表1可见,在一般破碎区:2 m长3种锚杆抗拉拔极限值均在65～75 kN之间,相互差别不大;5 m长普通砂浆锚杆拉拔极限值在60～90 kN之间,较2 m长砂浆锚杆抗拔力没有明显增大,这是因为锚孔长度增加,锚固砂浆灌入困难,砂浆不饱满,有效锚固砂浆长度增加不明显,而且离散性大;两种中空锚杆抗拔极限值均在140～150 kN之间,自进式锚杆抗拔力增加不明显。严重破碎区:2 m长普通砂浆锚杆的极限值为45～70 kN之间,锚固砂浆扩散直径约20 cm,破坏呈锚固砂浆渗透半径外缘与围岩体接触面被整体拉出式;普通中空注浆锚杆和自进式中空注浆锚杆抗拔力在60～75 kN之间,降低不明显;5 m长普通砂浆锚杆拉拔极限值在55～70 kN之间,两种中空锚杆抗拔力均在130～145 kN之间,较砂浆锚杆抗拔力优势明显。一般而言,随着岩体完整性降低,锚杆的拉拔极限值随之降低,普通砂浆锚杆随着岩体破碎程度加剧拉拔极限值下降更加显著,而中空注浆锚杆在严重破碎岩体中拉拔极限值损失较小[2]。

表1 锚杆抗拔强度比较表 (单位:kN)

2.2 注浆效果

锚杆的注浆质量至关重要,直接影响到支护围岩效果。注浆压力和注浆量是反映注浆效果的2个主要指标。

2.2.1 注浆压力

岩体破碎程度严重影响到注浆压力,一般破碎区注浆压力在2.0MPa以上,而在严重破碎区,第一次的注浆压力为1.3～1.8 MPa,经二次灌浆,压力可达到2.0 MPa。在一般破碎区,中空注浆锚杆的注浆压力略大于普通砂浆锚杆,而在严重破碎区,中空注浆锚杆注浆压力明显大于普通砂浆锚杆的注浆压力。

2.2.2 注浆量

严重破碎区内锚杆的注浆量远高于一般破碎区的注浆量,可达4～6倍,中空注浆锚杆的注浆量亦明显大于普通砂浆锚杆的注浆量,约为其1.5～2倍。

2.3 施工效率

普通砂浆锚杆、普通中空注浆锚杆在一般破碎区施工效率区别不大,自进式中空注浆锚杆因一次钻进成型,效率约增加10%～20%;在严重破碎区,存在塌孔、卡钻、插杆困难等问题,普通砂浆锚杆与普通中空注浆锚杆施工效率低下,有时需超前压浆固化后再造孔,特别困难地段普通砂浆锚杆、普通中空注浆锚杆无法施工,而自进式中空注浆锚杆不存在塌孔、卡钻、插杆困难等问题,其效率是前两者的2～4倍,其经济优势明显。

2.4 经济性

从每米锚杆造价来分析:自进式中空注浆锚杆较普通中空注浆锚杆高15%左右,较普通砂浆锚杆高60%左右;从每千牛抗拔力造价来分析:对一般破碎围岩区,自进式中空注浆锚杆较普通中空注浆锚杆高15%左右,较普通砂浆锚杆高30%左右,对严重破碎区,较普通中空注浆锚杆仍高15%左右,但较普通砂浆锚杆低10%左右,所以从每千牛抗拔力造价来分析,严重破碎围岩区自进式中空注浆锚杆较普通砂浆锚杆经济优势明显。

3 自进式中空注浆锚杆优点

3.1 适用性强

自进式中空注浆锚杆适用性强,特别是软弱围岩,钻杆、锚杆合二为一,锚杆可直接钻入岩土体,其中空可作为注浆通道,从里至外进行注浆。在回填区、风化岩、破碎岩、砂层、粘土层、卵石层等不良围岩下不需造孔,不需套管护壁。

3.2 升压法注浆

注浆方法为孔底返浆,一次升压法注浆,因自进式中空注浆锚杆设计有止浆塞,可实现压力注浆。注浆压力要根据设计值控制,一次升压至设计值,孔口溢浆时压力维持时间不小于10 min,可实现浆液快速沿岩体裂隙充分渗透,浆液扩散半径大,固结后将围岩凝成一个整体,达到永久性锚固围岩的目的。

3.3 操作简便,快捷省时

锚杆连续的国际标准螺纹辅以连接套,使锚体加工、钻头安装、锚杆接长操作简便,快捷省时;锚杆钻到位后即可清孔、压浆,无需拔出钻杆和安装锚杆,较普通中空锚杆、普通砂浆锚杆施工工序简化,工期效益明显。

3.4 狭窄空间特长锚杆加固

连续的螺纹使自进式中空注浆锚杆可任意切割、连接,在狭窄的空间实现了特长锚杆加固危岩的目的。同时,连续的螺纹使自进式中空注浆锚杆比光滑的钢管具有更强的粘结阻力,高出普通砂浆锚杆的2～3倍。

4 工艺要点与质量控制

4.1 施工工艺流程

自进式中空注浆锚杆的典型施工工艺流程见图1。

图1 自进式中空注浆锚杆施工工艺流程

4.2 锚杆钻进

锚杆钻进的角度、长度,浆液的配合比,钻头选择等具体工艺要根据岩层情况确定。要根据地形及地质情况,调整好凿岩机的钻进角度,空压机气压要保持5～6个大气压。当锚杆较长较多,需拼接时,锚杆制作长度应分别相差1 m,以避免锚杆接头在同一断面。应在第一节锚杆的前端套上钻头,当第一节锚杆剩余30 cm时,停止施钻,在前一节锚杆的尾部套上带有人工涂抹润滑剂的连接套后,再连接好后一节锚杆,依次类推,直至钻到设计长度,钻孔结束时锚杆外露至少10 cm,便于安装拱形垫板和球形螺母[5]。

4.3 注 浆

钻孔结束后杆尾接通高压空气,将孔内灰尘、杂物吹净,然后安装止浆塞,并将垫板紧贴岩面安设,并拧紧螺母。通过快速注浆接头将锚杆尾端与注浆泵相连,启动灰浆搅拌机,人工将水泥和其他外加剂材料按配合比配制好,输入到搅拌机中进行加水搅拌。搅拌均匀后,输入压浆泵,压浆时要保持压浆高压管顺直。压浆量根据压浆泵压力的大小或根据灰浆搅拌机的灰浆消耗速度确定。注浆压力要根据设计值控制,一般在0.5～1.5 MPa之间,孔口溢浆时压力维持时间不小于10 min,方可停止注浆,将螺母再次紧固。

砂浆应随用随拌,在初凝前全部用完,使用掺速凝剂砂浆时,一次拌制砂浆数量不应多于3个孔,以免时间过长,使砂浆在泵、管中凝结。注浆应饱满且注浆压力达到设计值,确保注浆质量。

4.4 托板检验

锚杆施工完毕后,由于爆破震动或其它因素的影响,可能使托板松动,锚固失效。因此,要定时检查,如发现托板松动,应及时拧紧螺帽。

5 结 语

自进式中空注浆锚杆能简化钻孔、注浆、锚固工序,操作简便快捷,施工质量可靠,锚杆全体锚固充分,并能在开挖后立即提供一定的支护抗力,有效抑制围岩的松动和变形,能避免或缓减工程施工及使用期间冒顶片帮或其它病害事故的发生,特别是杆体周围具有足够而均匀的保护层厚度,充分保证了锚杆的耐久性,特别适用于复杂地层、破碎围岩的支护加固。

[1]谢小林,杨贵仲,陈波.自钻锚杆在边坡破碎岩体及浅层塌方体中的应用[J].四川水力发电,2007,26(2):90-92.

[2]王四巍,姜彤,刘汉东,等.中空注浆锚杆在加固碎裂边坡中应用试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(A02):3963-3967.

[3]孙亮.中空注浆锚杆的应用实践[J].铁道建筑,2005,(7):45-46.

[4]朱晗迓.破碎岩质边坡锚固技术研究[D].杭州:浙江大学,2005.

[5]JTG F60-2009,公路隧道施工技术规范[S].