中空锚杆

中空锚杆（精选5篇）

中空锚杆 篇1

1 前言

中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，简称FAST）建设于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼喀斯特洼地，FAST工程的主要建筑物包括钢圈梁、馈源支撑塔、主动反射面等，如图1。

FAST主动反射面的基本曲面为一半径为300m、口径500m的球冠面，是一种基于柔性基底的预应力整体索网结构，由数千个边长11m左右的三角形索网组成。各三角形顶点都由节点连接，每个节点通过下拉索与安装在地面上的卷索机构连结。该索网包括约10000根索段、2400多个索节点、下拉索驱动装置和地锚，地锚设计如图2所示。地锚锚杆类型为中空锚杆，

通过对现场中空锚杆进行极限拉拔试验、蠕变试验，得到FAST场地不同地质条件下反射面中空锚杆的锚固工作特性，为中空锚杆设计提供参数。

2 试验设计

2.1 锚固场地选择

为了得到FAST场地不同地质条件下锚杆锚固特性，试验锚固区选择具有代表性的基岩区和崩塌堆积区两个区域，钻孔地质情况见表1。试验锚杆之间具有足够的间距。

2.2 锚杆材料选择

锚杆材料采用RD32N型普通中空锚杆，EX32N型涨壳式预应力中空锚杆。所有中空锚杆外径为32mm，壁厚为6mm，杆体极限承载力为290kN。RD32N型普通中空注浆锚杆由中空锚杆体、塑料锚头、止浆塞、垫板、螺母组成（如图3。EX32N型涨壳式预应力中空注浆锚杆由中空锚杆体、涨壳锚固件、垫板、螺母、排气管、组成（如图4）。

2.3 锚杆试验参数

为测试中空锚杆在FAST地层条件下的承载特征，进行不同围岩条件下中空锚杆的极限拉拔试验。为测试中空锚杆在FAST崩塌堆积区地层条件下的蠕变特性，进行中空锚杆的蠕变试验。锚杆试验参数见表2。

注：所有锚杆均为全粘结锚杆。

3 试验过程

3.1 试验准备

（1）钻孔

普通中空RD32N型锚杆钻孔孔径为91mm，采用钻机成孔。涨壳中空EX32N型锚杆钻孔孔径为70mm，采用凿岩机成孔。孔深超过锚杆锚固段长度0.2m。

(2）锚杆安装及注浆

按照厂家对中空锚杆的制作要求，对锚杆进行现场组装。所有中空试验锚杆均采用普通硅酸盐42.5水泥，纯水泥浆注浆，水灰比为0.45。注浆时自锚杆中空部注入从孔底返浆至孔口，确保注浆质量。

（3）混凝土反力墩浇注

灌浆结束后，在孔口浇注一反力墩，在反力墩中心安置一直径为50mm的PVC管，作为中空锚杆穿过反力墩孔道。锚固体至孔顶之间留10cm空间，便于试验过程中观察锚杆破坏形式。

3.2 试验

(1）加载装置及仪表

加荷设备采用的YCW60B—50型空心式千斤顶（公称张拉力600k N）、ZB4—500型电动高压油泵。测力仪器采用GML—2型钢弦式锚杆测力计，量程为0～300kN。锚杆位移测量仪器为2块量程为10mm的百分表。其他主要装置有温度计（用于现场温度测量，对测力计进行温度补偿）、磁性支座、反力架、钢垫板等。试验装置见图5、图6。

(2）加载方式

极限抗拔试验采用分级循环加载，根据厂家提供的试验用中空锚杆杆体极限承载力为290kN，取杆体极限承载力的80%作为循环加载的最大试验荷载，各级荷载量和位移观测时间见表3。

蠕变试验采用分级逐次加载，根据锚杆轴向抗拔力设计值Nt=80kN，各级荷载量和位移观测时间见表4。

在锚头位置装设2块百分表，极限抗拔试验位移测量按规定时间测读锚头位移量，每级荷载下锚头位移量测读3次，取两块百分表读数均值作为每级荷载下的锚头位移量；蠕变试验位移测量，按每级荷载下时间间隔1、2、3、4、5、10、15、20、30、45、60、75、90、120、150、180、210、240、270、300、330、360min记录蠕变量，取两块百分表读数均值作为每级荷载下的锚头位移量。

4 试验结果及分析

4.1 极限抗拔试验

将FAST中空锚杆极限抗拔试验结果进行统计，基岩区及崩塌堆积区统计结果分别见表5、表6。基岩区

基岩区RD32N型普通中空锚杆试验结果表明：

(1)基岩区RD32N型普通中空锚杆YP2、YP3、YP6锚固段长度分别为3.5m、3.5m、4.0m，锚杆

破坏荷载均为220kN或232kN。

(2)基岩区RD32N型普通中空锚杆的杆体与锚固体之间的粘结强度>0.50MPa，锚固体与

孔壁之间的粘结强度>0.18MPa。

(3)“硬-1”组中YP2、YP3号锚杆与水平面夹角分别为30°、90°，最大累计位移增量（分别

为2.547mm、2.495mm）基本相等、锚杆极限承载力相等。基岩区EX32N型涨壳式预应力中空锚杆试验结果表明：

(1)基岩区EX32N型涨壳式预应力中空锚杆YZ2、YZ4、YZ6锚固段长度分别为3.7m、3.2m、3.7m，锚杆破坏荷载均为174kN。

(2)基岩区EX32N型涨壳式预应力中空锚杆的杆体与锚固体之间的粘结强度>0.39 MPa，锚固体与孔壁之间的粘结强度>0.18MPa。

崩塌堆积区

崩塌堆积区RD32N型普通中空锚杆试验结果表明：

(1)崩塌堆积区RD32N型普通中空锚杆RP4、RP5、RP2锚固段长度分别为4.0m、6.0m、8.0m,锚杆破坏荷载均为232kN。

(2)崩塌堆积区RD32N型普通中空锚杆的杆体与锚固体之间的粘结强度>0.25MPa，锚固体与孔壁之间的粘结强度>0.09MPa。

4.2 蠕变试验

根据FAST中空锚杆蠕变试验结果，绘制锚杆蠕变量-时间对数曲线。将试验结果进行汇总统计，统计结果见表4-3。

崩塌堆积区RD32N型普通中空锚杆试验结果表明：在FAST场地崩塌堆积区地层中，中空锚杆RP1、RP7在试验要求荷载及观测时间内，最后一级荷载作用下蠕变率分别为0.56 mm/对数周期、0.94 mm/对数周期。

5 结论

(1)基岩区中风化含泥质灰岩、中风化白云质灰岩，崩塌堆积区密实块石土均可作为FAST工程反射面拉索驱动器结构锚杆锚固持力层。

(2)本次FAST中空锚杆试验，RD32N型普通中空锚杆锚固强度受锚杆的杆体强度控制，EX32N型涨壳式预应力中空锚杆的锚固强度受锚杆涨壳体强度控制。锚杆破坏形式为锚头杆体屈服变形。

(3)基岩区RD32N型普通中空锚杆极限承载力为203kN，杆体与锚固体之间的粘结强度>0.50MPa，锚固体与孔壁之间的粘结强度>0.18MPa。

(4)基岩区EX32N型涨壳式预力中空锚杆极限承载力为145kN，锚杆的涨壳体破坏强度为174kN,杆体与锚固体之间的粘结强度>0.39 MPa，锚固体与孔壁之间的粘结强度>0.18MPa。

(5)崩塌堆积区RD32N型普通中空锚杆的杆体与锚固体之间的粘结强度>0.25MPa，锚固体与孔壁之间的粘结强度>0.09MPa。

5.2 蠕变试验

(1)在FAST场地崩塌堆积区地层中，中空锚杆RP1、RP7在试验要求荷载及观测时间内，最后一级荷载作用下蠕变率分别为0.56mm/对数周期、0.94mm/对数周期，满足《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22:2005）中“最后一级荷载作用下的蠕变率不应大于2mm/对数周期”的要求。

摘要：在FAST场地不同地质条件下,通过对现场中空锚杆进行极限拉拔试验、蠕变试验,得到中空锚杆的承载特征及蠕变特性,为FAST反射面中空锚杆设计提供参数。

关键词：中空锚杆,极限拉拔试验,蠕变试验,粘结强度

参考文献

[1]中国工程建设标准化协会标准.岩土锚杆(索)技术规程(CECS22:2005).北京:中国计划出版社,2005.

[2]程良奎,李象范.岩土锚固-土钉-喷射混凝土—原理、设计与应用.北京:中国建筑工业出版社,2008.

中空锚杆 篇2

桃园煤矿北翼采区运输大巷位于72煤层底板40m~50m处, 平均法线距离45m, 82煤层底板20m~30m处, 平均法线距离21m, 巷道围岩岩性主要为砂岩或粉砂岩, 局部为页岩。在上覆工作面回采期间, 北二、北四运输大巷受采动影响较大, 巷道片帮、掉顶, U型棚支架变形严重;针对该种状况, 我矿于2011年7月对运输大巷补强加固方式进行调研, 研究决定对受上覆工作面采动影响的北四~北八运输大巷段进行超前补强加固;加固方式为:锚喷巷道采取全断面锚带网喷进行补强加固, U型棚支护段采取以围岩注浆为主, 补打注浆锚杆实施壁后充填和围岩注浆方式进行补强加固。U型棚支护段注浆补强加固工艺与2011年9月设计并进行实施。

2 锚注加固原理分析

锚注工艺是在锚杆支护作用原理的基础上发展起来的, 除具有悬吊作用、组合梁作用、挤压加固作用外, 还有充填粘结、密封作用等。利用锚管注浆, 浆液在注浆泵压力下被压入岩体, 将原来的软散岩体胶结成整体, 从而提高了岩体的刚度和全承载能力;另外注浆使锚杆由原来端锚变成全锚, 产生一定预应力, 将岩石组成一个紧密的组合拱, 从而进一步提高了围岩体的整体强度, 使围岩体的自身承载能力大大提高, 同时, 由于浆液的扩散作用, 组合拱半径增大, 能有效克服较大构造应力及岩层压力, 保持围岩自身的长期稳定。

3 注浆锚杆施工及注浆工艺

3.1 注浆锚杆参数及布置方式

3.1.1 注浆锚杆结构

注浆锚杆规格Φ22×2200mm, 采用中空波纹无缝钢管制作, 壁厚4mm, 杆体上顺序钻有Φ6mm注浆孔, 其结构如图1所示, 杆尾设麻花锚固段, 1个树脂锚固药卷端锚, 锚固力5t, 封孔采用快硬水泥药卷。

3.1.2 中空波纹注浆锚杆布置

中空波纹注浆锚杆全断面布置, U型棚棚档中顶布置一根, 然后向两侧布置, 间排距为1300×1500mm;共布置7根注浆锚杆。

3.2 注浆参数

3.2.1 水灰比

注浆材料是注浆技术中一个不可分割的部分, 浆液的可注性及其力学性能是决定注浆效果的关键因素, 注浆材料的成本及浆液消耗量的大小又决定了注浆加固技术经济上的合理性。因此, 注浆材料的选取是巷道注浆加固能否成功的先决条件。

注浆材料的选取主要考虑下列原则:浆液的结石体最终强度高;浆液结石率高, 与岩体具有良好的粘附性;浆液流动性好, 配比易调;浆液具有足够的稳定性;浆液成本低廉无毒无味。故注浆材料采用普通硅酸盐水泥加添加剂, 水泥采用525#普通硅酸盐水泥, 添加剂用量为水泥重量的4%~6%。浆液水灰比为0.7:1~1:1, 浆液配合比如表1所示。

3.2.2 水泥添加剂

为了增加水泥浆液的和易性、流动性、微膨胀性, 提高水泥浆液的结石率和锚注岩体的强度, 采用ACZ-1型水泥添加剂, 用量为水泥重量的4%~6%。

3.2.3 注浆量

对于巷道围岩的注浆, 其注浆效果的好坏, 关键取决于注浆参数的选择。

巷道围岩注浆效果的控制程度取决于施工队的经验及技术熟练程度。他们必须根据测得的注浆压力和浆液流速来选择注浆的顺序、是否变更或终止注浆过程。从成本最低的观点来看, 在注浆过程中, 进行有效的监控是十分必要的。

由于围岩裂隙发育, 松动范围的不均匀性和围岩岩性的差异, 围岩吸浆量差别较大, 所以本着既有效地加固围岩达到一定的扩散半径, 又要节省注浆材料和注浆时间的原则, 对于单孔而言, 为了保证合理的注浆量, 一是控制泵压, 在围岩内泵压达到3.0MPa时应停止注浆;二是根据相邻钻孔跑浆量来决定, 相邻钻孔一旦跑浆应停止注浆。为保证注浆质量, 插孔复注是非常必要的。根据近几年注浆实践, 每孔最大注入量每孔取为2袋水泥 (每袋水泥50kg) 。

3.2.4 注浆压力

注浆压力根据以往经验, 注浆压力为2.0~3.0MPa, 最大注浆压力为3.0MPa。

3.2.5 注浆时间

为了防止注浆在弱面浆液扩散较远, 造成跑漏现象, 在控制注浆压力和注浆量的同时, 必须控制注浆时间, 使注浆时间不宜过长。一般单孔注浆时间取为3~5min。

3.3 施工工艺

3.3.1 中空波纹注浆锚杆施工

首先对巷道内的U型棚支护情况进行排查, 敲帮问顶找净活矸危岩后, 对折帮漏顶的棚子进行重新腰背并对巷道进行全断面喷浆封闭, 喷浆厚度为50mm~100mm;喷浆结束后打注浆锚杆并进行安装注浆。

具体工序如下:对巷道敲帮问顶→对巷道失修位置进行修复→喷浆封闭→打注浆锚杆孔→安装注浆锚杆。

3.3.2 注浆工艺

具体工序:注底角注浆锚杆→注两帮注浆锚杆→注顶部注浆锚杆→复注 (根据观测结果确定是否复注及复注位置) 。

注浆时采用自下而上、左右顺序作业的方式, 每断面内注浆锚杆自下而上先注两帮, 再注顶板锚杆。注浆完毕后, 根据观测结果确定是否复注及复注位置, 主要是对初次注浆时, 注浆效果较差的个别孔或是水泥凝结硬化时产生的收缩变形部位, 通过复注可起到补注和加固作用, 从而易于保证施工质量。

注浆施工工艺流程主要包括三个方面:

(1) 运料与拌浆:即将水泥与水按规定水灰比拌制水泥浆, 注浆实施前加入定量增塑剂, 保证在注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞等现象, 并根据需要调整浆液参数。

(2) 注浆泵的控制:根据巷道注浆变化情况, 即时开、停注浆泵, 并时刻注意观察注浆泵的注浆压力, 以免发生堵塞崩管现象。

(3) 孔口管路连接:应注意前方注浆情况, 及时发现漏浆、堵管等事故, 并掌握好注浆量及注浆压力, 及时拆除和清洗注浆阀门。

注浆施工工艺如图3所示。

3.3.3 保证措施

(1) 要保证注浆锚杆孔的设计间排距, 并要求垂直于岩面, 底角注浆锚杆下孔35°~45°, 要严格控制孔深, 使其与注浆锚杆长度配套。注浆锚杆尾部树脂药卷要搅拌均匀, 达到设计锚固力要求。

(2) 使用快硬水泥卷应按规程作业, 严格控制泡水时间, 并保证砸实以满足止浆强度。

(3) 浆液配比、水灰比和注浆终压应满足设计要求。

(4) 开机前应检查喷层和管路, 检查阀门是否完全开启, 管路接头要牢靠、严密、有效。

(5) 注浆作业应组成专门正规队伍, 注浆人员要经过培训, 考核合格后才能上岗。注浆机械应由专人负责, 有专人监读表头, 注浆时要加强信号联系, 保证注、停及时反应快速。

(6) 遇到漏浆时, 可暂停注浆, 采取措施封堵渗漏处, 几分钟后即可再注。

(7) 注浆的孔口阀应注浆后6h拆除, 可在第二班进行, 拆下的阀门要及时清洗干净, 然后抹上机油备用。

(8) 注浆人员注意劳动保护, 防止浆液材料烧伤眼睛或皮肤, 在正注的锚杆下方或前方严禁站人。

(9) 每班注浆完毕, 要及时清洗注浆泵及其管路, 及时维护。 (10) 注浆情况及参数应专人负责控制, 专人记录, 填写工作日志。

(11) 注浆锚杆间排距可根据实际扩散半径加以调整, 当注浆过程大面积达不到设计终压, 一般为浆液沿大裂隙定向扩散所致, 可加大增塑剂用量, 堵塞大通道, 并隔2~7天后, 打注浆锚杆复注, 以保证围岩浆液扩散均匀。

3.4 支护监测及效果检验

3.4.1 巷道围岩表面位移

巷道围岩表面位移测点, 按每个观测断面4个点布置, 共布置6组, 每周观测2~3次, 主要测试两帮及顶底的变形量。

巷道围岩表面位移测试测点布置如图4所示。

3.4.2 锚杆拉拔力检测

采用ML-20型锚杆拉力计抽取中空波纹注浆锚杆进行了拉拔试验。

3.4.3 效果检验

在运输大巷上覆工作面回采前, 由于对U型棚支护段采取了超前注浆加固技术进行补强, 通过观测数据可以看出受采动影响范围内的巷道在工作面回采期间、回采后与回采前巷道各项参数无较大变化;超前加固效果较好。

4 结语

中空锚杆 篇3

金川矿区构造体系复杂,除古构造应力影响应力场外,青藏高原的强烈隆起产生的推挤力与阿拉善地块的阻挡作用使本区具有明显的构造应力特征[1],水平应力普遍大于垂直应力,垂直应力大于上覆岩层重量,存在破碎和岩层不稳定的情况。局部构造带也影响岩体稳定,易发生工程地质问题,地下巷道的破坏大都受此控制[2~4]。根据以上地质条件,金川矿区广泛采用锚网喷支护[5],锚杆选用普通砂浆锚杆。这些支护措施在一定程度上减缓了围岩变形速度,但是根据现场情况来看,巷道变形严重,支护效果不佳,围岩—支护共同作用没有达到耦合效果。

中空预应力注浆锚杆集注浆、锚固于一体,采用厚壁无缝钢管加工而成,表面呈左旋标准螺纹波形螺纹,能够紧密联结围岩,使锚具具有永久支护力, 并可通过中空杆体实现高压注浆[6~7]。但是,这种锚杆主要应用于隧道开挖支护,而在金属矿山应用较少。

本文通过运用理论分析、数值计算和现场实验等方法对中空预应力注浆锚杆支护工艺在金川矿区巷道支护效果进行研究,探讨了几个重要影响因素, 确立了主要施工工艺。

1中空预应力注浆锚杆的特点

在金川矿区现场实验,采用的中空预应力注浆锚杆直径32mm,长度2. 6m,结构图如图1所示。

该种锚杆采用中空杆体设置,可在安装好锚杆后通过中空杆体空腔注浆,锚尾处的止浆塞和托板可有效防止浆液外溢,保证了浆液的饱满度,能在锚杆在锚固范围内传递剪应力和拉应力,地质条件复杂时还可实现压力注浆,迫使浆液渗透到围岩中,使锚固区域达到要求。

中空预应力注浆锚杆通过张拉设备给岩体施加一定的预应力,支护后立即提供锚固力,其支护特征线[8]如图2所示。

中空预应力注浆锚杆支护特征方程有两部分组成,即张拉荷载和变形荷载:

式中: σlr为支护径向反力; σrR为中空预应力注浆锚杆施加在 巷道壁上 的平均径 向压力;表示普通砂浆锚杆的支护刚度; KMB为普通砂浆锚杆的刚度; Da、Db为锚杆布置的间距、排距。P1为单根中空预应力注浆锚杆张拉荷载。

此时,中空预应力注浆锚杆的支护刚度可表示为:

根据式( 1) 、( 2) 、图2分析可得:

1) 中空预应力注浆锚杆支护刚度由两部分组成。式( 2) 中第一项为预应力,表示普通砂浆锚杆的支护刚度。

2) 中空预应力注浆锚杆主动性支护围岩,将巷道周边围岩有二向受力状态变为三向受力状态,遏制和延缓围岩强度的降低,控制第一张拉区的发展, 维护巷道围岩稳定[9,10]。

3) 在高地应力巷道中,通过调节预应力调节, 增大预应力,获得较大的的支护反力,能够承受较高的围岩压力。

2数值模拟及结果分析

2.1模拟巷道概况及模型建立

现场实验选择在金川三矿区某分段,埋深超过300m。为了计算方便,简化模型计算区域的岩体, 视为理想的均质岩体。根据揭露的岩性看,围岩大多为黑色混合岩,吸水易碎,渗水比较严重,围岩碎胀性明显,强度很低,具体的岩体力学参数如表1所示。依据现场实测,垂直应力8MPa,平均水平应力16MPa,侧压系数高达2. 0,构造应力强烈,极大的影响了巷道的稳定与维护。

采用FLAC3D软件进行数值试验研究[11],现场实际的巷道尺寸为5. 4m × 4. 8m( 宽 × 高) ,直墙拱形,已经开挖的距离为30m,实验的巷道长度为8m。 考虑边界效应影响,单个巷道开挖其影响范围是巷道范围的3 ~ 5倍[12],网格按照放射状网格布置,巷道周围网格密集,其它区域疏松。根据巷道大小,建立28m × 8m × 28m( 长 × 宽 × 高) 的计算模型,网格放射系数为1. 2,如图3所示,共有61776个单元, 65025个节点。

由于构造应力作用明显,采用应力边界条件确定其初始应力场,上下两个面施加垂直应力8MPa, 其余四个面施加水平应力16MPa,并忽略其顶部至底部的重力的差异,重力加速度设置为零,岩体本构关系采用摩尔—库伦模型[13]。

为了便于分析支护效果,采用对比的方法,分别对普通砂浆锚杆和中空预应力注浆锚杆的支护效果进行研究。应用FLAC3D内置的锚索( cable) 单元模拟锚杆。根据现场情况,锚杆布置间距1m,每个断面布置11根,锚杆轴向垂直于巷道壁,锚杆的参数如表2所示。

2.2模拟结果及分析

2. 2. 1巷道变形分析

巷道开挖后,巷道周边均出现明显的收缩变形, 采用中空预应力注浆锚杆的顶板沉降和底鼓与普通砂浆锚杆相比差距不大,顶底板收缩量在1. 5cm左右,但是两帮位移差异明显,两者相差将近3cm。图4显示了两帮收缩情况,两种锚杆支护初期变形速率一样,600步以后普通砂浆锚杆变形速率明显大于中空预应力注浆锚杆,而且收敛时间略大于中空预应力注浆锚杆,最终中空预应力注浆锚杆的位移量减小了约14. 56% 。

2.2.2应力场分析

开巷后,巷道周边出现应力集中,一般情况下, 用巷道周边的最大应力与开巷前的原岩应力的比值作为应力集中系数。通过对图5、图6中显示的两种锚杆支护下最大、最小主应力场云图分析可知,普通砂浆锚杆的最大、最小主应力为41. 77MPa和13. 72MPa,应力集中系数为2. 61和1. 72,中空预应力注浆锚杆最大、最小主应力分别为39. 92MPa和12.73MPa,应力集中系数分别为2. 5和1. 60。中空预应力注浆锚杆降低巷道周边应力集中程度,并且最大、最小主应力值相比于普通砂浆锚杆分别降低了4. 4% 和7. 2% ,有利于巷道的稳定。

2.2.3水泥粘结层破坏分析

图7显示了巷道最大断面处两种锚杆的砂浆破坏情况。画圈的锚杆表示已经发生滑动破坏,从此图可以看出,中空预应力注浆锚杆发生滑动破坏的锚杆数量小于普通砂浆锚杆,主要是因为其所特有的注浆特点,保证了砂浆的饱满度,使得锚固体有足够的强度,提供更大的粘结力; 另外杆体的屈服强度在200k N,远大于普通砂浆锚杆的96. 7k N,因此在较大围岩变形压力下,普通砂浆锚杆的水泥粘结层首先发生破坏。因此,中空注浆锚杆可以承受更大的围岩压力。

3现场应用效果

中空预应力中空注浆锚杆支护实验的巷道选择在金川三矿区东贫某分段,在原矿方初次锚喷支护的基础上进行实施。钻孔直径为40 ~ 43mm,间排距为1000mm × 1000mm,一个断面布置11根锚杆, 然后安装涨壳式中空预应力注浆锚杆,再进行挂TECCO网,固定锚杆,并用张拉设备施加预应力,然后注浆,最后喷砼,厚度为150 ~ 200mm,最后进行岩体表面位案后移监测; 与之相对比的普通砂浆锚杆支护工艺不变,巷道地质条件相似。

根据现场反馈的信息,在相似的工程条件下,图8显示两种锚杆支护下监测断面两帮位移收缩情况。由于普通砂浆锚杆依靠围岩的变形提供锚固力,被动支护围岩,初期强度低,初期围岩变形速度和变形量远大于中空预应力注浆锚杆,丧失了控制围岩变形的最佳时机,而中空预应注浆锚杆能够施加预应力实现主动支护,控制了早期围岩的变形速度,减小了离层的发生,提高了围岩的自承能力,最终减小了36. 6% 的位移。

另外,普通注浆锚杆支护下出现局部冒顶,锚杆被拉断,拉弯,如图9( a) 所示,顶部岩石垮落,巷道破坏严重。而中空预应力注浆锚杆支护的巷道则比较稳定,如图9( b) 所示,围岩没有发生剧烈变形。

根据现场拉拔试验,普通砂浆锚杆的锚固力是40k N,而中空预应力注浆锚杆为140k N,中空预应力注浆锚杆极大提高了锚固体的强度,保证了工程的稳定性。

4结论

1) 中空预应力注浆锚杆实现主动张拉,时效性增强,增加了支护刚度,提高了支护反力,加固了弱面,提高了围岩的自承能力,控制了第一张拉去的发展,采用高压注浆保证注浆饱满度,增加了锚固体的强度。

2) 通过数值试验,对比于普通砂浆锚杆,中空预应力注浆锚杆能够有效抑制围岩变形,两帮收缩减小了14. 56% ,减小开巷后的应力集中悉数,最大、最小主应力分别减小了7. 2% 和4. 4% ,并且减小了水泥粘结层的破坏范围,有利于巷道稳定。

3) 现场效果表明,中空预应力注浆锚杆控制了围岩的初期变形,减小了围岩的变形速度,减小了36. 6% 的位移,提高了支护强度,减小了锚杆被拉断,拉弯的危险,并且抗拔力达到140k N,远大于普通砂浆锚杆的40k N。

因此,在金川矿区强构造应力条件下,在大断面巷道中应用中空预应力注浆锚杆代替传统的砂浆锚杆能够达到更好的支护效果。

摘要：针对金川矿区大断面巷道在强构造应力作用下围岩变形严重的情况,提出了中空预应力注浆锚杆的支护工艺。通过数值计算得出以下结论:相比传统的普通砂浆锚杆支护工艺,采用中空预应力注浆锚杆支护工艺能够主动加固围岩,提高支护刚度;巷道两帮的变形减小了约14.56%,最大、最小主应力分别降低了4.4%和7.2%,粘结层破坏范围也随之减小。通过对支护后巷道变形监测发现:两帮最终变形量减小了约36.6%;通过抗拔实验,中空预应力注浆锚杆的抗拔力达到140k N,远大于普通砂浆锚杆的40k N抗拔力,中空预应力注浆锚杆有更好的支护效果。

中空锚杆 篇4

近些年, 随着铁路工程建设的快速发展, 锚杆作为隧道工程施工中维护围岩稳定, 确保施工安全质量的重要支护手段之一已得到了迅速的发展, 组合中空锚杆以其良好的质量安全、可靠性及适用性已在越来越多的隧道工程中开始应用, 因此如何准确钻孔、安装、注浆、封锚成为组合中空锚杆施工控制的关键问题。

锚杆作为主动支护形式的一种, 已广泛应用于隧道、巷道、基坑及高边坡防护。陈玉祥等通过对国内外锚杆支护理论的论述, 详细阐述了不同锚杆围岩支护理论的机理、适用条件、优缺点, 提出了锚杆支护机理的发展趋势和方向[1], 但在以往的隧道工程施工中, 其拱部常采用普通砂浆锚杆或普通中空锚杆支护, 其注浆施工由下往上灌注, 常常导致漏浆或注浆不饱满等质量通病, 给铁路施工及营运带来安全隐患[2、3]。而组合中空锚杆从改进注浆施工工艺出发, 改进了以往锚杆漏浆、注浆不饱满等质量通病。谢敏从隧道工程施工实际出发, 深入探讨了中空注浆锚杆施工的常见的质量通病及管控措施[4];夏志杰等通过组合中空锚杆在锦赤铁路隧道施工中的应用, 证明其能有效的解决隧道拱顶锚杆注浆不饱满问题[5];张世平等采用理论分析及室内试验的方法对锚杆体中导波规律的研究, 探讨了更为简单有效的锚杆锚固质量及完整性检测方法[6]。经过多年的应用, 目前已广泛运用于隧道工程中, 文章以合福客专闽赣段隧道组合中空锚杆施工为研究对象, 探讨了组合中孔锚杆施工工艺流程、工艺要点、质量控制要点及钻孔设备等, 以其方便快捷、安全有效的应用于隧道工程施工。

1 结构及支护原理

1.1 结构

组合中空锚杆是由中空锚杆体、钢筋、连接套、垫板、螺母、止浆塞、锚头、排气管等组成的锚杆体。组合锚杆体有中空锚杆体连接套与钢筋连接组合而成, 连接套上应径向均匀布设出浆口, 且不少于2个, 直径不应小于16mm。注浆时水泥浆液经中空锚杆体的中空内孔从连接套上的出浆孔进入锚杆孔, 锚杆孔内的浆液由外向里充盈, 锚杆孔内的空气从排气管排出, 注浆完成后应立即安装堵头封堵[3], 如图1所示。

1.2 支护原理

组合中空锚杆主要用于拱部或锚杆孔向上倾斜的岩层中, 依赖其粘结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果, 以达到支护的目的。具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点[2]。

2 设计参数

合福客专闽赣段全长466Km, 隧道全长275Km, 隧道比高达59%, 以Ⅲ级围岩为例, 组合中空锚杆设计参数为:

(1) 材料为Φ22组合中空锚杆, 全长3.0m, 其中空部分长0.5m、钢筋长2.5m, 材质为HRB335、Q345钢;锚杆体屈服抗拉力≥127KN, 最大拉力≥172KN。 (2) 垫板规格:Q235热轧钢筋, 尺寸为150mm×150mm×6mm。 (3) 施工范围:拱部140°。 (4) 锚杆孔深度:大于锚杆长度10cm。 (5) 水泥标号:P.O 42.5普通硅酸盐水泥, 注浆应饱满密实。

3 施工工艺

3.1 施工工艺流程

隧道组合中空锚杆施工工艺流程见图2。

3.2 施工工艺要点

3.2.1 施工准备

(1) 机械设备准备妥当, 如锚杆钻机 (HD110Z潜孔钻车, 技术参数为钻孔气压0.7~1.4MPa、自动履带式行走系统、施工范围纵向200°、水平45°、最大钻孔深30m、施工高度10~11m) 、空压机、搅拌机、凿岩机和注浆泵等, 并确认可用。

(2) 锚杆体配件、水泥等材料准备充足。

(3) 测量、试验、钻孔、注浆及辅助人员准备就绪。

3.2.2 钻孔

测量人员按设计图纸对锚杆孔孔位进行准确定位, 梅花形布置并标识, 采用Φ42mm钻头开钻。锚杆孔应与围岩壁面或岩层的主要结构面垂直, 孔位允许偏差±15cm, 孔深度大于锚杆设计长度10cm, 允许偏差为±50mm。

3.2.3 清空

成孔后利用喷射混凝土台车采用高压风进行清孔, 至孔底钻碴彻底清干净为止。

3.2.4 安装

(1) 组装组合中空锚杆, 并检查确认各环节拧紧。

(2) 排气管通长顺直用胶带固定于锚杆体上, 其一端与锚头齐平, 并采用外套细格钢丝网防堵, 另一端经止浆塞穿出, 并预留1m左右的富余长度。

(3) 将组装好的锚杆体缓慢送入锚杆孔内并旋转, 要求插入孔内的长度不得短于设计长度的95%, 且位于孔的中心[7]。

(4) 检查排气孔是否通畅, 堵塞时可采用清孔用高压风排堵。

(5) 套入止浆塞, 敲紧、宜深入岩面不小于2~5cm, 并应满足不小于1MPa注浆压力的使用要求。

3.2.5 注浆

注浆管连接、旋紧, 连接注浆机注浆, 待排气管有浆液溢出时且注浆压力达到设计值时, 停止注浆安装堵头进行封堵。待砂浆体强度达到10MPa后安装垫板, 垫板应用螺帽拧紧并与喷层紧贴, 未接触部位必须楔紧[8]。

3.2.6 锚杆外露端头处理

为保证端头不刺破防水板, 影响防排水效果, 安装螺帽后的锚杆尾部外露部分不得大于5mm, 割除多余部分, 并用砂浆抹平顺, 满足初期支护表面平整度D/L≤1/10的要求。

3.3 施工工艺特点

(1) HD110Z潜孔钻车设备结构紧凑、操作简单、工作灵活, 自带履带式走行系统, 移动方便, 工作范围大, 不需要专用钻孔台架, 通过调整滑架倾斜角度使钻孔角度垂直岩面, 有效解决了隧道拱部140°范围内锚杆施工角度不垂直岩面的问题, 如图3所示。

(2) 中空设计使锚杆体实现了注浆管的功能, 避免了传统施工工艺注浆管拔出时造成的浆液流失。

(3) 安装方便, 不需现场加工螺纹, 就可方便地安设垫板、螺母。

(4) 改善了施工人员作业环境, 取得了较好的经济和社会效益。

4 质量控制要点

(1) 组合锚杆体的内外表面不应有裂缝、折叠、轧折、离层、结疤和锈斑等缺陷。

(2) 钻孔方向宜尽量与岩层结构面垂直, 钻好后用高压风将锚杆孔冲洗干净。

(3) 排气管应与锚头齐平, 通长顺直固定在锚杆体上, 并具有防堵措施, 确保排气通畅。

(4) 锚杆体应具有居中措施, 安装时可利用锚头和止浆塞控制锚杆居中, 锚杆插入孔内的长度不小于锚杆长度的95%。

(5) 注浆作业施工控制

1) 注浆材料采用水泥净浆, 浆液配合比为1:1, 注浆过程应连续。2) 注浆孔口的压力不大于0.4MPa。3) 注浆过程中要重点观察孔口, 应有浆液流出, 暂定注浆时孔口挤浆现象消失、不再漏浆, 否则说明止浆效果不满足要求, 注浆不饱满密实。4) 注浆量略大于设计值, 注浆完成后按注浆量进行初步检验。5) 注浆强度未达设计强度的70%时, 不得随意碰撞, 一般规定三天内不得悬挂重物, 锚杆安设好后, 不得随意敲击。

5 结论

(1) 组合中空锚杆由于各配件的作用, 锚杆体的居中性很好, 浆液可以将锚杆体全长包裹, 避免了锈蚀的危险, 达到长期支护的目的。

(2) 由于其注浆饱满密实, 并实现了有压注浆, 能有效控制围岩变形, 保证围岩稳定, 确保施工安全, 提高了工程施工质量, 已越来越多地应用于隧道工程施工。

(3) HD110Z潜孔钻车设备在现场的应用, 设备结构紧凑、操作简单、工作灵活, 自带履带式走行系统, 移动方便, 工作范围大, 不需要专用钻孔台架, 通过调整滑架倾斜角度使钻孔角度垂直岩面, 有效解决了隧道拱部140°范围内锚杆施工角度不垂直岩面的问题。

参考文献

[1]陈玉祥, 王霞, 刘少伟.锚杆支护理论现状及发展趋势探讨[J].西部探矿工程, 2004, (10) :155-157.

[2]朱永全, 宋玉香.隧道工程[M].北京.中国铁道出版社, 2008.

[3]中华人民共和国铁道部.中空锚杆技术条件 (TB/T3209) [S].北京:中国铁道出版社, 2008.

[4]谢敏.浅谈隧道中空注浆锚杆施工常见质量通病与管理控制[J].中国新技术新产品, 2012, (2) :86-87.

[5]夏志杰, 殷俊刚, 吴银芳等.组合中空锚杆在锦赤铁路隧道施工中的应用[J].2012 (, 1) :56-58.

[6]张世平, 张昌锁等.注浆锚杆完整性检测方法研究[J].岩土力学, 2011 (, 11) :3368-3372.

[7]中华人民共和国铁道部.高速铁路隧道工程施工质量验收标准 (铁建设[2010]241号) [S].北京:中国铁道出版社, 2010.

中空锚杆 篇5

1 关虎冲隧道中空注浆锚杆的构造与特点

1.1 构造

中空注浆锚杆分为普通中空注浆锚杆、钢质涨壳中空注浆锚杆、自进式中空注浆锚杆和预应力中空自进式注浆锚杆。在溆怀高速公路关虎冲隧道施工中存在较多的V级围岩, 围岩主要为硬塑性亚粘土 (含块石、碎石及角砾) 、碎石及强～弱风化石芙砂岩、白云质灰岩等。断层角砾岩及构造角砾发育, 岩性变化大, 节理裂隙十分发育。针对围岩特点在施工中按设计采用了D25普通中空注浆锚杆进行支护。D25普通中空注浆锚杆由中空锚杆杆体、硬质塑料锚头、止浆塞、垫板和螺母组成, 如图1。

1.2 特点

关虎冲隧道应用的中空注浆锚杆具有以下一些特点, 从而大大提高了锚杆的质量安全可靠性与适应性。

⑴普通中空注浆锚杆采用先插入中空杆体, 后在中空杆体的孔腔中由内向外灌注水泥浆, 且锚孔外端口有止浆塞和托板, 能有效地防止浆液的外溢, 保证杆体与孔壁间的注浆饱满, 这样就能沿锚杆全长传递剪应力和拉应力, 确保锚固范围内的岩体得到加固。必要时, 还可以实施压力注浆, 使浆液向杆体周边岩体的裂隙内渗透扩散, 使锚固范围内的岩体得到进一步加固。

⑵注浆凝固后, 可用扭力扳手拧紧螺母, 提供10KN左右的托板抗力在锚杆端头形成具有与机械式锚杆相似的球形压力区 (图2) , 从而可控制岩体开挖后的初期变形, 阻止破碎岩块掉落。

⑶中空锚杆不仅可保证杆体与孔壁间的空隙内注浆饱满, 而且由于配置了锚头、止浆塞及连接套, 可使杆体在锚孔内居中, 从而锚杆能获得要求均匀的保护层厚度, 大大提高了锚杆的耐久性。

2 关虎冲隧道中空注浆锚杆的施工工艺

在关虎冲隧道中D25中空注浆锚杆采用以下施工流程:

2.1 施工准备

⑴施工前准备的机械设备有:空压机、搅拌机、凿岩机和注浆泵等, 工序开工前已检查均能正常使用。

⑵材料方面:准备钻杆、钻头、机油、配件, 还有砂、水泥等材料充足。

⑶人员方面:司机人员 (搅拌机、注浆泵、空压机) , 风枪手和运料人员。

2.2 孔位定位

测量班根据设计文件放线, 技术员按锚杆布置图进行定位, 并用红油漆标出或短钢筋标示, 按梅花型布设。

2.3 钻孔

钻孔采用风动凿岩机进行钻孔, 锚杆设计长度为3.5m选用5m钻杆、直径42的钻头, 钻孔时保持系统锚杆垂直于开挖轮廓面。

2.4 清孔

将高压风管端接一个5m长, Ф20的钢管, 用该管插入孔内将孔内的泥浆、水吹干净。

2.5 安装锚杆

安装锚杆, 工人先将锚头固定在杆体上, 然后将锚头端插入孔内, 再安装止浆塞、垫板和螺母。止浆塞、垫板必须紧贴围岩、螺母必须坚固。

2.6 拌制砂浆

砂宜选用细砂, 使用前须进行过筛, 将大粒料分离。水泥选用华中水泥。

配合比通过实验确定为:水泥:砂:水=1:0.5:0.5, 水灰比0.44。

拌制砂浆是锚杆施作的一个作业要点, 施工时需控制原材料、砂浆配合比和水灰比以及砂浆的稠度。

2.7 注浆

在2.1～2.6工序完成后即开始注浆, 注浆为锚杆施工的第二个作业要点, 在注浆过程中必须做到注浆饱满。首先将注浆器安到锚杆端拧牢固, 开动注浆泵注浆。时刻观察注浆泵压力表的指数, 正常注浆情况下, 压力表指数由开始注浆的零指数逐渐升高, 待达到0.1Mpa时, 停止注浆, 关闭阀门, 卸下注浆器开始下一个锚杆注浆。注浆过程中有可能发生的问题及其原因见表1:

2.8 检测

⑴注浆后, 认真检查注浆必须饱满及锚杆位置的偏差。

⑵28天后, 按总量的3%做抗拔实验, 检查锚杆抗拔力。

3 中空注浆锚杆的工作性能

关虎冲隧道Ⅴ级围岩段, 围岩大部分位于断层带中及附近, 断层角砾岩及构造角砾发育, 岩性变化大。节理裂隙极为发育, 岩石变形较为严重, 岩体一般极破碎-较破碎, 局部稍完整;呈碎裂结构或松散结构围岩基本无自稳能力或自稳能力较差, 易产生大塌方, 存在冒顶隐患。针对这段较差的围岩施工中采用了喷射砼、D25中空注浆锚杆与工字钢拱架进行联合支护。中空注浆锚杆在支护中主要起到联结作用、减跨作用、组合作用和整体加固作用。

3.1 联结作用

关虎冲隧道施工中岩体极为破碎和不稳定, D25中空注浆锚杆设计长度为3.5m, 能将破碎的岩体联结起来, 并能深入到稳定的岩层中。

当块体危石坠落时, D25中空锚杆以其良好的抗拉性与抗剪性满足了支护要求, 其受力作用如图5所示。

3.2 减跨作用

关虎冲隧道为高速公路隧道, 其单洞净跨为10.4m, 跨度较大。D25中空注浆锚杆以其在拱顶良好的施工性能, 能有效地起到悬吊和减跨作用。锚杆打入拱顶板岩后, 相当于在顶板上增加了支点, 使隧道跨度减小, 从而使顶板岩体的应力减小, 起到维护隧道的作用。

3.3 锚杆的组合作用

在关虎冲隧道V级围岩中节理裂隙极为发育, D25中空注浆锚杆能依靠锚杆将一定厚度的岩层, 尤其是成层的岩层组合在一起, 组成组合拱或组合梁, 阻止岩层的滑移和坍塌。锚杆提供的抗剪力、抗拉力, 以及由于锚杆的锚固力使岩层层面摩擦力增加, 使将要滑动的岩块加固稳定, 阻止层面的互相错动, 提高岩层与锚杆组合的岩石梁或岩石拱的抗弯能力。

3.4 锚杆支护的整体加固作用

在关虎冲隧道施工中D25中空锚杆的设计间距为80×80或80×100 (单位cm) 梅花状布置, 通过有规律布置锚杆群, 将隧道四周一定深度的围岩进行挤压和黏结加固, 组成一个承载环。在锚杆预应力作用下 (或围岩松弛时, 在锚杆中产生的拉力) , 每根锚杆周围的岩体形成一个两头带锥状的筒状压缩区, 每根锚杆的压缩区彼此连接。形成一定厚度的均匀压缩带。由于锚杆支护力的作用, 压缩带获得径向的支护力, 使压缩带中的岩体处在三向受压状态, 使岩体强度大为提高, 从而形成能承受一定荷载的稳定岩体, 即承载环。

4 中空注浆锚杆的质量安全与效益

在关虎冲隧道中D25中空注浆锚杆与Φ22药卷锚杆在施工完毕后达到28天强度后, 由实验室做锚杆拉拔实验检测。检测结果如表2:

中空注浆锚杆的结果表明D25中空注浆锚杆价格虽然偏高, 但其更高的锚固强度却有质量安全可靠的保证和更广的适用范围。从长期的隐性效益看, 中空注浆锚杆能在锚杆全长充分锚固, 并能在开挖后立即提供一定的支护抗力, 抑制围岩的松动和变形, 避免或缓减工程施工及使用期间塌方冒顶事故或其它病害的发生, 特别是杆体周围具有足够而均匀的保护层厚度, 大大增强了锚杆的耐久性, 确保隧道工程的质量与安全。这些隐含的经济效益则是普通砂浆锚杆所无法比拟的。

5 结语

关虎冲隧道在其V级围岩施工中采用了D25中空注浆锚杆。经过实践说明中空注浆锚杆体系能确保锚杆杆体与孔壁间注浆饱满, 充分发挥锚杆的锚固效应。在岩体开挖后能立即提供支护力 (托板力或预应力) , 有效地保护岩体的固有强度, 阻止围岩的松动和变形, 增强了岩土工程的稳定性。其杆体有足够的浆液包裹, 大大提高了抵抗腐蚀的能力, 显示出良好的耐久性, 确保了隧道施工的质量与安全。

中空注浆锚杆虽然比砂浆锚杆单价高, 但由于其质量可靠, 锚固效应与加固作用远优于砂浆锚杆, 因而通过调整锚杆参数 (间距和长度) 后, 实际的工程成本支出与砂浆锚杆相差无几。而中空型注浆锚杆则可避免或缓减塌方冒顶事故及其它工程病害的发生, 耐久性得到显著改善, 从而论证了中空注浆锚杆的工程质量与安全的可靠性与性价比高的特点保证了施工应用的经济效益。

总之, 中空型注浆锚杆体系结构新颖、技术先进、质量可靠, 对地层的适应性强, 耐久性好, 具有广阔的发展前景.它的出现和发展是当今我国岩土锚固技术进步的一个标志。

摘要：中空型注浆锚杆以其良好的质量安全可靠性与适应性已在越来越多的隧道工程中开始应用。本文阐述了中空注浆锚杆在溆怀高速公路关虎冲隧道施工中的应用, 通过实际施工应用及检测结果肯定了中空注浆锚杆的工程质量安全可靠性与及其长期的隐性效益;并通过与普通砂浆锚杆在施工效果上做比较指出了这一技术的进步性。

关键词：中空注浆锚杆,施工工艺,工作特性,质量安全与效益

参考文献

[1]《隧道工程》, 王成主编, 人民交通出版社, 2009年8月

[2]《隧道中空锚杆作业指导书》, 源自筑龙网。

[3]《中空型注浆锚杆与普通砂浆锚杆的工作性能比较》, 源自筑龙网。