玻璃纤维注浆锚杆技术

1玻璃纤维注浆锚杆技术1、前言近年来，随着地下工程的大量建设，机械化施工程度不断提高，国外的隧道施工新技术、新工艺陆续被国内众多工程采用。玻璃纤维注浆锚杆作为国内新引进的隧道“新意法”施工工法的配套技术，其技术可行性和经济性已受到隧道工程界的广泛关注。玻璃纤维锚杆主要由玻璃纤维和增强聚合物构成，其性能取决于玻璃纤维和聚合物的类型及锚杆横断面形状等。由于玻璃纤维、聚合物材料的优异性能及其横断面型状易于改变的特点，所以可满足不同工程的特殊要求。玻璃纤维注浆锚杆具有以下特点：1.可挖除。在地下工程采用玻璃纤维注浆锚杆预加固后地段，开挖机械（盾构机、单臂掘进机、铣挖机等）可直接开挖破除通过，不损坏刀具，为实现隧道的机械化高效施工提供了可靠保证；2.杆体全段锚固，锚注结合。玻璃纤维锚杆配合分段注浆管注浆，不但为杆体全段提供锚固力，同时加固了杆周岩体；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、耐酸碱、耐低温等优点；满足地下工程安全生产的要求。2、玻璃纤维锚杆的性能测试对玻璃纤维锚杆的玻璃纤维条片经过基本的材料力学性能试验。（1）抗拉强度测试玻璃纤维条片具有较高的抗拉强度，其试验参考美国ACI440.3R－04【3】中的相关试验方法进行。试验内容：考虑实际的工程需要，分别选取8种型号的玻璃纤维条片试件，进行拉伸试验。试验方法：取长度45cm的玻璃纤维条片，在符合国家检测标准的万能材料试验机（CSS－WAW500DL）上进行，并且记录试件破坏时的抗拉强度。试验结果见表1。2玻璃纤维条片抗拉试验结果表表1规格宽（mm）厚（mm）截面积（mm2）极限荷载（KN）抗拉强度（MPa）极限应变FL20×520510057.55752.50%FL30×530515084.55632.40%FL30×73072101185622.37%FL40×4404160895562.50%FL40×84083201775532.40%FL40×1040104002115282.30%（2）剪切强度测试试验内容：分别选取8种型号的玻璃纤维条片试件，进行剪切试验。试验方法：取长度10cm的玻璃纤维条片，在符合国家检测标准的万能材料试验机上进行剪切试验，并记录试件破坏时的剪切强度。剪切强度试验结果见表2。玻璃纤维条片剪切试验结果表表2规格宽（mm）厚（mm）截面积（mm2）极限荷载（KN）剪切强度（MPa）FL20×520510010.5105FL30×530515015.75105FL30×730721022.6108FL40×440416016100FL40×840832035109FL40×10401040045113（3）扭矩测试由于许多注浆锚固工程对注浆管扭矩有一定的要求，玻璃纤维锚杆也进行了扭矩测试。扭矩试验在剪切扭转试验台上进行，对玻璃纤维条片试件进行扭矩测试，测试结果见表3。玻璃纤维条片试件扭矩试验结果表表3规格扭矩（Nm）规格扭矩（Nm）FL20×535FL40×437FL30×530FL40×1049FL30×734FL40×15553从试验结果可以得出，玻璃纤维锚杆是一种脆性材料。材料的线弹性关系明确，材料的抗拉强度高（与同面积的钢材抗拉强度相当），抗剪和抗扭强度低。3、玻璃纤维注浆锚杆的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：④注浆管③固定连接件②溢浆孔①玻璃纤维条片①①①②②②③④④③②②①①a三片件b两片件图1、玻璃纤维锚杆结构剖面图图2玻纤注浆管示意图图3玻纤注浆锚杆组合构造图4、玻璃纤维锚杆的应用范围玻璃纤维注浆锚杆主要应用在施工难度较大的机械化施工工程（如：城市地铁、越江隧道、超浅埋隧道等）中的土体锚固改良，易挖除性是玻璃纤维锚杆优越于钢质注浆管的主要特点之一，使之适用于TBM、盾构等机械化施工而不会损坏刀具。可以应用在以下几个方面：4（1）配合隧道“新意法”施工，超前预支护加固隧道掌子面当隧道掘进过程中遇到大规模的不良地质段（如：溶洞、断层等）或下穿江河、高楼等物体时，传统的方法是孔口前进式分段注浆或钻杆内水平后退注浆，然后施作管棚，最后分部开挖通过。根据工程难度不同，分部多少不一，有些工程分部达8部之多，施工进度慢，工作效率低。如果隧道采用“新意法”施工，使用玻璃纤维注浆锚杆对隧道掌子面正前方进行预注浆加固，则加固后可采用全段面法开挖通过，提高工程进度，降低施工风险。两种工艺的对比如图4、图5所示。台阶法开挖孔口注浆加固不良地质段管棚管棚不良地质段孔口注浆加固a传统施工方法超前预加固b分部开挖图4隧道传统的预注浆加固与开挖示意图玻璃纤维锚杆注浆加固拱部超前支护不良地质段铣挖机或盾构机机械全段面开挖玻璃纤维锚杆注浆加固拱部超前支护a玻璃纤维锚杆注浆加固b机械全断面开挖图5采用玻璃纤维锚杆注浆加固与开挖示意图（2）作为隧道盾构机始发井的抗侧压无金属加固墙过去十几年间，用盾构机开挖的隧道逐渐增多，这种方法一个很大的问题就是始发井的安全。始发井经常建造得非常深(通常在20~40米以下)，且开挖断面较大，背后土压及水压也很大，需要在始发井周围注浆加固，以形成抗侧压围护结构，来保证隧道的安全。采用传统注浆方法加固的土体，由于土的分层性，往往使注入的浆液形成浆脉也成层状分布，上下层之间联结力小，自稳拱形成的地方距隧道断面较高，5盾构机在掘进过程中承受上层土压力较大，则极易造成盾构方向偏移等安全隐患。由于玻璃纤维锚杆注浆是锚注一体工艺，则被加固土体会因管材的锚固作用而形成一个整体，在掘进过程中能及时在开挖轮廓线上方形成自稳拱，有效的遏制地层对盾构机的压力，控制地表下沉，提高工程施工的安全性。采用玻璃纤维锚杆工艺进行注浆加固，因为在注浆土体中嵌入玻璃纤维构件的锚固效应将大大提高土体的抗侧压能力，将会使盾构始发井周围加固面积大大减小，从而减小始发井维护结构的厚度。如下图所示：自稳拱自稳拱盾构机盾构机a采用普通注浆方法加固b采用玻璃纤维锚杆工艺加固图6不同注浆工艺盾构掘进时自稳拱形成位置及效果对比图始发井始发井外扩加固范围a采用普通注浆方法加固始发井b采用玻璃纤维锚杆工艺加固始发井图7注浆加固面积对比图（3）隧道TBM超前小导洞工法的径向注浆加固用小直径TBM隧道掘进机开挖一条直径3.5～5m的导洞来设计和施工大型公路、铁路、地铁隧道和水工隧道，是西方国家近年来普遍采用的修建大型隧道的做法。在亚洲，日本和我国的一些周边国家也有很多隧道采用TBM导洞扩挖施工的实例。其中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，然后再进行全断面扩挖的施工工艺，是TBM小导洞整体工法中处理软弱围岩的最有效的方法。其中该工艺最为先进的地方就是使用了玻璃纤6维注浆锚杆，使隧道围岩得到改良的同时，也大大提高了TBM全断面掘进或钻爆法扩挖的施工进度。工法断面图如下图所示。玻璃纤维注浆锚杆隧道全断面开挖轮廓线导洞注浆锚固范围外轮廓线图8隧道TBM小导洞法辅助使用玻璃纤维锚杆工艺断面示意图5、应用前景北京中铁瑞威铁道工程技术有限公司，多年来始终关注国外隧道施工新技术、新工艺的发展，以国外先进技术为导向，自主研发了玻璃纤维注浆锚杆。国产化后的玻璃纤维注浆锚杆其性能大体与国外相当，其价格可以大大降低。随着国内地下工程建设中“新意法”施工的创立与推广，可使“新意法”中软岩加固的施工成本大大降低，为“新意法”在隧道施工中推广与应用提供了条件。