一种隧道变形自适应预应力锚索支护系统与实施方法与流程

1.本发明属于土木工程领域，涉及一种隧道变形自适应预应力锚索支护系统与实施方法。


背景技术：

2.大变形是隧道与地下工程领域的难点和热点问题，目前尚未得到较好解决。当隧道发生大变形时，以增加支护刚度为主的支护理念中占主导地位。目前主要采用预留变形量、钢支撑或多层支护、及时支护、加厚二衬、超前支护、注浆加固围岩，以及增设导洞释放地应力、采用圆形断面等措施。强支硬顶的支护手段在抑制围岩变形的同时诱发了极大的形变压力，导致钢支撑因受荷过大而产生扭曲、喷射混凝土开裂、二次衬砌开裂等问题。同时，也导致施工安全风险高、工期和造价不可控等严重问题。可见，现有的强支护理念和技术体系面临极大的挑战。
3.传统的锚索时基于固定预应力的直接锚固围岩，没有给围岩一定的变形空间，而隧道围岩变形是一个缓慢的过程，无限的限制围岩变形，势必造成围岩压力增大，最终造成锚索承载力超限拉断而失效，只能暂时的控制变形，锚索失效后可能产生更严重的后果。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隧道变形自适应预应力锚索支护系统与实施方法，在不改变锚索支护力的前提下自动适应不同地质条件下围岩变形。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种隧道变形自适应预应力锚索支护系统，穿过喷射混凝土层在围岩层内交替设置变形自适应预应力锚索及锚杆；所述变形自适应预应力锚索包括锚索体，设置在所述锚索体一端的锚固端，沿远离所述锚固端的方向在所述锚索体上依次设有锚垫板、变形分级自适应结构及锁具。
7.可选的，所述分级自适应结构包括至少两个不同直径不同壁厚的内空鼓状体。
8.可选的，沿远离所述锚固端的方向，所述内空鼓状体的内径逐渐变小，壁厚逐渐变小。
9.可选的，所述变形自适应预应力锚索与所述锚杆设置于不同平面内。
10.一种隧道变形自适应预应力锚索支护系统的实施方法，用于施工上述隧道变形自适应预应力锚索支护系统，包括以下步骤：
11.成孔：根据锚固地层的类型、钻孔直径、钻孔工地的场地条件选取钻孔设备，实施钻孔；
12.锚索制作：采用钢绞线制作锚索体，在锚索体上安装锚固端、变形分级自适应结构及锁具，安置注浆管，并对锚索进行编号；
13.灌浆：在钻孔内灌入纯水泥浆或水泥砂浆；
14.张拉与锁定：灌浆后浆体强度达到设计要求后对锚索进行预应力张拉；
15.封锚：待锚索补充注浆结束之后用混凝土封闭变形自适应预应力锚索外露部分。
16.可选的，步骤“成孔”中，岩层中采用以压缩空气为动力的潜孔冲击钻机，在岩层破碎或松软等易于塌缩孔地层中采用跟套管的钻进技术；采用无水钻进方式；采用间隔钻孔的钻孔顺序；孔径不低于设计值的101％；钻孔方向与水平面和竖直面的夹角不得与设计角度偏差
±
1～2
°
；钻孔速度不得高出钻机本身标准钻速的1～2％并匀速钻进；钻孔深度不得浅于设计深度的101％，且不得少于20cm；钻进达到设计深度之后稳钻1～2分钟；钻孔后清洗钻孔孔壁。
17.可选的，步骤“锚索制作”中，选用直径φ21.6mm，极限强度为1860mpa的钢绞线制作锚索体，钢绞线从盘丝上按计算长度采用机械切割；安装注浆管时在其周边布置钢绞线并捆扎牢靠；锚索制作完成后按锚索长度、规格进行编号。
18.可选的，步骤“灌浆”中，注浆材料为水泥砂浆或纯水泥浆，水灰比为0.4～0.45，灰砂比为1:1，浆体强度≥35mpa，水泥砂浆中水泥采用425#以上普通硅酸盐水泥，砂用平均粒径0.3～0.5mm中砂，含泥量不大于3％；每次灌浆结束后稳压15～20分钟。
19.可选的，步骤“张拉与锁定”中，灌筑混凝土前，必须将锚具中的螺旋钢筋、锚垫板固定在框架梁钢筋上，方向与锚孔方向一致，摆放平整、浇注、振捣；正式张拉前必须进行预张拉，使锚索体完全平直；张拉时，依次取设计锁定值的0.15、0.5、0.75、1.0、1.1倍进行逐级张拉，每级张拉时间间隔10分钟，并保持张拉时间25～30分钟。
20.可选的，步骤“张拉与锁定”中，变形自适应预应力锚索采用两种张拉方法的其中之一，或先张拉较远端的各单元锚索，以消除在相同荷载下因自由段长度不等而引起的钢绞线伸长值之差，再整孔张拉；或对各单元锚索从远端开始，按由远而近的顺序张拉。
21.本发明的有益效果在于：
22.本发明采用自适应锚索与锚杆间隔布置的方式，共同发挥作用提升围岩的自承能力，控制围岩变形，其中普通锚杆在围岩变形早期发挥作用，维持围岩的早期的临时稳定，为锚索支护及其他支护争取作业时间，而自适应锚索在围岩变形的中后期发挥作用，维持围岩长期稳定，并提供长期有效的支护力。
23.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
25.图1为本发明的支护系统断面图；
26.图2为拱部锚索锚杆布置图；
27.图3为边墙锚索锚杆布置图；
28.图4为图3的a-a剖面图；
29.图5为图3的b-b剖面图；
30.图6为变形自适应预应力锚索结构示意图；
31.图7为分级自适应结构的尺寸示意图。
32.附图标记：变形自适应预应力锚索1、锚杆2、锁具11、分级自适应结构12、锚垫板13、锚索体14、锚固端15。
具体实施方式
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
35.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.请参阅图1～图7，为一种隧道变形自适应预应力锚索1支护系统，该支护体系主要有围岩+变形自适应预应力锚索1(长锚索)+短砂浆锚杆2+工字钢+喷射混凝土形成的初期支护承载体系，假设原设计的工字钢纵向间距为s,锚杆2间距为sh(环向间距)*s(纵向间距)，则自适应锚索支护参数可取10m长21.6-1*7-1860锚索，间距2sh(环向间距)*2s(纵向间距)，环向支护范围为拱部120
°
范围，拱部锚杆2支护参数修改为间距sh(环向间距)*2s(纵向间距)，其余部位的锚杆2支护参数不变，工字钢、喷射混凝土等支护参数保持不变。
37.变形自适应预应力锚索1主要由锚索体14、锚垫板13、分级自适应结构12、锁具11、锚固端15组成，其中分级自适应结构12为变形自适应预应力锚索1的核心部件，该部件由3个不同直径不同壁厚的内空鼓状体组成，其基本原理为，随着隧道变形的逐渐增大，作用于托盘的上的围岩压力逐渐增大，当围岩压力小于10t时，分级自适应结构12不启动，其支护效果等同于普通预应力锚索，随着变形的不断加剧，围岩压力增大至10～20t，第一个内空鼓状体开始工作，逐渐压缩变形，该过程中围岩压力与锚索支护力维持恒定不变；当变形进一步增大，围岩压力增大至20～30t，第二个内空鼓状体开始工作，逐渐压缩变形，该过程中围岩压力与锚索支护力维持恒定不变；若变形没有得到有效控制，变形与围岩压力持续增大，当围岩压力达到30～50t，第二个内空鼓状体开始工作，逐渐压缩变形，该过程中围岩压力与锚索支护力维持恒定不变。通过ⅲ级变形自适应让压可以将围岩变形控制在安全范围以内。
38.下表为纯锚杆支护、纯锚索支护以及联合支护的经济成本、施工流程及支护效果
对比：
[0039][0040][0041]
由于变形自适应预应力锚索1张拉端存在一定的工作长度，为不影响防水层施工，张拉端锁具11以及变形分级自适应结构12应沉入喷射混凝土中，因此在喷射混凝土施工前应预留相应尺寸测孔位。
[0042]
变形自适应预应力锚索1的施工技术要求如下：
[0043]
(一)成孔要求
[0044]
(1)钻机：应根据锚固地层的类型、钻孔直径、钻孔工地的场地条件等来选取钻孔设备，岩层中应采用以压缩空气为动力的潜孔冲击钻机，在岩层破碎或松软等易于塌缩孔地层中应采用跟套管的钻进技术。
[0045]
(2)钻进方式：采用无水钻进，禁止开水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。
[0046]
(3)钻孔顺序：宜采用间隔钻孔，防止邻孔干扰。
[0047]
(4)钻孔位置：应符合设计要求，通常孔点坐标不得与设计的坡面坐标偏差(
±
100mm，
±
100mm)。
[0048]
(5)钻孔直径：孔径不得低于设计值的101％，以确保灌浆充分。
[0049]
(6)钻孔方向(钻孔倾角)：符合设计要求，钻孔方向与水平面和竖直面的夹角不得与设计角度偏差
±
1～2
°
。
[0050]
(7)钻孔速度：钻孔速度必须严格控制，不得高出钻机本身标准钻速的1～2％，采用匀速钻进，以防止钻孔弯曲和变径，造成下锚困难。
[0051]
(8)钻孔深度：钻孔深度不得浅于设计深度的101％，且不得少于20cm。
[0052]
(9)钻进过程要求：钻进过程中应对每个孔的地层变化、钻进状态(钻压、钻速)、地下水及一些特殊情况做现场记录(附录)。如遇地层松散、破碎时，应采用跟管钻进技术，以保证钻孔完整不塌，如遇塌孔，应立即停钻，进行固壁灌浆处理(灌浆压力0.1～0.2mpa)，待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
[0053]
(10)孔底要求：钻进达到设计深度之后，不能立即停钻，必须在停止进尺的情况下，稳钻1～2分钟，防止孔底端部尖灭，达不到设计的锚固直径。
[0054]
(11)钻孔孔壁：钻孔孔壁不得有粘士或粉砂滞留，必须清洗干净，清洗方法宜采用高压气吹干，以免降低水泥砂浆与岩体的粘结强度，防止锚索不能下到预定深度。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下锚索与注浆，必要时在周围设置排水孔。
[0055]
(12)成孔数目：每个边坡的最终成孔数目不得少于设计数目。
[0056]
(13)钻孔完成后，须经监理检验合格后，方可进入下一道工序。
[0057]
(二)锚索制作
[0058]
(1)锚索体14的材料：锚索体14的材料必须严格按照设计要求的材料选用，所采用的材料必须要有国家法定单位或部门的合格证书及试验检测报告，选用高强度、低松弛预应力钢绞线，直径φ21.6mm，极限强度为1860mpa。
[0059]
(2)锚索体14的制作：钢绞线必须从盘丝上按计算长度采用机械切割，严禁电弧切割，不得采用焊接，不能有锈蚀、损坏的现象并将钢绞线在编索平台上拉直，每根锚索的钢绞线数目不得少于设计要求。
[0060]
(3)锚索自适应装置安装：对自适应锚索，还需要在锚索体14前端安装变形协调装置。
[0061]
(4)安置注浆管：注浆管可采用pvc软管。注浆管在锚固段应安置于扩张件和紧缩件的中部，周边均匀布置钢绞线，捆扎要牢靠，以便增强锚索刚度。
[0062]
(5)安置扩张环：扩张环的数目按，应符合设计要求，其间距一般为1.0～1.5m，捆扎牢靠。
[0063]
(6)锚索编号：锚索制作完成后，应进行外观检验，按锚索长度、规格进行编号。分散型锚索应对不同锚固单元的钢绞线进行标记，防止锚索张拉时出错。锚索使用前应经监理工程师认可。
[0064]
(三)储存与安装
[0065]
(1)锚索体14制作完成后应尽早使用，避免长期存放。
[0066]
(2)锚索应存放在干燥、清洁的地方，锚索体14裸露部分应用浸渍油脂的纸张或塑料布进行防潮处理，不得露天存放，不得受到机械损坏或使焊渣油溅落在锚索体14上。
[0067]
(3)锚索的运输与吊装应因地制宜拟定方案，锚索运输应按下列规定执行：水平运输中，各支点间距不得大于2m，锚索弯转半径不宜太小，以不改变锚索结构为限；垂直运输时，除主吊点外，其他吊点应能使锚索快速、安全脱钩；运输、吊装过程中，应细心操作，不得损伤锚索及其防护涂层。
[0068]
(4)锚索安装前必须严格检查钻孔深度，其值不得低于锚索长度的101％；锚孔内及周围杂物必须清除干净；此外，隔离架心须捆扎牢靠，锚索钢绞线不得有锈蚀、搭接、损坏、明显弯曲、扭转等现象，锚索的最终下放深度与设计深度的误差为
±
10cm。
[0069]
(四)灌浆
[0070]
(1)注浆设备宜采用ycw配套注浆泵。
[0071]
(2)注浆材料根据设计要求确定，一般为水泥砂浆或纯水泥浆，水灰比为0.4～0.45，灰砂比为1:1，浆体强度≥35mpa。水泥砂浆中水泥采用425#以上普通硅酸盐水泥，砂用平均粒径0.3～0.5mm中砂，含泥量不大于3％。注浆浆液应搅拌均匀，随拌随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入浆液。使用纯水泥浆前需进行试验，使水泥浆硬化后能满足设计强度。
[0072]
(3)注浆作业开始和中途停止较长时间再作业时，宜用水或稀水泥浆润滑注浆泵及注浆管路。
[0073]
(4)孔口溢出浆液或排气管停止排气时，可停止注浆。每次灌浆结束都应稳压15～20分钟，以使灌浆充分。
[0074]
(5)注浆结束之后，应将注浆管、注浆枪和注浆套管清洗干净。
[0075]
(6)做好注浆记录。
[0076]
(五)张拉与锁定
[0077]
(1)锚索锚垫墩和框架梁制作
[0078]
①
锚索锚垫墩或框架梁制作应符合一般的钢筋混凝土施工技术规范要求。
[0079]
②
锚索锚垫墩或框架梁采用现浇，为c30钢筋混凝土。
[0080]
③
灌筑混凝土前，必须将锚具中的螺旋钢筋、锚垫板13固定在框架梁钢筋上，方向与锚孔方向一致，摆放平整，再一起现场浇注、振捣，尤其在锚孔周围，钢筋较密集，应仔细振捣，保证质量。
[0081]
④
锚索框架梁应分片施工，两相邻框架梁接触处灌筑素混凝土或水泥砂浆。
[0082]
(1)锚斜托的制作：为保证锚索垂直受力，需设锚斜托。锚斜托水泥混凝土标号必须按照设计要求，其强度必须达到设计要求方可使用。
[0083]
(2)锚具：锚具应满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》(jgj85-2010)的相关要求。锚具应包含外锚头、夹片、垫板、螺旋筋、固定钢筋。
[0084]
(3)张拉设备：张拉设备采用ycw配套张拉设备，张拉作业前必须对张拉机具设备进行标定。
[0085]
(4)张拉：待锚索锚固段的浆体强度达到设计要求后，方可进行预应力张拉。正式张拉前必须进行预张拉，使锚索体14完全平直。荷载分散型锚索张拉时先按设计要求张拉
较远端的各单元锚索，以消除在相同荷载下因自由段长度不等而引起的钢绞线伸长值之差，再同时张拉各单元锚索并锁定；也可按设计要求对各单元锚索从远端开始，按由远而近的顺序进行张拉并锁定。张拉时，依次取设计锁定值的0.15、0.5、0.75、1.0、1.1倍进行逐级张拉，每级张拉时间间隔10分钟，并保持张拉时间25～30分钟。如拉力没有明显衰减现象，方可进行锁定。张拉过程采取有效措施进行监控，保证张拉分级、持荷时间、超张拉、锁定荷载满足要求。
[0086]
(5)张拉注意事项
[0087]
①
锚索在张拉前必须把承压支撑物件的面整平，将锚具安装好，并和锚索轴线方向垂直，安装千斤顶时注意千斤顶轴线应与锚索轴线在一条直线上，而且不可压弯锚头部分。
[0088]
②
安装前应对于千斤顶和电动油泵进行标定，按标定的数据进行张拉，在张拉时，事前检查油泵各阀门的工作情况、油管的畅通情况。以免在张拉时油泵工作不正常而造成张拉失败。
[0089]
③
锚索张拉应按一定的程序进行，锚索张拉顺序应考虑邻近锚索的相互影响。
[0090]
④
自适应锚索为压力分散型锚索，有两种张拉方法。一种是先张拉较远端的各单元锚索，以消除在相同荷载下因自由段长度不等而引起的钢绞线伸长值之差，再整孔张拉；另一种是对各单元锚索从远端开始，按由远而近的顺序张拉。
[0091]
⑤
锚索张拉荷载要分段逐步施加，并作好加荷和观测变形记录，严禁一次加至锁定荷载。
[0092]
⑥
张拉和锁定作业必须严洛执行《岩土锚杆2(索)技术规程》(cecs22：2005)，不能有违规操作。
[0093]
⑦
锚索张拉时采用“双控法”，以控制油表读数为准，用伸长量校核。
[0094]
⑧
张拉过程采取有效措施进行监控，保证张拉分级、持荷时间、超张拉、锁定荷载满足要求。采用自动记录仪器对张拉过程进行监控，客观记录和保证张拉施工质量。
[0095]
(六)封锚
[0096]
待锚索补充注浆结束之后方可封锚，并且必须用混凝土把锚头封闭，以防止风化侵蚀，禁止出现不封锚导致锚头、钢绞线锈蚀的现象。
[0097]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。