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(yáng)市朝陽(yáng)縣境內(nèi)，總長(zhǎng)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(zhǎng)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(yàn)，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(hù)手段，然后第二次噴射厚度為50mm的C25混凝土，通過(guò)充分發(fā)揮圍巖的自承能力，使輸水隧洞圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成整體結(jié)構(gòu)。

錨固支護(hù)是技術(shù)主要是充分調(diào)動(dòng)巖土體的自穩(wěn)能力和自身強(qiáng)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(duì)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(shí)也表現(xiàn)出作為永久支護(hù)方式的不足和缺陷[3]。其主要原因是鋼筋的腐蝕問(wèn)題難以徹底解決，例如，法國(guó)的朱克斯壩在建成使用幾個(gè)月后就出現(xiàn)了錨桿斷裂問(wèn)題，我國(guó)安徽的梅山水庫(kù)支護(hù)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(wèn)題，開發(fā)新型錨桿材料就具有巨大的工程價(jià)值。玻璃纖維錨桿作為一種新型的纖維增強(qiáng)材料錨桿，具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、耐久性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于煤礦等領(lǐng)域的超前支護(hù)[4]。但是，將其作為永久支護(hù)應(yīng)用的工程案例較少?；诖?，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(píng)價(jià)，為相關(guān)工程應(yīng)用提供必要的借鑒和支持。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)材料

本次研究力圖通過(guò)玻璃纖維等新型材料和相應(yīng)的先進(jìn)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，降低支護(hù)施工難度，提高支護(hù)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(hù)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?；诒敬窝芯康哪康暮蜕鲜鍪┕ひ?，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(qiáng)度大、方便安裝的特點(diǎn)。

目前，在支護(hù)領(lǐng)域最常見的支護(hù)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(qiáng)度較低，而鋼筋網(wǎng)雖然強(qiáng)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(yàn)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(qiáng)度高、方便裁剪的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還與噴射混凝土具有良好的耦合性。

2.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)的主要技術(shù)資料有研究洞段的原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果；隧洞開挖之后的圍巖松動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果；相關(guān)領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及該領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范[6]。經(jīng)過(guò)各種影響因素的綜合考慮和計(jì)算，最終確定如下支護(hù)參數(shù)：錨桿的長(zhǎng)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(hù)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(jìn)行鑿毛作業(yè)，然后進(jìn)行厚度為5mm的C25混凝土初噴作業(yè)；利用ZJ400鉆機(jī)進(jìn)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(jìn)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(duì)成孔進(jìn)行清洗，去除其中的雜質(zhì)；使用ZJ-230M型注漿機(jī)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(jìn)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(píng)價(jià)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)

為了驗(yàn)證玻璃纖維錨桿的支護(hù)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)[8]。試驗(yàn)中與傳統(tǒng)的鋼筋錨桿為對(duì)照，其具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。試驗(yàn)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(jì)。

表1 試驗(yàn)錨桿參數(shù)

拉拔試驗(yàn)在上文提到的洞段進(jìn)行，對(duì)兩種不同的錨桿各取三根進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中的加載速率設(shè)定為2.5MPa/min，每階段的加載時(shí)長(zhǎng)為5min。當(dāng)觀察到錨桿斷裂或壓力表示數(shù)突然降低時(shí)，即可結(jié)束試驗(yàn)，同時(shí)記錄好壓力表的示數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)觀察工作。具體的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種不同種類的錨桿均得到了工程設(shè)計(jì)中8t的標(biāo)準(zhǔn)要求，這說(shuō)明玻璃纖維砂漿錨桿可以用于研究洞段的圍巖支護(hù)工程施工。從具體數(shù)值來(lái)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)上提高了41.25%。這說(shuō)明，直徑20mm，長(zhǎng)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(yàn)中的玻璃纖維砂漿試驗(yàn)破壞的形式為拉絲狀解體，并沒(méi)有在拉拔力的作用下被拔出，因此文章設(shè)計(jì)的錨桿參數(shù)具有試驗(yàn)依據(jù)，可以充分達(dá)到圍巖開挖之后的松動(dòng)圈半徑。

表2 拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 圍巖變形結(jié)果分析

為了進(jìn)一步對(duì)比玻璃纖維錨桿和傳統(tǒng)鋼筋錨桿的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果，研究中在試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置4處檢測(cè)斷面。其中，1號(hào)和2號(hào)斷面為傳統(tǒng)趕緊錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，3號(hào)和46號(hào)斷面為新型比例現(xiàn)為錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)斷面設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位移隧道的拱頂和兩側(cè)，分別監(jiān)測(cè)拱頂?shù)某两滴灰坪蛢蓚?cè)的收斂位移，并作為支護(hù)效果的評(píng)價(jià)依據(jù)。變形監(jiān)測(cè)采用的是SLJ-30A數(shù)顯收斂?jī)x。其中1號(hào)和2號(hào)斷面的監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年5月15日至6月15日；3號(hào)和4號(hào)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年5月30日至6月29日，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在開挖支護(hù)試驗(yàn)施工完成時(shí)候進(jìn)行并持續(xù)30d，最終獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，各段面的拱頂沉降量隨著支護(hù)時(shí)間的推移而逐步加大，而沉降的速率則逐漸減小。在監(jiān)測(cè)結(jié)束之后其沉降速率均小于0.2mm/d。說(shuō)明試驗(yàn)洞段的拱頂沉降變形在一個(gè)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(hào)和4號(hào)斷面拱腰的收斂變形隨著時(shí)間的推移逐漸增大，而2號(hào)和3號(hào)斷面則呈現(xiàn)出波動(dòng)變化的特征。究其原因，主要是支護(hù)完成之后，拱腰部位的圍巖應(yīng)力仍舊在進(jìn)行重分布，進(jìn)而導(dǎo)致拱腰收斂變形的波動(dòng)。從變形速率上來(lái)看，在一月的試驗(yàn)期內(nèi)均達(dá)到了小于0.2mm/d的水平，說(shuō)明試驗(yàn)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(hù)方式來(lái)看，玻璃纖維錨桿相對(duì)于普通鋼筋錨桿無(wú)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(shì)。因此，玻璃纖維支護(hù)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(hù)工程中選用。

4 結(jié) 論

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

1)通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)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(hù)中的應(yīng)用價(jià)值；結(jié)合具體的工程需求，提出了相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)和施工工藝流程。

2)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)和圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，玻璃纖維錨桿的抗拉拔力滿足工程設(shè)計(jì)要求，并由較大的冗余量，支護(hù)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(hù)工程中選用。