玻璃纤维锚杆预加固技术在隧道的应用

玻璃纤维锚杆预加固技术在隧道的应用
作者：于良
来源：《城市建设理论研究》2013年第34期
摘要：云桂铁路云南段长大隧道、高风险隧道众多，地质情况复杂多变，本文针对不良地质地段，利用玻璃纤维锚杆的特性，对掌子面前方的待挖岩体进行预加固，对于隧道开挖后的围岩稳定和施工安全性有较大提高。

关键词：玻璃纤维锚杆；待开挖岩体；预加固
中图分类号：O189.3+4文献标识码： A
隧道洞室稳定状态分析
岩体是在长期自然地质条件下形成的，它与某些人为的建筑材料有许多根本不同的特性。

这些地质特性可以归纳为几个方面，即岩体是处于一定天然应力环境中的地质体；岩体由各种裂面或软弱结构面所分割；岩体由于形成时的结构构造特征而往往具有各向异性；由于物质来源和形成环境的复杂性导致岩体的不均匀性；岩体由于自然地质因素的影响而具有可变性。

岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质作用引起的。

因此，它与岩体本身的特性和地质构造特征有关系。

在洞室开挖以前，围岩处于初始应力状态，它通常总是稳定的。

开挖以后，地应力自我调整，且出现相应位移。

这时，如果其应力水平及位移小于岩体的强度及允许值，那么岩体处于弹性状态，仍是稳定的。

一般说，无须施作支护结构来增加整个体系的支撑能力。

反之，围岩的一部分出现塑性以至松弛，就要适时修筑支护，给围岩以反力并约束其自由位移。

玻璃纤维锚杆预加固原理
使用玻璃纤维注浆锚杆对隧道掌子面正前方待挖岩体进行预注浆加固，由于玻璃纤维锚杆注浆是锚注一体工艺，则被加固岩体会因管材的锚固作用而形成一个整体，对待挖岩体提供约束反力，抑制其变形，提高了抗侧压能力；同时改善了围岩的特性；在掘进过程中能及时在开挖轮廓线上方形成自稳拱，压力拱效应能够正常发挥。

对于不良地质地段解决掌子面、拱部岩体稳定的问题和隧道进洞控制地表下沉有较明显的效果。

玻璃纤维锚杆锚杆预加固主要利用杆体的强度高、易挖除的特点，在隧道通过不良地质地段，对掌子面岩体进行预加固，可以提高施工安全和施工效率。

玻璃纤维锚杆主要成分为玻璃纤维增强聚合物，材料性能取决于纤维和聚合物的类型及断面形状等，力学特点如下：
（1）抗拉强度高，抗剪和抗扭强度低，可机械挖除。

对于隧道不宜爆破地段十分有利。

（2）杆体全段锚固，锚注结合，提供锚固力的同时也加固了锚杆周围岩体。

(3)强度高、重量轻。

高性能的玻璃纤维锚杆的抗拉强度可达到钢质锚杆的1.5倍；重量为同种规格钢质锚杆的1/4-1/5。

（4）安全性好。

防静电、阻燃、高度抗腐蚀、耐酸性、耐低温；满足地下工程安全生产要求。

通过本工程材料基本的材料力学试验，抗拉强度大于530MPa，抗剪强度100～110MPa，
从试验结果看，玻璃纤维锚杆是一种脆性材料，材料线弹性关系明确，抗拉强度高，抗剪强度低。

锚杆构造
玻璃纤维注浆锚杆主要由两个部分组成：第一部分为玻璃纤维属性的加强锚固构件。

第二部分为注浆管路构件，注浆管内可套入止浆塞进行定向定域注浆。

具体如下图所示：
a 三片件
b 两片件
施工方法对比
1、传统施工方法
当隧道掘进过程中遇到大规模的不良地质段（如：浅埋段、断层或软弱地层等），以往控制掌子面围岩稳定的做法是多采用通过预留核心土来平衡体掌子面土压力；或者施作超前支护（超前锚杆、小导管、大管棚）；或采用分部开挖，或几种方法综合，用以减少和控制掌子面的岩体压力及变形。

此施工方法干扰大，施工进度慢，工作效率低，一定程度上影响隧道的机械化施工。

施工工艺见图1所示。

2、玻璃纤维锚杆施工方法
（1）隧道进洞和不良地质段施工
沿隧道走向施工玻璃纤维锚杆，每两个开挖施工循环施作一次玻璃纤维锚杆，对掌子面预加固。

经加固后的岩体开挖可采用全断面或二台阶开挖方式，提高工程进度，降低施工风险。

施工工艺图2所示。

a 传统施工方法超前预加固b分部开挖
图1 隧道传统的预注浆加固与开挖示意图
a 玻璃纤维锚杆注浆加固 b机械全断面开挖
图2玻璃纤维锚杆注浆加固与开挖示意图
3、软弱围岩（或土质）地段
通过小导洞对不良地质段进行径向注浆，使隧道周围围岩得到改良，然后再进行断面扩挖的施工工艺。

施工工法断面图如3所示。

图3玻璃纤维锚杆径向加固土
玻璃纤维锚杆的现场应用
1、技术参数确定
(1）锚杆选型
已知锚杆抗拉强度标准值，则锚杆轴向拉力设计值为
N=Afptk/K
式中：N-锚杆轴向拉力设计值(KN)；
A-锚杆有效面积(mm2)；
fptk-锚杆抗拉强度标准值(N/mm2)；
K-设计安全系数，取1.6 。

注：式中A、f可在项目前期参照锚杆技术资料并经检验试验确定。

(2）锚固段长度
按下列公式计算，取数值较大者。

La=KNt/πDqr(mm2)
La=KNt/πdqs
式中：La-锚固段长度（mm）；
Nt-锚杆轴向拉力设计值(KN)；
K-安全系数；
D-锚固体直径(mm)；
d-锚杆体直径(mm)；
qr-水泥结石与岩石孔壁间的粘结强度设计值，取0.8倍标准值；
qs-水泥结石与锚杆体之间粘结强度设计值，可由下式确定或取0.25-0.35。

qs=α（fc）β
式中α为常系数，取3.3；
fc为混凝土抗压强度；
β为指数，取0.3。

2、玻璃纤维锚杆现场应用
（1）锚杆参数
在云桂铁路某隧道进洞段和不良地质段，采用φ25玻璃纤维锚杆，长度6米/根·循环，间距1.2×1.2(m),注水泥浆液，强度30 MPa。

延隧道纵向搭接不宜小于2 m。

（2）玻璃纤维锚杆注浆参数
注浆材料普通水泥单液浆结合普通水泥—水玻璃双液浆。

浆液配比，普通水泥单液浆：W:C=（0.6～0.8）:1；普通水泥-水玻璃双液浆W:C=1:1，C:S=1:1。

注浆压力2～3 MPa。

（3）玻璃纤维锚杆施工工艺
采用地质钻机成孔，安设玻璃纤维注浆锚杆后，通过注浆管进行注浆，达到稳定工作面作用。

玻璃纤维锚杆在施工前需要采用喷射混凝土封闭工作面，厚5～10 cm，然后引孔安设玻璃纤维锚杆，玻璃锚杆布设基本和隧道轴线方向一致。

当地层软弱富水无法成孔时需采取套管跟进成孔，通过套管下入玻璃纤维锚杆到设计位置，再退出套管，进行玻璃纤维锚杆注浆作业。

玻璃纤维锚杆施工艺流程如图4所示。

图4玻璃纤维锚杆施工工艺流程图
（4）机械设备人员
主要机械设备如表1所示。

表1主要机械设备及人员
（5）施工监测
针对玻璃纤维锚杆主要开展以下监测项目.
地表沉降
布设地表沉降观测点，每断面布置9各点，测点间距5米，各断面纵向间距不大于5m。

各测点采用混凝土包裹稳定可靠。

结合施工情况分析地表沉降规律。

②地中垂直位移
主要测试地层内部变位情况。

每个监测断面布设2个监测孔，孔深15米。

结合施工情况分析地层分层沉降规律。

③地中水平位移
通过绘制地中水平位移曲线，对玻璃锚杆对地层的稳定效果进行评价。

主要测试隧道开挖引起前方土体的水平变位情况。

监测断面和地中垂直位移断面一致，每个监测断面布设2个监测孔，孔深15米。

质量保证措施
（1）开孔按照设计位置，偏差控制在±10cm。

（2）当地层软弱较难成孔时，应采用套管跟进，通过套管下入玻璃纤维锚杆，确保锚杆下到设计深度。

（3）玻璃锚杆安设完成退钻后，应进行孔口密封，并立即进行注浆防止因排砂，排水引起地表沉降加剧，确保玻璃纤维锚杆的锚固力。

（4）保证玻璃纤维锚杆安设满足设计密度要求，不可以随意减少设计数量。

（5）注浆材料要求必须满足质量要求，不可使用失效或过期材料。

（6）配制浆液严格按照制浆要求按顺序投料，不得随意增减数量；为避免水泥浆中有杂物而引起堵管，在储浆桶上安设滤筛对拌制的浆液进行过滤。

（7）钻孔注浆时，值班工程师应根据地质情况调整注浆参数和注浆工艺，严格控制结束标准，保证注浆质量和效果。

结论
针对云桂铁路地质构造复杂多变、岩溶发育、不良地质隧道众多的特点，我们加强
TSP203超前地质预报、超前水平钻、地质雷达等超前地质预报手段，探明隧道前方的地质情况，在隧道开挖前采用玻璃纤维锚杆预加固措施，对于控制岩体稳定性、隧道塌方有良好的效果，确保了施工安全。

参考文献：
《玻璃纤维锚杆粘结性能的影响因素分析》，《湖南城市学院报》2001年第1期；
《锚杆与喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001》。

《隧道工程》。