預(yù)應(yīng)力錨桿在TBM組裝洞室的應(yīng)用

李鵬

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,遼寧沈陽110003）

0 前言

在隧洞施工中，新奧法已經(jīng)成為一種主流方法，噴錨支護為其三大支柱之一，作為一種可以充分利用圍巖自承能力、變荷載體為承載機構(gòu)的支護方式得到廣泛應(yīng)用，而錨桿施工則是其中重要一個環(huán)節(jié)。錨桿種類相當繁多，有砂漿錨桿、樹脂錨桿、水脹式錨桿等，文中在此介紹一種已在工程中廣泛運用的錨桿形式——漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿。

1 工程及地質(zhì)概況

某大型引水隧洞，采用3臺TBM同時作業(yè)，其中2臺采用洞內(nèi)組裝方式，其TBM組裝洞室長80 m、高17 m、寬13.9 m，洞頂為蘑菇頭斷面。組裝洞室段埋深250～270 m，圍巖巖性為新太古代混合花崗巖，灰黑色，主要礦物成分為長石、石英、黑云母等，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，微風(fēng)化，堅硬巖。正洞室發(fā)育3條巖脈，彼此平行、貫穿洞室，為陡傾角。周圍節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理面主要呈微張狀，部分呈閉合狀，無充填或巖屑充填，起伏光滑或平直光滑。巖脈及節(jié)理交錯導(dǎo)致成洞條件差，邊墻易出現(xiàn)片幫、拱頂易掉塊，巖體較完整～完整性差。地下水發(fā)育輕微，呈潮濕～滴水狀態(tài)。開挖采用光面爆破，預(yù)留巖臺梁，其作為TBM橋吊行走軌道基礎(chǔ)，為了保證巖臺梁的穩(wěn)定，對其采用漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿加固。漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿可以通過施加預(yù)應(yīng)力，從而減小或消除拱頂及側(cè)墻的拉應(yīng)力，彌補巖體抗拉強度低的弱點，通過與噴混，掛鋼筋網(wǎng)聯(lián)合的支護形式對巖體的穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿構(gòu)造原理及工作特性

2.1 漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿構(gòu)造原理

漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿由漲殼錨固件、中空桿體、墊板、螺母等組成。漲殼錨頭：用高強度鋼材制成，通過內(nèi)榫，把漲殼夾片漲開成錨桿預(yù)應(yīng)力內(nèi)部承載體，是機械點錨式錨固體系。中空桿體：為全螺紋中空錨桿體，具有注漿和排氣的功能。墊板、螺母：預(yù)應(yīng)力外部鎖定固件和傳遞荷載構(gòu)件，墊板上帶有灌漿孔。其主要作用原理為：錨桿桿體插入錨桿孔后，在外力作用下轉(zhuǎn)動桿體，漲殼錨固件在桿體錐形體作用下張開，與巖壁緊密接觸，與錨桿孔壁產(chǎn)生摩擦阻力，從而形成支護錨固力，達到及時錨固的效果。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨桿工作特性

1）錨桿采用先插入中空桿體，后在中空桿體的孔腔內(nèi)由內(nèi)向外灌注水泥漿，并保證錨孔外端口有止?jié){塞和托板，能有效地防止?jié){液的外漏，確保桿身與孔壁間的水泥漿液飽滿，這樣就可以沿錨桿全長傳遞剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，確保錨桿加固的范圍內(nèi)的巖體能起到固定作用．必要時，還可以增加注漿的壓力，使水泥漿液可以向周邊巖體的裂隙內(nèi)擴散，使錨固范圍內(nèi)的巖體得到進一步加固。

2）注漿凝固后，用配備的扭力扳手擰緊錨桿的螺母，為錨桿端頭提供10 kN左右的托板抗力，形成具有與機械式錨桿類似的球形壓力區(qū)，從而可對開挖后巖體的初期變形形成控制，有效阻止破碎巖塊的掉落。

3）通過使用扭力扳手對螺母或張拉裝置施加預(yù)應(yīng)力，主動地將張拉荷載傳遞給錨桿加固的巖體，錨桿端部的錐形或球形壓力區(qū)明顯增大，并能提高潛在滑移面或軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。按一定組合排列方式的漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，可使錨固范圍內(nèi)的巖體形成壓應(yīng)力拱帶，顯著增強擴大洞室的穩(wěn)定性。

4）中空錨桿不僅可確保錨桿與孔壁間的縫隙注漿飽滿，而且由于配置了錨頭、止?jié){塞及連接套，可使桿體在錨孔內(nèi)居中，從而使桿體可以獲得均勻的保護層厚度，大大提高了錨桿的耐久性。

3 漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿現(xiàn)場施工

3.1 工藝流程

3.2 施工工序

1）鉆孔。用全站儀對目標進行自動放點，在巖面上用紅色噴漆做標記，作為鉆孔依據(jù)。根據(jù)孔位放樣的位置用阿特拉斯353E三臂臺車鉆孔，本洞室使用錨桿直徑為?28，因此鉆孔孔徑為50 mm，孔位偏差小于10 cm，鉆孔孔深±5 cm。

鉆孔完成后，用壓力水槍對所有鉆孔依次進行沖洗。工作面較大，可一邊鉆孔一邊洗孔。當孔內(nèi)不再有濁水流出時，結(jié)束沖洗，然后用壓力風(fēng)槍將孔內(nèi)積水吹出孔外。為保證錨桿與墊板垂直，使錨桿軸向受力，對孔口范圍內(nèi)局部參差不平的巖面，使用快速水泥砂漿找平，待找平層強度達到20 MPa后，安裝錨桿。

2）安裝錨桿。安裝錨桿之前應(yīng)先檢查孔深，清除鉆孔內(nèi)的石屑和巖粉，將安裝好漲殼錨頭的錨桿，插入孔道并確保頂緊孔底，利用扭力扳手順時針轉(zhuǎn)動，漲開錨頭。錨頭用扎絲綁扎，防止在插錨桿的過程中被卡住，導(dǎo)致錨頭提前打開。用錨固劑封堵孔口。

3）附件安裝。按照錨桿與巖面的角度，安裝止?jié){塞、墊板，墊塊及螺母，使錨桿桿體位于錨孔中部，并使用六角扳手預(yù)緊。

4）施加預(yù)應(yīng)力。施加預(yù)應(yīng)力采用扭矩扳手，在外露錨桿上套上鋼墊板，鋼墊板緊貼孔口抹平的砂漿，并在桿體上安裝止?jié){帶，用扭矩扳手，扭緊鋼墊板上的六角螺母，將配套加工的套筒與六角螺母相連，扭力扳手與套管相連。將扭力扳手的扭力值旋轉(zhuǎn)至預(yù)定的預(yù)應(yīng)力值上，可多人共同扭動扭力扳手，當預(yù)應(yīng)力值較高時，可增加加力桿，增加力臂。當扭力扳手發(fā)出“咔咔”聲響，或者指針到達提前設(shè)定好的預(yù)應(yīng)力值時，說明預(yù)應(yīng)力已經(jīng)達到了設(shè)計值。扭力扳手設(shè)定的預(yù)應(yīng)力值可根據(jù)廠家提供的扭矩與錨桿預(yù)緊力關(guān)系確定。需要注意孔口處如有不平整巖面，應(yīng)先采用早強砂漿找平處理，砂漿強度必須保證承受錨桿張拉的最大荷載。然后安裝螺母和墊板。

5）注漿。注漿采用水泥凈漿，采用P.O42.5水泥，注漿前通過試驗確定水灰比為0.45∶1。采用螺旋砂漿泵注漿，螺旋砂漿泵的優(yōu)點：壓力脈動小、流量和注漿壓力可調(diào)節(jié)、流量和注漿壓力均勻。利用中空錨桿底部注漿管進行注漿時，中空錨桿內(nèi)排凈氣體，直至桿體中部孔洞流出漿液方可停止注漿。注漿時應(yīng)注意控制注漿壓力，防止注漿管因壓力過大爆裂。

6）試驗檢測。砂漿密實度檢測：中空預(yù)應(yīng)力錨桿注漿完成7天后，可采用物探的方法對中空預(yù)應(yīng)力錨桿的砂漿密實度進行檢測，砂漿密實度應(yīng)在85%以上，并滿足相關(guān)技術(shù)要求。

3.3 注意事項

1）施工中一定要選用合理的水灰比，若為了方便注漿選用較大水灰比，會使粘結(jié)材料收縮太大影響注漿的飽滿度，同時粘結(jié)材料的收縮會影響到錨桿預(yù)應(yīng)力的加固強度。如果水灰比小了，則會出現(xiàn)堵塞注漿管路的現(xiàn)象，漿液就達不到向周邊巖體的裂縫擴散的效果。

2）注漿時的止?jié){和注漿設(shè)備的選用，注漿設(shè)備因采用中空錨桿專用的注漿泵（D M L30型，壓力為1～1.5 MPa），目前中空錨桿止?jié){塞大多數(shù)為橡膠錐形塞，通過施加預(yù)應(yīng)力使止?jié){塞擠壓在孔口，但是由于施工的地點不同有時止?jié){塞和孔口不能緊密貼合，或者注漿壓力過大時都會出現(xiàn)漏漿的情況，可以通過再桿體內(nèi)安裝止?jié){帶來達到止?jié){的效果。

3）錨桿和巖體承受面的垂直度，保證鋼墊板的正確安裝，鋼墊板是漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿的關(guān)鍵，在施工中漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力是通過擰緊螺母由墊板傳遞的，這樣不僅可以有效的防止圍巖的松動變形，同時通過鋼墊板把預(yù)應(yīng)力擴散到接觸巖面。

4）保證成孔質(zhì)量，鉆孔操作不規(guī)范或使用不合適的鉆頭，會造成孔道孔徑不準，孔道不直，直接影響到錨桿的安裝和施加預(yù)應(yīng)力。

5）預(yù)應(yīng)力的施加，應(yīng)嚴格按照扭矩G與預(yù)應(yīng)力P相對應(yīng)值進行預(yù)應(yīng)力。在用扭力扳手施加預(yù)應(yīng)力的時，在達到預(yù)設(shè)值前，螺母和錨桿的咬合部位應(yīng)涂上黃油，以利于螺母扭緊時應(yīng)力的有效傳遞。

4 結(jié)語

漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿在該工程TBM組裝洞室得到了較好的應(yīng)用，其不僅充分發(fā)揮錨桿的錨固效應(yīng)，同時在巖體開挖后能立即提供支護力(托板力或預(yù)應(yīng)力)，有效地保護巖體的固有強度，阻止圍巖的松動和變形，增強了巖臺梁及周圍巖體的穩(wěn)定性。漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)先進、質(zhì)量可靠，耐久性好，具有廣闊的發(fā)展前景。它的出現(xiàn)和發(fā)展為地下隧洞，特別是地下特大洞室等的支護提供了可靠保證。