锚喷支护技术研究
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摘 要:应用现代化技术和机械进行锚喷支护施工以及应用监测技术,对施工工程进行检测,以获得数据对支护参数进行修改。这在工程中起着极其重要的作用。
关键词:锚喷支护技术;岩土工程
中图分类号:TP 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)06-0318-02
1 锚喷支护技术的相关概述
岩土工程所面临的对象是复杂的地质体。这些复杂的地质体在漫长的地质年代里,由于经历了地质构造运动、自然风化和人类活动的作用,其中包含大量诸如层理、节理、断层、软弱夹层、溶沟、溶槽等个中地质缺陷。它们在一定的时间内和一定的条件下,可能处于相对稳定的平衡状态。但如果条件改变,原来的平衡状态就有可能遭到破坏,比如在岩土工程开挖与施工过程中,其原有应力场就会重新分布,从而使岩土体发生变形,进而产生坍落、塌陷、岩崩、滑坡、地面沉降等地质灾害。为了预防和治理此类灾害,工程上常将一种受拉杆件埋入岩土体,用以调动和提高岩土体的自身强度和自稳能力,而为了特殊需要,还将混凝土应用在岩土体表面,这样更增强了岩土体的稳定性。它们二者便组成了锚喷支护。锚喷支护是锚杆与混凝土联合支护的简称,二者可单独使用,成为锚杆支护与混凝土支护。锚喷支护还与金属网联合进行支护。它具有施工速度快、施工机械化程度高、成本低及节约材料等优点。工程实践证明,锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌支护优越。由于锚喷结构能及时支护和有效地控制围岩的变形,防止岩块坠落和坍塌的产生,充分发挥围岩的自承能力,所以锚喷支护结构比模注混凝土衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省混凝土、木材和劳动力,加快施工进度,工程造价可大幅度降低,并有利于施上机械化程度的改进和劳动条件的改善等。锚喷支护技术鉴于它的作用原理先进、施工简单、经济有效和适应强等优点,在隧道工程中得到了广泛的应用,形成了一种比较完善的支护体系。
2 作用原理
锚喷支护是以充分发挥和利用围岩的自承载能力为基点的,锚杆的作用就是提高围岩的抗变形能力,并控制围岩变形,使围岩成为支护体系的组成部分。锚杆支护既能用于软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖,又能用于整治塌方和隧道衬砌的修复补强。目前,对于锚喷支护作用原理的认识和理论解释还不能充分反应其深刻内涵。
(1)锚杆支护作用原理如下:
①悬吊作用原理
②组合梁作用原理
③挤压加固作用原理
上述锚杆的支护作用原理在实际工程中并非孤立存在,往往是几种作用同时存在并综合作用,只是在不同的地质条件下某种作用占主导地位而已。
(2)喷射混凝土支护作用原理如下:
①充填粘结作用
②封闭作用
③结构作用
3 锚喷支护的作用(以隧道为例)
在隧道工程过程中,锚喷支护的作用显的尤为重要,所以笔者以隧道工程为例。隧道开挖形成新的空洞后,破坏了岩体原有的相对平衡状态,使隧道周围部分岩体应力重新分布,引起围岩的变形、破坏和坍塌。为了及时有效地控制围岩变形,防止坍塌,必须采取工程措施进行支护。矿山法是用木材或模筑混凝土支护,这种方法费工、不安全,材料消耗大。采用新奥法施工,在开挖爆破后,紧接着在隧道岩壁上喷上一层薄薄的混凝土,同时在洞壁上钻孔、插入锚杆或敷设钢筋网、钢架等,以控制围岩的变形和坍塌,增加围岩的自承力;或把可能坍塌的岩块支撑住,使其不落人洞内,这种支护通称“喷锚支护”,称“初期支护”。在初期支护基本稳定后,再施作模筑混凝上,即二次支护或永久支护。大量工程实践和科学试验证明,复合衬砌比传统的模筑混凝土衬砌施作及时、可靠、经济,喷锚支护可以适应多种围岩条件。
4 锚喷支护施工监控量测
在岩体工程中,采用支护时,围岩和支护形成一个统一的力学体系。这时,由于围岩变形,向空间挤入,就产生作用在支护结构上的地压。监测的主要目的便是分析记录的数据,及时反馈到设计与施工中,以获得最佳经济性和最大安全性。
4.1 喷层接触压力量测
4.1.1 内容与方法
喷层接触压力是指围岩垂直作用于喷层上的荷载值。接触压力的大小及发展趋势,在一定程度上反映了支护结构受力的大小。从而可判断其安全程度。更重要的是同时测得相应的径向位移,求得支护结构的刚性系数,这对正确选择,调整支护参数,探索锚喷支护设计方法都是十分重要的。
4.1.2 接触压力两侧元件和仪表和仪器
油压枕(枕壳,注油三通,压力表和排气螺丝等组成);格罗茨尔液压应力计;钢弦式压力盒(主要由工作薄膜,钢弦,电磁线圈和铁芯等组成);电阻应变片式压力盒等。
4.1.3 接触压力量测元件器量测
喷层接触压力的量测与围岩的基础状态密切相关,为了能使喷层厚度均匀,相对降低应力集中的影响程度应选用薄型压力盒进行量测。
①埋设前准备。埋设前,必须对选用的每一个压力盒在实验室进行标定。
②定位。按照量测计划在量测断面上标出压力盒。
③敷设。在选定的位置上固定压力盒常用的方法是在压力盒工作膜一面抹上一层速凝砂浆,然后立即放到选定位置上,垂直压力盒轴向加力,直到多余的砂浆挤出,确认已和岩面密贴为止,用手扶持数分钟,待砂浆终凝,并注意把引出导线架起,以免拉脱压力盒。
④喷射混凝土。在量测断面上喷射混凝土时,应仔细保护量测元件和引出导线,先将量测元件埋入喷层,然后沿导线喷射,直至全部埋入喷层,然后再接喷混凝土要求,由上而下喷射,直至达到设计厚度。压力盒敷设部位可适当加厚,加厚的厚度等于压力盒的厚度,但喷层表明应保证平滑过渡。接触应力量测数据往往比较离散,所以要求试验段上喷层厚度尽量一致,必须设置喷层厚度标志。
⑤为了便于对比、分析和检验,应重视无应力计的埋设。所谓无应力计是指在量测断面上设置一个或绝对不受力的量测元件器,这个元件所受的条件应和量测元件相同。
⑥在量测断面,一般均匀布置相应的位移测点,以利综合分析和判别稳定性。
4.2 锚杆受力量测
合理的锚杆支护方式应使锚杆轴向受力,因此两侧锚杆受力只考虑轴向受力的量测。根据锚杆形式不同,可加工成各种不同的锚杆使用,常用的有电阻应变式、钢弦式、机械式等几种,这些量测锚杆都是先测定锚杆杆体的应变(或变形),然后根据杆体材料的弹性模量计算受力大小。对于端部锚固型锚杆,也可在锚杆外露端安设空心压力盒直接测得锚杆压力。锚杆安设后,由于围岩移动,使锚杆受力而伸长(或缩短),机械式量测锚杆就是用普通量测方法,测定锚杆每一段在受力变形后的伸长(或缩短)量然后根据杆体弹性模量计算受力大小。
总之,该技术的运用,可以获得实际数据对支护参数进行修改,从而使整个工程更加安全、更加经济。
参考文献
[1]彭振斌.锚固工程设计计算与施工[M].武汉:中国地质大学出版社,1997.
[2]夏才初,李永盛.地下工程测试理论与检测技术[M].上海:同济大学出版社,1999.