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漲殼式讓壓中空錨桿在高地應力軟弱圍巖隧道施工中的應用

2015-09-25 719 0

   摘要:在高地應力軟弱圍巖隧道施工中,僅采用普通支護技術不能滿足圍巖的支護需求。大梁隧道斜井輔助正洞采用漲殼式讓壓中空錨桿進行施工,通過研究漲殼式讓壓中空錨桿和普通砂漿錨桿在錨固時間、錨固效果、控制圍巖位移變化的對比分析,說明了漲殼式讓壓中空錨桿具有更大的優(yōu)勢。

  1前言
 
  宜昌至巴東高速公路第十七合同段峽口隧道穿越碳質(zhì)頁巖、灰?guī)r、板巖,砂巖,地質(zhì)構造復雜,新構造運動強烈,且經(jīng)歷了多次構造變形,褶皺、斷裂發(fā)育。開挖后在地下水作用下工程性質(zhì)不斷惡化,奧陶系中統(tǒng)板巖全強風化,受構造應力作用強烈,成巖性差,圍巖大變形明顯。經(jīng)科研單位對大梁隧道斜井和進口兩個工區(qū)分別做地應力測試判斷大梁隧道斜井工區(qū)為極高地應力,出口工區(qū)為高地應力。在高地應力作用下,2010年10月11日在施工YK105+100~YK105+102段上臺階初期支護時,發(fā)現(xiàn)YK105+094~+100段拱頂左側(cè)噴射砼出現(xiàn)開裂,2010年11月5日,掌子面施工至YK105+137時,監(jiān)控量測顯示已經(jīng)臨時加固的YK105+076~YK105+100段初期支護出現(xiàn)快速下沉現(xiàn)象,掌子面被迫停工,且嚴重危及施工安全及工程質(zhì)量、進度,引起上級部門、專家的高度關注。
 
  2工程概況
 
  宜巴十七標峽口復雜地質(zhì)隧道進口段左線(ZK104+214)長3163m、右線(YK104+223)長3177m,最大埋深1480m,圍巖以Ⅲ、Ⅳ級為主,復合式襯砌,洞口處于高嵐河河谷絕壁上,施工困難,唯有經(jīng)山體側(cè)面“v”型峽谷開辟繞行便道,通過施工橫洞進入正洞施工。隧道正洞正常涌水量8900m3/d,最大涌水量120000m3/d。
 
  2.1高地應力特征
 
  施工期間,出現(xiàn)了初支混凝土開裂、混凝土脫落,鋼架扭曲變形,拱頂、邊墻混凝土開裂,二襯開裂等現(xiàn)象。中科院武漢巖土力學研究所于2010年10月份對峽口隧道采用水壓致裂法,測試埋深在240米時的地應力,同時對斜向上150孔及鉛直孔水壓致裂法測試地應力,通過對所有測試結果的分析研究,得到如下結論:
 
  實測深度范圍內(nèi),隧道邊墻圍巖最大水平主應力最大值為8.75MPa、最小主應力值最大值為6.07MPa;鉛直孔最大水平主應力最大值為13.06MPa、最小水平主應力值最大值為7.18MPa;隧道區(qū)鉛直孔的最大水平主應力方向基本為NE150;結果表明:在隧道區(qū)范圍內(nèi),側(cè)壓系數(shù)均大于1,隧道區(qū)的水平地應力以構造應力為主,同時表明地應力場以水平應力為主導;最大水平主應力與隧道軸線交角較大(斜向上150鉆孔的最大水平主應力方向為NW2740左右,鉛直鉆孔最大水平主應力方向為NE150左右),對隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。隧道掌子面巖層的小褶皺也表明了該隧道區(qū)內(nèi)是以構造應力場為主導,且與隧道軸線交角較大;本次測試的隧道部位埋深僅240m,地應力量值對碳質(zhì)頁巖而言為極高應力。
 
  2.2軟巖特征
 
  受地質(zhì)構造作用嚴重,板理發(fā)育,多呈薄層狀,且褶曲發(fā)育,易污手,屬炭質(zhì)板巖,巖質(zhì)軟弱且致密,隧道開挖后多呈塑性流動狀。
 
  節(jié)理切割形成大量松散小塊體,結構松散破碎,全強風化。節(jié)理裂隙發(fā)育,延展性差,微張,泥化物及石英、石膏充填;局部軟泥夾層及破碎帶發(fā)育,整體性差。
 
  節(jié)理切割形成大量松散小塊體,結構松散破碎,全強風化,易污手
 
  通過開展室內(nèi)巖石力學試驗,圍巖單軸抗壓強度為14-20Mpa之間,屬于軟巖~較軟巖,巖層面泥質(zhì)膠結,結合差,板狀結構,中薄層狀發(fā)育。
 
  3施工情況
 
  3.1施工參數(shù)及材料
 
  選擇隧道斜井輔助正洞進口方向YK105+094~+134段(總長40m)進行漲殼式讓壓中空錨桿代替普通砂漿錨桿試驗段施工。該段設計為Ⅴ級圍巖,采用Ⅴb-2襯砌支護類型,初期支護設置系統(tǒng)錨桿,拱部采用Φ22組合中空錨桿L=4m,間距1.2×1.0m(環(huán)×縱),邊墻采用Φ22普通砂漿錨桿L=4m,間距1.2×1.0m(環(huán)×縱)。
 
  試驗段前20m,即YK105+094~+114段,漲殼式讓壓中空錨桿單根長L=6m,環(huán)縱間距1.0×1.0m。選用的Φ32mm漲殼式讓壓中空錨桿采用50mm鉆頭鉆孔,經(jīng)過試驗,水泥純漿采用P.O42.5R水泥,減水劑摻量為0.7%,水灰比為0.45。錨固劑選用鄭州蘭瑞MJSK2型錨固劑,規(guī)格為32×225mm。錨桿密實度檢測采用中空桿體注漿,孔口PVC軟管進行排氣的方式。
 
  3.2施工工藝流程
 
  施工工藝流程為:施工準備→測量放線→風槍鉆孔→孔道清理→砂漿孔口找平→漲殼式讓壓中空錨桿插入、漲開→錨具安裝及施加預應力→從注漿管灌注水泥純漿→密實度無損檢測。
 
  3.3施工方法
 
  3.3.1鉆孔。Φ32mm漲殼式讓壓中空錨桿采用Φ50mm鉆頭鉆孔,鉆孔深度6.1m??瘴黄畈淮笥?00mm。
 
  3.3.2孔道清洗與驗收。鉆孔完畢后,用壓力水將孔道清洗干凈,經(jīng)檢驗合格后,臨時封堵孔口。
 
  3.3.3錨桿安裝與張拉。為確保錨桿墊板與錨桿垂直,使預應力沿錨桿軸線施加,對孔口范圍局部凹凸不平處采用高標號砂漿抹平,為使砂漿能夠迅速達到強度,可在砂漿中加入適當?shù)脑鐝妱移綄訌姸冗_到20MPa后,安裝錨桿張拉;錨桿由廠家定尺制作,采用風槍配合,人工將錨桿體送入孔內(nèi),確保漲殼頭已送至孔底,使用廠家配置專用連接套筒轉(zhuǎn)動錨桿桿體漲開鋼質(zhì)錨頭,使錨頭漲開與巖壁緊密接觸以達到錨固的目的;放入止?jié){塞和錨墊板,安裝排氣管,旋上螺母,并使錨桿位于錨桿孔中部,擰緊螺母;使用扭力扳手施加預應力40KN。
 
  3.3.4注漿。采用水灰比0.4水泥純漿(或1:1水泥砂漿)作為注漿材料,采用專用注漿泵灌注,灌漿前采用通風或水檢查桿體、排氣管是否暢通。灌漿時孔口下傾的錨桿宜從桿體進漿,孔口排氣管排氣;孔口水平或上仰的錨桿宜從孔口排氣管進漿,桿體排氣。待出漿濃度與進漿濃度一致后,封堵排氣管,并繼續(xù)灌注至預定壓力后停止灌注,以保證注漿飽滿且壓力達到設計值,注漿壓力控制在0.4~0.8MPa。
 
  3.3.5砂漿密實度檢測。漲殼式讓壓中空錨桿注漿完成7d后,采用物探對中空錨桿砂漿密實度進行檢測,砂漿密實度均不小于95%,全部合格。
 
  4施工效果
 
  4.1監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比
 
  試驗段后20m,即YK105+094~+114段,漲殼式讓壓中空錨桿單根長L=6m,環(huán)縱間距1.2×1.2m。自2010年12月13日至2011年1月5日,共施做漲殼式中空錨桿618根,共埋深孔口壓力盒(200KN)三個斷面,其中YK105+094~+114一個斷面,YK105+114~+134兩個斷面,每個斷面選一根錨桿安裝兩個壓力盒,初測日期2010年12月23日,監(jiān)測最大受力2.5t。普通砂漿錨桿段落及讓壓中空漲殼式錨桿試驗段落圍巖監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比情況。
 
  4.2時間-變形關系曲線圖及分析結論
 
  4.2.1漲殼式錨桿段時間-變形關系曲線圖
 
  4.2.2普通砂漿錨桿段時間-變形關系曲線圖
 
  5分析結論
 
  5.1漲殼式錨桿段初支變形收斂小于普通砂漿錨桿段。初步統(tǒng)計累計最大沉降量減小153mm、最大沉降速率減小10.8mm/天、最大收斂速率減小12.6mm/天、累計收斂量減小98.1mm。
 
  5.2仰拱成環(huán)段(YK105+136斷面),圍巖變形趨于收斂,初支變形速率小于5mm/d;在中、下臺階開挖時曲線有明顯波動,左側(cè)變形量較大,仰拱未成環(huán)前,沉降大于收斂;成環(huán)后,沉降不明顯,收斂持續(xù)較長。
 
  5.3圍巖呈全強風化狀,層面泥炭質(zhì)膠結,結合差,總體走向與洞身的夾角35°左右,由左側(cè)斜向右側(cè),45°~65°的傾角傾向于左側(cè)及小里程,左硬右軟,偏壓明顯。最大沉降速率、最大累計沉降量均出現(xiàn)在線右(3號點),較線左有沉降量大、沉降速率高、持續(xù)時間長特點,偏壓明顯。
 
  5.4安裝漲殼式讓壓中空錨桿后較普通砂漿錨桿相比,能迅速形成錨桿支護錨固力,控制巖體變形;能通過可靠的注漿使錨桿具永久支護力和耐久性;能通過預應力使錨桿注漿體處于零應力或注漿體不出現(xiàn)開裂,防止錨桿長期使用下銹蝕;施工工藝簡單可靠。

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