玻璃纤维锚杆在水工隧洞工程中的应用与效果评价

张奇智

(喀左县水利局，辽宁 喀左 122300)

1 研究背景

某供水工程位于辽宁省朝阳市朝阳县境内，总长约15.7km，主要由白石隧洞工程和锦凌分水口工程以及相关的配套工程组成[1]。其中，白石隧洞(主洞)全长15690m，成洞断面尺寸为4.6m×5.25m。该隧洞施工条件差，围岩破碎，风化严重，遇水变泥，极易出现坍塌滑层等现象。根据地层岩性以及相关工程施工经验，白石隧洞采用新奥法施工，在隧洞洞体开挖后主要采用喷射混凝土、钢筋网、钢架和锚杆作为支护手段，然后第二次喷射厚度为50mm的C25混凝土，通过充分发挥围岩的自承能力，使输水隧洞围岩和支护结构形成整体结构。

锚固支护是技术主要是充分调动岩土体的自稳能力和自身强度，从而提高工程建设中的边坡或围岩的稳定性[2]。锚杆作为锚固系统中的受拉杆件，承载着荷载的传递作用，对锚固系统的工程效果产生最为直接的影响。目前，普通注浆钢锚杆已经被广泛应用于各种水利工程建设，同时也表现出作为永久支护方式的不足和缺陷[3]。其主要原因是钢筋的腐蚀问题难以彻底解决，例如，法国的朱克斯坝在建成使用几个月后就出现了锚杆断裂问题，我国安徽的梅山水库支护结构中的预应力锚索也在使用21年后发生断裂事故。鉴于现有的防腐措施并不能完全解决锚杆的锈蚀问题，开发新型锚杆材料就具有巨大的工程价值。玻璃纤维锚杆作为一种新型的纤维增强材料锚杆，具有强度高、抗腐蚀性好、耐久性强等诸多优势，已经被广泛应用于煤矿等领域的超前支护[4]。但是，将其作为永久支护应用的工程案例较少。基于此，本次研究以具体工程背景为依托，展开玻璃纤维锚杆在水工隧洞工程中的应用与效果评价，为相关工程应用提供必要的借鉴和支持。

2 支护方案设计

2.1 支护材料

本次研究力图通过玻璃纤维等新型材料和相应的先进支护技术的应用，降低支护施工难度，提高支护工程的综合成本。由于研究洞段采用的是新奥法施工方式，因此支护的主要手段是锚喷网，在必要的洞段辅助注浆或钢架支撑，以增加承载能力。基于本次研究的目的和上述施工要求，施工中选用的是直径为20mm的玻璃纤维锚杆。该型锚杆主要由树脂基体和玻璃纤维制成，具有密度小、其强度大、方便安装的特点。

目前，在支护领域最常见的支护网有钢筋网、铁丝网以及TECCO 网及 TENSAR 网[5]。其中，铁丝网的强度较低，而钢筋网虽然强度高，但是网眼较大，不利于断层破碎带围岩塑性区的控制。因此在本次试验研究中选择TENSAR网，这种由聚丙烯材料制成的网片，具有密度小、强度高、方便裁剪的优势，同时还与喷射混凝土具有良好的耦合性。

2.2 支护参数设计

支护参数的设计的主要技术资料有研究洞段的原岩应力测试结果；隧洞开挖之后的围岩松动范围测试结果；相关领域的工程设计经验以及该领域的技术规范[6]。经过各种影响因素的综合考虑和计算，最终确定如下支护参数：锚杆的长度为3.25m；锚杆的间距为1.0m；锚杆的直径为20mm；锚杆的排列方式为梅花型排列，排距为1.0m；根据隧洞开挖参数，每排锚杆包括12根，其中拱顶6根，左右边帮各设置3根，其中最下面的一根和水平方向成20°的夹角，其余两根呈水平布置，其具体的布置示意图如图1所示。

图1 锚杆布置示意图

2.3 施工工艺

研究洞段拟采用锚喷网支护工艺，其具体流程如图2所示。在开挖完毕之后需要清理隧洞内面的浮石，并进行凿毛作业，然后进行厚度为5mm的C25混凝土初喷作业；利用ZJ400钻机进行锚杆钻孔，成孔直径为40mm，孔深为3650mm。钻孔施工中按照1m×1m的间距进行梅花型孔位布置，定位偏差应该<100mm，拱顶部位的钻孔保证与壁面法线基本一致[7]。钻孔结束之后要对成孔进行清洗，去除其中的杂质；使用ZJ-230M型注浆机向孔内注射M25水泥砂浆，在砂浆注满之后立即插入锚杆；安装TENSAR网，并用托盘压紧；最后进行厚度为50cm的C25混凝土喷射。

图2 施工工艺流程图

3 施工效果评价

3.1 现场拉拔试验

为了验证玻璃纤维锚杆的支护效果，获得玻璃纤维锚杆的极限抗拉力大小，在研究洞段的S3+010-S3+016洞段进行现场拉拔试验[8]。试验中与传统的钢筋锚杆为对照，其具体的参数设计如表1所示。试验设备采用的是本溪市天舟特种设备有限公司生产的LB-03型锚杆拉拔计。

表1 试验锚杆参数

拉拔试验在上文提到的洞段进行，对两种不同的锚杆各取三根进行拉拔试验，并将试验结果的均值作为最终试验数据。试验过程中的加载速率设定为2.5MPa/min，每阶段的加载时长为5min。当观察到锚杆断裂或压力表示数突然降低时，即可结束试验，同时记录好压力表的示数和现场观察工作。具体的试验结果如表2所示。由试验结果可知，两种不同种类的锚杆均得到了工程设计中8t的标准要求，这说明玻璃纤维砂浆锚杆可以用于研究洞段的围岩支护工程施工。从具体数值来看，玻璃纤维砂浆锚杆的抗拉拔力达到了11.3t，在8t的工程设计标准上提高了41.25%。这说明，直径20mm，长2.0m的玻璃纤维砂浆锚杆，完全可以替代传统的钢筋水泥砂浆锚杆。另一方面，试验中的玻璃纤维砂浆试验破坏的形式为拉丝状解体，并没有在拉拔力的作用下被拔出，因此文章设计的锚杆参数具有试验依据，可以充分达到围岩开挖之后的松动圈半径。

表2 拉拔试验数据

3.2 围岩变形结果分析

为了进一步对比玻璃纤维锚杆和传统钢筋锚杆的现场支护效果，研究中在试验段的现场设置4处检测断面。其中，1号和2号断面为传统赶紧锚杆支护结构，3号和46号断面为新型比例现为锚杆支护结构。每个断面设置3个测点，分别位移隧道的拱顶和两侧，分别监测拱顶的沉降位移和两侧的收敛位移，并作为支护效果的评价依据。变形监测采用的是SLJ-30A数显收敛仪。其中1号和2号断面的监测时间为2019年5月15日至6月15日；3号和4号监测断面的监测时间为2019年5月30日至6月29日，各监测点均在开挖支护试验施工完成时候进行并持续30d，最终获得的监测数据如表3所示。

表3 围岩变形监测结果

由表中的试验数据可知，各段面的拱顶沉降量随着支护时间的推移而逐步加大，而沉降的速率则逐渐减小。在监测结束之后其沉降速率均小于0.2mm/d。说明试验洞段的拱顶沉降变形在一个月内已经达到稳定状态。与拱顶的沉降变形不同，1号和4号断面拱腰的收敛变形随着时间的推移逐渐增大，而2号和3号断面则呈现出波动变化的特征。究其原因，主要是支护完成之后，拱腰部位的围岩应力仍旧在进行重分布，进而导致拱腰收敛变形的波动。从变形速率上来看，在一月的试验期内均达到了小于0.2mm/d的水平，说明试验洞段的拱腰收敛变形达到稳定状态。从两种不同的支护方式来看，玻璃纤维锚杆相对于普通钢筋锚杆无论是变形量还是变形速率均比较接近，并且表现出一定的优势。因此，玻璃纤维支护材料与围岩变形之间具有良好的协调性，可以有效控制围岩变形，可以在支护工程中选用。

4 结 论

此次研究以白石输水隧洞为例，通过理论研究和工程试验相结合的方式，分析了玻璃纤维锚杆在输水隧洞支护工程中的应用，并获得如下主要结论：

1)通过工程经验总结和理论分析，指出玻璃纤维锚杆在水工隧洞围岩支护中的应用价值；结合具体的工程需求，提出了相应的支护参数和施工工艺流程。

2)现场拉拔试验和围岩变形监测结果显示，玻璃纤维锚杆的抗拉拔力满足工程设计要求，并由较大的冗余量，支护材料与围岩变形之间具有良好的协调性，可以有效控制围岩变形，可以在支护工程中选用。