[ 应用实例 1]
锚固剂在隧道工程中的应用
我国铁路隧道工程从 20 世纪 60 年代末开始推广新奥法施工，作为初期支护的重要组成部分，锚杆支护技术已成为隧道施工中一项不可缺少的施工技术。目前，在我国铁路隧道施工中，几乎清一色地采用不带锚头和垫板的螺纹钢杆体的砂浆锚杆。从受力角度看，只满足了悬挂与组合的要求；从施工角度看，存在填充密实度差、固化速度慢、锚固强度低、施工工序繁琐等不足之处。特别是在地质条件差、有渗漏水的情况下，施工质量不易保证，造成工程隐患，影响施工进度。所以近年来，国内出现了一种新型高强、快速、微膨胀水泥基药卷式锚杆，具有锚固强度高、施工简便快捷、受干扰小、对施工环境适应性广、成本低廉等优点，并可设垫板，施加预应力，使锚杆对围岩具备了三维受力加固的作用。它替代了砂浆锚杆，已在高边坡开挖支护、矿山开挖及工程修复中得到应用。因此，这一新材料、新技术值得在铁路隧道施工中借鉴和大力推广。
1 技术原理
高强快速锚杆技术 ( 图 1) 是一种采用新型高强、快速、微膨胀锚固剂 ( 图 2) 为填充粘结材料的全长粘结型锚杆，安装后在极短时间内提供支持抗力，能配合垫板对围岩施加三向预应力，使围岩，尤其是松动区的节理裂隙、破碎面等得以联结，因而增大了锚固区围岩的强度。这对加固节理发育的岩体和围岩松动区是十分有效的，有助于裂隙岩体和松动区形成整体“加固带”。
图 1 高强快速全粘结型锚杆
1 ．高强快速、微膨胀水泥基卷式锚固剂； 2 ．湿强度较大的滤纸筒。
图 2 高强快速锚固药卷
2 锚杆锚固剂
2 ． 1 技术指标的确定
高强快速锚杆技术能否达到实用的关键是确定药卷式锚固剂的性能指标是否满足工程施工的需要。初凝时间、终凝时间、小时强度 ( 凝固后 1 、 2 、 4h 强度 ) 、长期强度、膨胀率等性能十分重要，应作为性能指标的控制参数。
(1) 凝结时间
初凝时间应满足工程对操作工艺的要求，不可过快 ( 小于 3min) ，亦不能过慢 ( 大于 20min) 。终凝与初凝时间差应尽量小，因初凝前锚固插杆已完成，初、终凝时间差愈短，在锚固作业时对仰孔锚固时操作人员的持杆时间就愈短，愈有利于降低劳动强度，防止锚固剂流淌，提高锚固成功率。
(2) 小时强度
锚固作业时，插杆完成后，锚固强度应迅速增长，即在 1 ～ 2h 内达到设计锚固力，最终达到稳定和加固围岩的目的。
(3) 长期强度与膨胀率
锚固后锚杆应有较高的、稳定的后期强度和膨胀率 ( 起码不能收缩 ) ，不应存在强度降低的问题。
(4) 抗疲劳强度
锚固完成后不因附近爆破、车辆通行的震动而破坏。因此，要求具有较高的抗疲劳强度。
2 ． 2 试验测试方法
为了定量确定锚固剂的指标，以指导现场的检验控制，就必须确定试验测试方法。目前，铁路施工规范及检验标准均无具体详细的规定。因此，在参考其他行业标准的基础上，确定如下。
(1) 凝结时间
①试验仪器 采用 ( 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法 )(GBl346 — 2001) 中所规定之仪器及器具；
②试验环境条件 温度 (20 土 3) ℃，水温 (20 土 3) ℃，水灰比 0.3 ；
③试验程序 将 300g 锚固剂倒入拌和锅内，用拌和小铲在锚固剂上划一小坑槽，将 90mL 洁净拌和水倒入坑槽，在 lmin 内迅速拌匀并立即放入圆模，振动数次后刮去多余稠浆，抹平并迅速放至测定仪试针下，按规定进行初、终凝时间测定。试验结果取 3 个试样的平均值。
(2) 抗压强度
参照《水泥胶砂强度检验方法 (1SO 法 ) 》 (GB/T17671 — 1999) 方法进行测试。
①试验仪器 小时强度用 40 ㎜× 40 ㎜× 160mm 三联模、 100kN 试验机。 3d 以上强度用 40 ㎜× 40 ㎜× l60 ㎜三联模、抗折用 100kN 试验机，抗压用 1000kN 试验机。
②试验程序 a) 小时强度试验：锚固剂 330g ，水灰比 0.3 ； b)3 d 以上强度试验：锚固剂 440g ，水灰比 0.3 ； c) 采用拌和锅人工拌和，加水后需在 2min 内迅速拌匀，立即装模并将试模在坚硬地面上振动十余次见模底略溢浆即可；刮去多余稠浆，拌平后备用； d) 小时强度试件在测定时拆模：测 3d 以上的后期强度， 4h 拆模，环境温度 (20 土 3) ℃，相对湿度＞ 70 ％养护；测定时先做抗折测试； e) 试验结果抗折取 2 个数据的平均值，抗压取 3 个数据的平均值； f) 试验时应使试体模侧面与压力机上下承压板接触。
(3) 锚固力
①试验仪器 采用 1 000LN 万能材料试验机并配以拉力架。
②试验程序 a) 试验模拟孔采用外径 45mm ，壁厚为 2mm 的薄壁钢管，管段长 400mm ； b) 试验用杆体采用ф 16mm ，材质为 20MnSi 螺纹钢，杆长为 700mm ； c) 杆体安装采用打入法； d) 将锚固卷在水中浸 1min ，以药卷不冒气泡为止，水温 (20 土 3) ℃，浸水后立即放入模拟孔中，打入锚杆，敲击钢管壁十几次，安装完后，将试件整体放人标准环境中即温度 (20 土 3) ℃，相对湿度＞ 70 ％养护； e) 养护 0.8h 置试件整体在万能试验机上进行测试，锚杆杆端穿过拉力架端板中心孔，再夹紧于试验机钳口中，拉力架的另一端可动拉头固定于试验机的固定孔中，按材料试验机操作规程进行加载，由试验机测力装置直接读得锚固力值； f) 试验 结果取 3 个数据的平均值。
(4) 膨胀率
参照《膨胀水泥膨胀率试验方法》 (JC313 — 96) 进行测试。
①试验仪器 弓形螺旋测微计，度模规格为 25 ㎜× 25 ㎜× 280 ㎜。
②试件制作时拌和必须迅速，应在 2min 内完成；试体制作后 15 min 拆模测读基数， 0.5 h 后测膨胀率。
每次制作 1 个试体，共做 3 次，试验结果取 3 次试验平均值。
2 ． 3 主要技术指标 ( 表 1 、表 2)
表 1 新型锚固剂主要技术指标
|
编号 |
净浆凝结时间 |
抗压强度 /MPa( 净浆 ) |
膨胀率 /% |
锚固力 /kN |
备注 |
|
初凝 |
终凝 |
0.5h |
1h |
4h |
3d |
7d |
28d |
|
I( 早强 ) |
3min10s |
5min55s |
15.54 |
22.27 |
33.56 |
89.80 |
91.33 |
189.7 |
≥ 0.07 |
≥ 230 |
锚杆体采用 20MnSi ф 22 |
|
II( 普通 ) |
10min |
16min |
1.08 |
3.48 |
23.54 |
70.23 |
88.0 |
177.4 |
≥ 0.07 |
≥ 230 |
表 2 砂浆锚杆主要技术指标
|
编号 |
S-1( 早强型 ) |
S-2( 普通型 ) |
|
凝结时间 |
初凝 /min |
87 ～ 118 |
210 ～ 228 |
|
终凝 /min |
260 ～ 270 |
360 ～ 380 |
|
抗压强度 /MPa |
2h 后≥ 8 |
4h 后≥ 4 |
|
8h 后≥ 28 |
1d 后≥ 12 |
|
7d 后≥ 40 |
28d 后≥ 35 |
|
锚固力 /kN |
2h |
≥ 2 |
0 |
|
1d |
≥ 10 |
≥ 3 |
试验环境条件：温度 (20 土 3) ℃；拌和水温 (20 ± 3) ℃；相对湿度≥ 70 ％ ( 模拟现场岩孔 ) ；水灰比 0.3 。
从砂浆锚杆主要技术指标的对比可以看出，早强型锚杆已远远超过了的规范要求，尤其抗压强度提高较多。
3 施工现场锚杆支护参数的确定
主要依据围岩、开挖断面和使用条件等因素，选择锚杆类型，确定锚杆直径、长度、数量、间距和布置方式。
3 ． 1 东秦岭双线隧道系统锚杆支护设计参数 ( 表 3)
表 3 东秦岭双线隧道系统锚杆支护设计参数
|
围岩级别 |
ф 22 锚杆 (20MnSi) |
|
位置 |
长度 /m |
间距 / m |
布置方式 |
|
Ⅱ |
一般 |
局部 |
2.0 |
1.5 |
梅花型 |
|
岩爆 |
|
富水 |
|
Ⅲ |
一般 |
拱墙 |
2.5 |
1.2 |
|
富水 |
|
Ⅳ |
拱墙 |
3.0 |
1.0 |
|
Ⅴ |
拱墙 |
3.5 |
1.5 |
|
Ⅵ |
拱墙 |
3.5 |
0.5 |
依据《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》 (TBJl0108 — 2002) 的规定；锚杆锚固力或抗拔力与锚杆孔注浆饱满度、锚杆型式、杆体材料、杆体直径以及围岩强度、孔壁清洁程度等有关。
3 ． 2 锚杆安全锚固力的确定
该锚固力一般采用拉拔试验方法在施工现场获得。根据施工现场不同的围岩级别选择锚杆支护参数，计算锚固长度，按操作规范将锚杆安装好后，按不同的养护龄期，进行拉拔试验，记录锚杆开始滑动时的拉力 ( 即锚固力 ) 。同时，根据试验内容和目的编组编号。在保证满足设计锚固力指标的前提下，考虑一定的安全系数，确定锚杆的安全锚固力，并以此指导施工。
3 ． 3 锚固剂数量的确定
根据设计选定的锚杆孔深，确定施工中使用卷式锚固剂的个数 N
式中 κ ——富余系数，一般取 1.05 ～ 1.10 ；
L ——要求锚固长度， mm ；
D ——钻孔直径， mm ；
ф——锚杆直径，㎜；
ｌ——锚固药卷的长度， mm ；
d ——锚固药卷的直径， mm 。
3 ． 4 现场试验数据 ( 表 4 ～表 7)
试验现场：东秦岭特长隧道开挖后拱部及边墙；
孔径：ф 42 风钻孔；
孔内状况：岩粉较多，孔内有水；
锚杆：ф 22 螺纹钢筋；
锚固剂：早强型、ф 30 × 235mm 。
表 4 Ⅵ级围岩锚杆试验数据
|
编号 |
孔深 /m |
装填药卷数 |
计算锚固长度 /m |
龄期 1 （ 7h ）拉拔力 /kN |
龄期 2(28d) 拉拔力 /kN |
|
1 号 |
3.5 |
22 |
3.60 |
177 |
225 |
|
2 号 |
3.5 |
22 |
3.60 |
170 |
227 |
|
3 号 |
3.5 |
22 |
3.60 |
165 |
222 |
表 5 V 级围岩锚杆试验数据
|
编号 |
孔深 /m |
装填药卷数 |
计算锚固长度 /m |
龄期 1 （ 5h ）拉拔力 /kN |
龄期 2(28d) 拉拔力 /kN |
|
1 号 |
3.5 |
22 |
3.60 |
189 |
210 |
|
2 号 |
3.5 |
22 |
3.60 |
165 |
206 |
|
3 号 |
3.5 |
22 |
3.60 |
160 |
189 |
表 6 Ⅳ级围岩锚杆试验数据
|
编号 |
孔深 /m |
装填药卷数 |
计算锚固长度 /m |
龄期 1 （ 3h ）拉拔力 /kN |
龄期 2(28d) 拉拔力 /kN |
|
1 号 |
3.0 |
18 |
2.96 |
177 |
195 |
|
2 号 |
3.0 |
18 |
2.96 |
180 |
197 |
|
3 号 |
3.0 |
18 |
2.96 |
155 |
199 |
表 7 Ⅲ级围岩锚杆试验数据
|
编号 |
孔深 /m |
装填药卷数 |
计算锚固长度 /m |
龄期 1 （ 3h ）拉拔力 /kN |
龄期 2(28d) 拉拔力 /kN |
|
1 号 |
2.5 |
15 |
2.47 |
189 |
181 |
|
2 号 |
2.5 |
15 |
2.47 |
179 |
199 |
|
3 号 |
2.5 |
15 |
2.47 |
145 |
163 |
