隧道锚孔出水下树脂锚索锚固性能与提升技术研究_王智佼.pdf

针对隧道锚孔出水时，树脂锚索锚固性能下降的现象，以木寨岭公路隧道为工程依托，开展了不同锚孔出水流量下树脂锚索锚固力测试分析，在剖析水影响树脂锚索锚固机理的基础上，对锚固提升技术进行了系统研究。研究结果表明：随锚孔出水流量增加，树脂锚索的锚固性能逐渐下降；当出水流量位于滴水区时，对锚固力影响较小；当出水流量位于强淋水区及以上时，基本无法锚固；当出水流量位于弱、中淋水区时，需引入锚固提升技术；水影响树脂锚索锚固性能的主要原因为水对树脂搅拌固化的影响，包括水对树脂锚固剂固化反应的影响和水对索体搅拌树脂锚固剂过程的影响；开展了抗水锚固剂锚固试验、60斜端面带限定装置锚索锚固试验、不同凝胶时间锚固剂组合试验和施工搅拌参数优化试验等 4种锚固提升技术测试研究，最终获取了适用于不同锚孔出水流量下的优选树脂锚索锚固力提升（组合）措施。研究有助于提升树脂锚索在富水隧道中的适应性。关键词:隧道工程；树脂锚索；出水流量；锚固性能；锚固力提升中图分类号:U45；X951 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01009710Study on Anchoring Performance and Lifting Technology of Resin Anchor Cable when the Tunnel Anchor Hole is FlowingWANG Zhijiao1，GUO Xinxin2*，YU Jiawu3，WANG Bo4，WANG Dong4(1.Gansu Changda Highway Co.,Ltd.,Lanzhou 730030,China；2.College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China；3.The 2nd Engineering Co.,Ltd.of China Railway Tunnel Group,Sanhe 065201,China；4.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:When the tunnel anchor hole is out of water，the anchoring performance of resin anchor cables will decline.Based on the project of Muzhailing highway tunnel，testing and analysis of the anchoring force of resin anchor cables under different outlet water flow in anchor holes are carried out.On the basis of studying the anchoring mechanism of resin anchor cables affected by water，the anchoring force lifting technology is systematically studied.The results show that：（1）with the increase of outlet water flow of anchor hole，the anchoring performance of the resin anchor cable decreases graduDOI：10.13409/ki.jdpme.20220901003收稿日期：2022-09-01；修回日期：2022-12-19基金项目：国家自然科学基金（U2034205，51878571）、甘肃省科技计划(19ZD2GA005)、中铁隧道集团二处有限公司科技研发计划(2020-05)、四川省交通科技项目（2021-B-01）资助作者简介：王智佼（1986），男，高级工程师，硕士。主要从事高速公路建设管理工作。E-mail：通讯作者：郭新新（1990），男，副研究员，博士。主要从事软岩大变形主动支护研究。E-mail:zj_97ally；when the outlet water flow is in the dripping area，the influence of water on the anchoring force is small；when the outlet water flow is in the strong drenching area or above，the resin anchor cable is difficult to anchor；when the outlet water flow is in the weak or medium water drenching area，the anchor lifting technology should be introduced；（2）The main reason why water affects the anchoring performance of resin anchor cables is the influence of water on the mixing and curing of resin，including the influence of water on the curing reaction of resin anchor agent and the influence of water on the mixing resin anchor agent of anchor cable body；（3）Four kinds of anchoring force lifting technologies，including water-resistant anchoring agent anchoring test，anchoring test of anchor cable with 60 inclined end face and limiting device，combination test of anchoring agent with different setting time and construction mixing parameter optimization test，were carried out.Finally，the optimal anchoring force improvement（combination）measures suitable for different outlet water flows of anchor hole are obtained.The research is helpful to improve the adaptability of resin anchor cable in water rich tunnel.Kewwords：tunnel engineering；resin anchor cable；outlet water flow；anchoring performance；increase of anchoring force0引言传统以“加厚喷射网筋砼、加密重型钢拱架、密布大范围全长黏结锚杆”为核心的（初期）支护模式已愈发难有效管控目前频发的围岩挤压大变形12，由此，以预应力树脂锚索为载体的软岩隧道变形主动控制技术被提出，并已在 G75 木寨岭公路隧道、大草山公路隧道中取得了显著的围岩变形控制效果34。软岩隧道变形主动控制技术的核心为施加的锚索预应力值，该值主要受“围岩树脂锚固剂索体”形成的锚固力限定。当在地质条件错综复杂的挤压大变形隧道中，锚固力受环境因素的制约非常显著。其中，因树脂锚固采用“动力搅拌”的锚固模式，地下水的影响往往是首要的5。针对地下水对树脂锚固的影响，国内外学者开展了大量研究，如勾攀峰等6现场测试了不同锚孔涌水量下的 202200 mm 树脂锚杆锚固力，指出涌水量大于 128 ml/min 后，锚固力将出现下降；薛亚东等7基于室内试验，研究指出有水条件下树脂锚固的平均黏结强度下降约 7%；胡滨等8利用室内试验得到树脂锚固力随顶板锚孔淋水量的增加呈现明显递减规律；周杰等9采用室内试验与数值仿真结合的手段，研究了锚孔积水对拉拔状态下锚杆应力状态的影响。同期也开展了锚固力提升技术的研究，N.Aziz等10通过一系列试验指出，对推荐搅拌时间为 14 s的快速型锚固剂，指出搅拌 10 s即可满足锚固需求，过度搅拌反而不利；C.Chen 等11研究发现在锚固剂中添加钢质骨料可有效提升树脂锚固剂抗剪能力；林健等1213系统研究了杆体尺寸与形状、钻孔直径、居中度等对锚固力的影响，并提出了改进措施；杨绿刚14依据防水型锚固剂设计的基本原理，在原材料配置基础上，加入速溶剂形成防水树脂锚固剂，一定程度提升了锚孔有水时的锚固力；刘少伟等15系统性开展了基于锚固力最大化的锚固搅拌参数优选研究，提出了针对不同类型锚固剂，包括转速、推进速度在内的最佳动力参数；郭东明等16基于数值仿真研究了不同速率树脂锚固剂组合时的拉拔性能，得到快速型与中速型比例为 3 2时，树脂锚杆的拉拔力最大；贾后省等17以含水软岩顶板为工程背景，提出了在索体上增设搅拌装置和封堵导升装置的锚固增效方法，可使现场锚索锚固力提升 30%以上。上述研究可知，水对树脂锚杆/索锚固力具有降低作用，当水量超过一定值后，会出现无法锚固；同时，围绕如何进行锚固增效，也形成了优化杆/索体形状、优选施工搅拌参数、改良锚固剂材质与优化组合方式等一系列措施。但二者的研究未能有效协同，如水对树脂锚固的影响研究中，研究重点多聚焦于影响程度上；而针对锚固增效方式的研究中，多围绕提出一种方法，分析其提升效果，与实际工程的匹配性有待增强，尤其是不同锚孔出水量下，究竟何种增效方法能达到需求，亦或者是否需要多种增效方法联合使用等，均未能言明。98隧道等地下工程作为“纵向型”构筑物，建设期历经的水文地质环境变化显著，以木寨岭公路隧道为例，该隧道为标准两车道高速公路隧道，开挖断面积120 m2，施工开挖揭示岩性以炭质板岩为主，岩体破碎、多呈薄层状结构，且不同地段出水量差异明显，多数呈潮湿渗水，但部分断面在打设锚孔后有股状水流出，如图 1所示。综上，以木寨岭公路隧道为工程依托，将锚孔出水流量作为控制指标，研究水对树脂锚索锚固性能的影响，在剖析水影响树脂锚索锚固内在机理基础上，开展不同锚固提升技术的应用成效研究，最终提出适用于不同锚孔出水流量的树脂锚索锚固提升技术，研究成果将可助于提升树脂锚索在富水隧道中的适应性。1 不同锚孔出水流量下树脂锚索锚固力测试1.1 锚孔出水流量测试与分级根据煤矿巷道顶板出水流量分级标准18，结合交通隧道相关规范，划分锚孔出水流量分区见表 1。对应工程实景如图 2 所示。现场锚孔出水流量测试：采用 10 L 的量筒为测量仪器，并使用（手机）秒表计时 23 min得到。1.2 试验材料与过程（1）试验材料试验所用材料主要为锚索和树脂锚固剂。锚索采用由 119S21.80 mm1860 MPa钢绞线、防腐润滑涂层和保护套等复合而成的无粘结钢绞线（图3（a），设计最大力超 Fm554 kN19。考虑树脂锚固中的“三径匹配”20、施工搅拌效果和围岩支护需要，树脂锚固剂型号选择 MSCKa2360（超快速（凝胶时间 825 s、等待安装时间 3060 s）、直径 23 mm、长度 60 cm）21，如图 3（b）所示，每孔安装 3节；钻具直径 28 mm，实测锚孔直径约 30 mm。（2）试验实施过程试验在 YK219+850+950 段结合现场锚索图 1典型掌子面围岩性状Fig.1Properties of surrounding rock of typical tunnel faces表 1 单孔出水流量分区Table 1 Classification of water flow rate of the anchor hole分区出水流量/（mlmin-1）滴水区(0,50淋水区弱(50,200中(200,500强(500,1 000涌水区1 000图 2锚孔出水实景Fig.2Actual view of water flowing out of the anchor hole99支护施工开展，锚孔深度有 5、10 m 两种。主要实施过 程：钻 孔（图 4（a）：采 用“气 动 锚 杆 钻 机+28 mm 双翼 PDC 钻”打设锚孔；装药塞索（图 4（b）：采 用 PVC 管 将 3 节 MSCKa2360 锚 固 剂（1.8 m 长）依次送入孔内，完成后人工将锚索塞入孔内至抵触锚固剂；搅拌锚固（图 4（c）：采用“钻机+锚索搅拌器”将锚索匀速推进至孔底（10 s左右完成）；张拉加载（图 4（d）：锚固完成 1015 min后，采用 MQ22350/60手动油压穿心千斤顶进行加载，当油压表读数无法上升时，即加载完成。1.3 试验结果与分析出水锚孔（1 孔）选择在左（右）拱腰部位，倾角4060，以规避孔内积水的影响；同时，选择相邻无出水的 3 孔作为对照组，记为相邻锚孔 1、2、3；同时，定义 kc为锚固力折减系数，其值为“出水锚孔锚固力/相邻锚孔锚固力平均值”，图 5 为测试得到不同出水流量下树脂锚索锚固力及 kc值。图 5 可以看出：（1）总体上，当锚孔（即相邻锚孔）无出水时，树脂锚索锚固力可达 210305 kN，显示树脂锚索在炭质板岩中具有较好的锚固性能。（2）锚孔出水流量860 ml/min，无法成功安置树脂锚固剂。锚孔出水流量300 ml/min 时，kc0.5，显示在中淋水区范围内，须采取有力措施提升锚固力；当 锚 孔 出 水 流 量 位 于 强 淋 水 区（500，860），kc95%，弱淋水区锚固成功率92%，中淋水区 锚 固 成 功 率 84%，对 比 原 有 40%、0、0，效 果显著。4 结论与讨论4.1 结 论以不同锚孔出水流量下的树脂锚索锚固力测试数据为基础，结合对水影响树脂锚索锚固机理的分析，系统开展了锚固提升技术研究，所得结论如下：（1）随锚孔出水流量增加，树脂锚索锚固性能逐渐下降，相应锚固力折减系数 kc逐渐减小；当出水流量位于滴水区，kc0.95；当出水流量位于弱淋水区，kc=0.650.95；当出水流量位于中淋水区，kc=0.300.65，其 中，出 水 流 量 300 ml/min 时，kc0.5；当出水流量位于强淋水区及以上时，无法有效锚固。（2）不同锚孔出水流量下，4种锚固提升技术表现如下：抗 水 锚 固 剂；当 出 水 流 量 位 于 滴 水 区（42 ml/min），采用抗水锚固剂对树脂锚索锚固力基本 无 影 响；当 出 水 流 量 位 于 弱、中 淋 水 区（151、417 ml/min）时，采用抗水锚固剂对树脂锚索锚固力提升明显；当出水流量位于强淋水（648 ml/min）及以上时，基本无法锚固。优化索体；相比于普通索体，锚固力均有提升，表现为随锚孔出水流量增加，提升效果更明显。图 12不同推进搅拌时间下的锚固力Fig.12Anchoring forces at different bottom mixing times表 5 不同锚孔出水流量下树脂锚索优选锚固技术Table 5 Optimal anchoring technology of resin anchor cables under different water flow rates of anchor holes锚孔出水流量分区滴水区弱淋水区中淋水区强淋水区涌水区锚固剂形式普通型抗水抗水换孔/静置至出水流量减至中淋水区及以下换孔/静置至出水流量减至中淋水区及以下锚索形式普通/优化索体优化索体优化索体锚固剂组合3节 Z23603节 Z23603节 CKa2360搅拌参数控制推进搅拌时间/s2030510沉底搅拌时间/s3备注可静置减水104不同凝胶时间 3 节 2360 锚固剂组合；锚孔出水流量处于弱淋水区及以下时，应采用中速型锚固剂；当锚孔出水流量处于中淋水区及以上时，应采用快速型锚固剂。施工搅拌参数；锚固剂为 3节 MSZ2360锚固剂时，（平均）锚固力随推进搅拌时间增长呈现先升后降，锚固力数据偏移程度呈现先降后升，综合优化推进搅拌时间为 2030 s。（3）综合锚固提升技术的应用效果，提出了适用木寨岭公路隧道、锚固力300 kN、不同锚孔出水流量下的树脂锚索优选锚固技术，见表 5。4.2 讨 论小孔径预应力锚索是目前深部巷道大规模采用的支护技术之一，其具有突出的快速、高强支护特性。但对于搅拌型树脂锚固技术，遇水锚固力大幅下降一直存在，如何突破该困境？笔者认为主要思路应考虑三种：（1）材料/结构的开发与优化角度。进一步优化索体，包括开发适宜的外置型端部搅拌头/器，在提升搅拌性能的同时，减小搅拌过程中的“手套效应”；开发放置于后端、用于提升锚固密实度的柔性型限定装置，其结构型式可参照注浆锚杆中的止浆器进行设计；开发性能更优的抗水型锚固剂，可从不饱和聚酯树脂与固化剂的类型、配比以及速溶剂的选型与含量等方面加以研究，其中重点应关注速溶剂的研究。（2）机械锚固与黏结锚固相协同角度。单一树脂锚固在遇锚孔出水较大时，锚固剂的（顺利）安装即是一个极大的难题；此时，如能先快速机械锚固，其后基于机械锚固形成的稳定空间，再实施树脂黏结锚固，将可极大助力锚固力的提升。该研究的核心在于如何将两种锚固方式有机结合，以及提供一个稳定的、可用于树脂锚固的空间。（3）改变搅拌锚固方式。现行树脂锚固采用了多步施工方法（除去钻孔），包括装药、搅拌等工序；目前，国内外已经（初步）开发应用了注射型树脂锚固剂，并形成了“一步”施工方法，即无需装药与搅拌，但对其在富水地段的应用未有详细资料，值得进一步深入研究。参考文献：1李志军，郭新新，马振旺，等.挤压大变形隧道研究现状及高强预应力一次（型）支护体系 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预应力混凝土用钢绞线：GB/T 52242014 S.北京：中国标准出版社，2014.20 煤 矿 巷 道 锚 杆 支 护 技 术 规 范：GB/T 350562018S.北京：中国标准出版社，2018.21 树脂锚杆第 1 部分：锚固剂：MT 146.12011 S.北京：煤炭工业出版社，2011.（本文编辑：周小潭）106