管缝式锚杆在关口地下厂房中的应用.doc

管缝式锚杆在关口地下厂房中的应用龚 爱 民摘要管缝式锚杆是一种全长摩擦式锚杆,但多数限于临时支护与各类巷道支护，用于水电站地下厂房不多见。结合云南省昭通关口电站地下厂房喷锚支护，就管缝式锚杆的结构、支护原理、受力条件、适应条件及支护的可靠性和存在的问题作了论证。关键词管缝式描杆地下厂房喷锚支护1工程概况关口电站位于云南省昭通境内，装机为25 000 kW，设计水头250 m,电站厂房为地下厂房，其主副厂房设计面积为35 m10 m，最大高度19.7 m，采用新奥法设计与施工。厂房所在洞室均置于二叠系栖霞茅口组(P1g+m)地层内，岩性为深灰黑灰色中厚层块状岩，岩性单一，岩层产状156167，倾角2022，其走向与厂房长轴方向交角较大，为7088，该区灰岩抗压强度61.863.2 MPa，软化系数为0.710.74。单位弹性抗力系数为5080 MPa.cm-1，弹性模量为(11.713.2)104 MPa，坚固系数为57。洞室埋深约105 m，由于灰岩强度高，岩体基本上呈块状整体结构，节理多闭合，因此其成洞地质条件及稳定性较好。厂房在进行支护设计时，充分考虑了施工能力，质量措施，特别是进度要求，决定采用管缝式锚杆与喷混凝土联合支护，进洞部分采用喷锚网联合支护。实践证明，应用管缝式锚杆其施工速度快，质量容易保证，取得了较好的经济效益。2管缝式锚杆管缝式锚杆是用22.5 mm厚的高强度、高弹性合金钢板卷制而成的一种空心可压缩弹性钢管，沿轴向全长开有一长缝，后端焊有直径为810 mm的环形钢挡箍，以挡住托板，前端为锥体形状，起导向作用，以便推进钻孔内。一般管缝宽度1416 mm。管径应视围岩性质与钻孔直径来定，一般说来，孔径与管径差(即孔径差)越大，锚固力也越大，但安装也越困难。管缝式锚杆如图1所示。图1管缝式锚杆剖面图(单位：mm)1-托板2-钢挡箍3-锚杆体管缝式锚杆是一种新型全长摩擦式锚固锚杆，在力学上综合了端头锚固锚杆和非预应力粘结式锚杆的特点。其工作原理和力学特征为如下。2.1锚杆使围岩处于近似三维应力状态安装锚杆时，采用风钻配合专用连接套，冲击打入一个比锚杆直径小23 mm的钻孔，受孔壁的约束，管径缩小由此产生环向压缩变形，从而对孔壁产生径向弹性张力，紧紧挤压孔壁，使杆体与孔壁间产生轴向摩擦力，从而形成锚固力。同时末端托板紧压孔口岩壁，对孔口周围岩石形成支承抗力，此抗力随洞室径向变形而逐渐增大。这样在全长孔壁上的抗力与孔口围岩支承抗力共同作用下，锚杆周围的围岩处于纵向、环向、轴向三维应力状态。如图2所示。对于圆形洞室若布置径向系统锚杆，则可把一定深度内的围岩加固成压力拱圈，即所谓的“承载环”，从而提高岩体的力学强度，保证围岩稳定。图2锚杆使围岩处于三维应力状态2.2初锚力高，其锚固力随时间而增加管缝式锚杆打入后因受孔壁约束而产生支护抗力，其初锚力在4050 kN/m，为早期有效地控制围岩变形创造了有利条件。管缝式锚杆是靠自身径向变形产生张力后，全长均匀作用在钻孔壁上，由此产生静摩擦而获得强大的锚固力。在下面条件中锚杆的锚固力随着时间增加而增加：(1)岩层发生剪切位移及其他外力冲击时，锚杆发生扭曲变形，从而锚固力加强。(2)岩层位移发生钻孔收缩时，锚杆被压缩，其径向变形增大时，锚杆的径向抗力不断增强。(3)受介质轻微腐蚀时，锚杆表面粗糙度增大，摩擦力相对增加，锚固力增大。2.3管缝式锚杆的让压作用可简化适时支护所需的量测工作从所周知，适时支护是喷锚支护设计与施工的关键环节，支护时间过早会使支护承受过大的“变形压力”；过迟则围岩松弛过度，岩体强度下降。因此，洞室开挖后必须进行一系列的量测，以掌握围岩动态，确定适时支护时间。由于管缝式锚杆与孔壁是摩擦接触，当锚杆与钻孔之间产生的剪力超过摩擦阻力时，锚杆与孔壁之间可产生一定滑动，起到让压作用，但仍不丧失锚固力。因此实际施工时可提前支护时间，以便锚杆产生让压作用，使锚杆不承受过大的变形压力。3关口电站地下厂房的喷锚设计与施工根据岩石地下建筑技术措施中的评定标准，并从工程地质条件来看，认为该洞室围岩稳定性较好。在开挖过程中，由于受节理裂隙、爆破及机械振动的影响，加之开挖后应力重新分布，局部地方有危岩及松动掉块，且洞室位于地下水位附近，因此施工设计时主、副厂房采用喷锚，进洞部分采用喷锚网联合永久支护。3.1喷锚支护参数的确定根据工程实际勘测，应用工程类比方法并结合实际施工能力确定喷锚支护参数如下：锚杆：采用管缝式锚杆，外径40 mm，壁厚2.5 mm，长2.53.0 m。系统锚杆平面布锚均采用梅花形，间距与排距取值：顶拱1.0 m1.0 m，边墙1.5 m1.5 m。锚杆外径与钻径直径差1.53.0 mm。锚杆主要技术指标：(1)杆体。外径40 mm，壁厚2.5 mm，缝宽14 mm，挡环距尾端的距离4.5 mm，挡环焊缝拉脱力106140 kN，杆体极限抗拉力146151 kN，锚杆初锚力4345 kN/m。(2)托盘。尺寸150 mm150 mm150 mm，锚盘厚7 mm，托盘承载力5658 kN。3.2施工程序施工分一次支护与二次支护，一次支护与开挖作业同时进行，主要安装管缝式锚杆和喷射3050 mm厚混凝土。为充分利用围岩的天然承载力，采用预裂爆破开挖，爆破后立即打孔并安装锚杆，出渣后进行混凝土喷射。二次支护在顶拱部分开挖完成后，围岩变形稳定时进行。需挂网部位在二次支护前进行。3.3管缝式锚杆的施工与抗力调整安装管缝式锚杆的钻孔要求平直，否则将插不进去。因锚杆长度、锚杆外径与钻孔直径之间的差值与锚固力成正比，故可通过锚杆的长度和钻孔直径来调整锚固力，从而有效地控制围岩位移和变形。对于节理多闭合、岩体块状、整体性较好的部位，用长2.50 m的锚杆，孔径差取23 mm。而对岩层破碎、节理、裂隙发育部位可采用长3.0 m锚杆，孔径差1.5 mm。这样不仅有利于安装，保证了足够的锚固力，同时通过锚固力的控制有利于在围岩中形成较均匀的连续岩石加固带，充分调动围岩承载力，保证其稳定。4管缝式锚杆支护的可靠性由于管缝式锚杆支承抗力的可调整性，决定了它对岩层具有广泛的适应性，能在不同类型的围岩条件下发挥不同的作用。实际施工表明，管缝式锚杆的抗拉、抗剪能力及压紧后的挤压加固作用都能较好地对围岩实施加固作用。拉拔试验表明，其初锚固力均大于40 kN/m，能满足支护要求。5