我國(guó)巖體錨固與灌漿技術(shù)進(jìn)展

我國(guó)巖體錨固與灌漿技術(shù)研究進(jìn)展摘要:巖錨技術(shù)巖錨技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用主動(dòng)加載的方法，改善巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而充分發(fā)揮巖體本身的自承能力和自穩(wěn)能力，確保工程安全和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:我國(guó)巖體錨固與灌漿技術(shù)研究進(jìn)展1．巖錨技術(shù)巖錨技術(shù)的主要特點(diǎn)是采用主動(dòng)加載的方法，改善巖體的應(yīng)力狀態(tài)，從而充分發(fā)揮巖體本身的自承能力和自穩(wěn)能力，確保工程安全和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在國(guó)外，巖錨的使用可以追溯到20世紀(jì)初葉。發(fā)展到現(xiàn)在，已開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型的巖錨600余種，廣泛用于地下工程圍巖支護(hù)，壩體、壩基加固，邊坡加固，結(jié)構(gòu)抗浮，結(jié)構(gòu)抗傾，懸索結(jié)構(gòu)抗力型基礎(chǔ)等土木、水利工程。近年來(lái)，國(guó)外巖錨技術(shù)發(fā)展很快，尤其是在德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、奧地利、美國(guó)、瑞典、芬蘭等國(guó)，技術(shù)水平不斷提高，積累了許多新經(jīng)驗(yàn)。巖錨技術(shù)于20世紀(jì)50年代引進(jìn)我國(guó)，經(jīng)過(guò)大約半個(gè)世紀(jì)的努力，已獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。已廣泛應(yīng)用于水利、水電、鐵道、交通、煤炭、城建、國(guó)防等各個(gè)部門(mén)。單束預(yù)應(yīng)力錨索最高承載能力達(dá)8000kN（漢江石泉水電站），單束錨索最大長(zhǎng)度達(dá)93.5m（黃河龍羊峽水電站）。自行研制了各種類(lèi)型的巖錨。如開(kāi)縫式磨擦錨桿、可伸縮式錨桿、早強(qiáng)水泥藥卷錨桿等。預(yù)應(yīng)力錨索生產(chǎn)也形成系列，如：拉力型、壓力型、荷載分散型（包括拉力分散、壓力分散、拉壓分散型）等。近年來(lái)，荷載分散型錨索在加固高速公路邊坡、路基以及深基坑工程中已取得可喜的成果，在加固巖質(zhì)邊坡、壩基及大型地下洞室圍巖中也具有廣泛的使用價(jià)值。我國(guó)柳州OVM建筑機(jī)械有限公司已成批生產(chǎn)多種錨索系列及附屬產(chǎn)品，除滿足國(guó)內(nèi)需求外，還進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，在理論研究方面有所前進(jìn)。近年來(lái)，我國(guó)科技人員對(duì)巖錨作用機(jī)理、流變特性、設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化施工等進(jìn)行了大量的探索，如用非線性有限元、三維離散元方法對(duì)錨桿的作用機(jī)理進(jìn)行了模擬；采用斷裂損傷力學(xué)的原理和方法分析了巖錨的受力狀態(tài)，提出了失穩(wěn)判據(jù)；在理論研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了加固巖體的傾斜交叉布錨方法等。編制了有關(guān)規(guī)程、規(guī)范：如：1985年水電部頒發(fā)了《水利水電地下工程錨噴支護(hù)施工技術(shù)規(guī)范》，1986年國(guó)家頒發(fā)了《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，1994的水電部頒發(fā)了《水工預(yù)應(yīng)力錨固施工規(guī)范》等。學(xué)術(shù)交流日趨活躍，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和工程應(yīng)用。近年來(lái)，我國(guó)先后成立了中國(guó)巖土錨固工程協(xié)會(huì)，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)委員會(huì)。各產(chǎn)業(yè)部門(mén)也建立了相應(yīng)的組織，開(kāi)展了各種活動(dòng)。特別值得提出的是，巖錨技術(shù)先后被列入國(guó)家科技攻關(guān)內(nèi)容?！捌呶濉逼陂g，在“高壩壩基技術(shù)研究”課題下，設(shè)有“巖體錨固技術(shù)研究”專(zhuān)題，重點(diǎn)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)、張拉設(shè)備、錨夾具、灌漿材料、鉆孔工藝、錨索施工技術(shù)及錨固機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究。在這期間，研制成功6000KN級(jí)YKD張拉千斤頂及相應(yīng)的錨夾具，新型GYM系列錨索，完善了錨索深孔鉆探技術(shù)及分組張拉預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)，研制成功的錨索灌漿材料，具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹和不腐蝕鋼材等性能。上述科研成果已成功地應(yīng)用于豐滿等大型水工程?！鞍宋濉逼陂g，在“巖質(zhì)高邊坡開(kāi)挖及加固”課題下，結(jié)合黃河李家峽高壩壩肩加固工程，重點(diǎn)對(duì)以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了更深入、系統(tǒng)的研究：群錨錨固機(jī)理及預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)；近區(qū)爆破巖體對(duì)錨固設(shè)施的影響；快速錨固凝膠材料對(duì)錨固設(shè)施的影響。通過(guò)綜合研究，揭示了群錨加固中錨索體的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征。認(rèn)為群錨與單錨相比，具有更大的增韌、增剛、止裂和改善巖體力學(xué)性質(zhì)的能力。此外，還提出了錨固件最優(yōu)傾角、合理間距以及大噸位錨索張拉、灌漿等新工藝與新方法，還研制成功XHS型樹(shù)脂材料早強(qiáng)錨固劑，可以在內(nèi)錨固段灌漿后24h內(nèi)進(jìn)行張拉，使單根錨索的施工周期縮短10-15天。1995-1999年，為加固三峽水利樞紐雙線五級(jí)永久船閘巖質(zhì)邊坡，中國(guó)武警水電三峽工程指揮部在全國(guó)一些高等院校、科研單位、設(shè)計(jì)單位、機(jī)械設(shè)備制造廠等密切配合協(xié)作下，開(kāi)發(fā)應(yīng)用了一系列先進(jìn)的巖錨技術(shù)。在預(yù)應(yīng)力錨索施工方面，研制出高精度、輕型快速水平鉆機(jī)及附屬設(shè)備，開(kāi)發(fā)了高精度錨索孔的孔斜檢測(cè)技術(shù)，從而很好地解決了水平長(zhǎng)錨索的高精度成孔技術(shù)難題。在認(rèn)真總結(jié)錨索施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，制訂了詳細(xì)的施工細(xì)則，形成了一套成熟的施工工藝。此外，還率先提出了錨索工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，為制訂國(guó)家規(guī)程、規(guī)范提供了可靠的依據(jù)。在高強(qiáng)錨桿施工技術(shù)方面，對(duì)高錨桿的工作狀態(tài)，錨固效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究，開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的高強(qiáng)錨桿成套施工技術(shù)，包括高效、快速水平錨桿鉆機(jī)的研制、冷擠壓套筒連接技術(shù)的引進(jìn)，制定了完整的高強(qiáng)錨桿施工準(zhǔn)則，施工質(zhì)量檢測(cè)方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。2．灌漿技術(shù)灌漿，也稱注漿，是加固巖體的主要措施之一。灌漿技術(shù)的使用可以追溯到1802年。當(dāng)時(shí)，法國(guó)工程師G.Berigny首次使用這種方法對(duì)Diepe閘基進(jìn)行了加固。發(fā)展到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外在灌漿材料、灌漿方法和灌漿工藝、灌漿機(jī)具和設(shè)備，灌漿效果檢查及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等諸多方面都取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。瑞士開(kāi)發(fā)的灌漿強(qiáng)度值工法(GroutingIntensityNumber,GIN)，日本開(kāi)發(fā)的的裂隙定向控制工法(FractureDirectionControlledMethod,FDC)，尤其引人注意。特別值得提出的是：國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)于1989年初成立了巖石灌漿專(zhuān)業(yè)委員會(huì)（CommissiononRockGrouting）。在專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主席維德曼（R.Widman）教授（奧地利）主持下，先后召開(kāi)了6次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，于1995年出版了權(quán)威性著作《世界最新灌漿技術(shù)總結(jié)》。報(bào)告對(duì)巖石特性，灌漿材料，灌漿設(shè)計(jì)，灌漿施工和效果檢查等方面進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的分析和總結(jié)。總結(jié)報(bào)告著重提出以下論點(diǎn)：雖然近年來(lái)灌漿技術(shù)已經(jīng)取得諸多成就，但仍然處于發(fā)展階段。數(shù)值分析方法雖然有用，但不能安全反映真實(shí)情況。成功的灌漿仍需要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)。為了有效在解決問(wèn)題，把灌漿技術(shù)從“魔術(shù)”變成科學(xué)，不但需要足夠的工程經(jīng)驗(yàn)，還需要不同學(xué)科科技人員的通力合作。我國(guó)的灌漿技術(shù)在解放以前，基本上是空白。解放以后，1953年開(kāi)始研究用水玻璃作為灌漿材料。上世紀(jì)50年代末開(kāi)發(fā)出環(huán)氧樹(shù)脂、甲基丙烯酸甲脂等灌漿材料。60年代開(kāi)發(fā)了丙烯酰胺灌漿材料，70年代開(kāi)發(fā)了聚氨脂灌漿材料。80年代，結(jié)合國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目研究，取得以下主要成就：2．1灌漿材料(1）“七五”期間研制出的超細(xì)水泥平均粒徑為4μm，比表面積在800cm2/g以上，可用于灌注寬度為0.06mm的巖石裂隙。1989年將這種水泥與普通水泥相結(jié)合，用于二灘水電站壩肩弱風(fēng)化巖體加固處理，大幅度減少了壩肩巖體開(kāi)挖方量。（2）研制出濕磨水泥；可以隨用隨磨，較之普通水泥具有良好的析水穩(wěn)定性，較高的抗?jié)B性和力學(xué)強(qiáng)度，可灌性大為提高。用這種水泥在新安江二、三壩段，對(duì)失效帷幕進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿獲得成功。（3）研制了改性灌漿水泥材料：其特點(diǎn)是優(yōu)化水泥顆粒的級(jí)配組成，不單純追求顆粒的細(xì)度。經(jīng)在新安江壩基灌漿中使用，證明比普通水泥在相同地層中的注入量提高了3倍。（4）使用了穩(wěn)定性高的漿液：在水灰比為1.5～0.28，粘度為0.1～0.9Pa.s，屈服強(qiáng)度為10～49Mpa的范圍內(nèi)，掌握了該項(xiàng)漿液結(jié)石的物理、力學(xué)性能和相應(yīng)的灌漿工藝。1991年在貴州紅楓水電站，在水庫(kù)正常蓄水的情況下，使用穩(wěn)定性漿液，建成了質(zhì)量合乎標(biāo)準(zhǔn)的灌漿帷幕。（5）環(huán)氧樹(shù)脂灌漿：開(kāi)發(fā)出用于高含水條件下的WJ88漿材，包括WJ88-1漿液改性劑和WJ88-2地層預(yù)處理劑及相應(yīng)的施工工藝，成功地用于新安江水電站二、三壩段壩基泥化頁(yè)巖的化灌處理。（6）聚氨酯灌漿：研制成功油性聚氨酯漿材用于鳳灘水電站大壩帷幕處理，彈性聚氨酯材料用于葛洲壩水利樞紐護(hù)坦漏水處理。HW和LW水溶性聚氨酯漿材在龍羊峽、新安江等水電站工程防滲堵漏工程中得到推廣和應(yīng)用。（7）丙烯酸鹽灌漿材料。它是上世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)出的一種粘度低、儲(chǔ)運(yùn)穩(wěn)定性好、防滲性能高、抗擠出能力強(qiáng)的化灌材料。江西萬(wàn)安水電站船閘地基防滲帷幕，原采用水泥灌漿，大部分未達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，后用丙烯酸鹽漿液進(jìn)行補(bǔ)充灌漿才達(dá)到要求。（8）非堿性水玻璃灌漿：我國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制非堿性水玻璃漿材，90年代開(kāi)發(fā)出新型改性漿液。選用兩種以上的酸性材料對(duì)水玻璃進(jìn)行酸化處理，并根據(jù)需要加入改性劑，使其凝膠時(shí)間能夠準(zhǔn)確加以控制，而且強(qiáng)度和穩(wěn)定性大為提高。1996年將這種漿材用于牡丹江市—截污壩帷幕灌漿工程，效果良好。2．2灌漿機(jī)具和灌漿工藝（1）20世紀(jì)80年代研制成功的大型集中制漿、輸漿系統(tǒng)，每日可拌400t水泥漿液，已在龍羊峽等水電工地使用。（2）上世紀(jì)90年代初期研制成功J31型智能灌漿記錄儀。一臺(tái)記錄議監(jiān)測(cè)一臺(tái)灌漿機(jī)，測(cè)記主要內(nèi)容是灌漿壓力、注入率和時(shí)間。（3）1996年在J31智能記錄議的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)出了J31-D多路灌漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)在1000m范圍內(nèi)同時(shí)監(jiān)測(cè)4～16臺(tái)灌漿機(jī)施工。運(yùn)用該系統(tǒng)可同時(shí)完成從數(shù)據(jù)采集到資料整理的全部任務(wù)，適用于各種灌漿方法（包括GIN工法），已在我國(guó)許多工地推廣應(yīng)用。（4）采用小口徑鉆孔，有限高壓循環(huán)灌漿工藝，處理巖溶、斷層破碎帶及軟弱夾層地基，在烏江渡、龍羊峽、巖灘等大型水電站壩基處理中，均取得良好的效果。（5）對(duì)復(fù)雜巖基先進(jìn)行高壓水泥灌漿，然后再輔以環(huán)氧基材料灌漿，可以有效地提高巖體的整體強(qiáng)度。處理后的破碎帶、軟弱夾層，其彈性模量可達(dá)30GPa，抗剪強(qiáng)度可達(dá)9.2MPa，抗壓強(qiáng)度可達(dá)72.7MPa，單位吸水量ω<0.001L/min.m2，巖心獲得率可達(dá)98.2%。2．3灌漿效果檢查從目測(cè)、壓水、注水等常規(guī)方法，發(fā)展到彈性波探測(cè)，室內(nèi)外變形模量檢測(cè)，平洞開(kāi)挖，原位大型剪切試驗(yàn)，室內(nèi)光學(xué)切片鑒定，電子顯微掃描、透射等微觀檢測(cè)等。2．4理論研究近年來(lái)，我國(guó)科技人員對(duì)高壓灌漿力學(xué)機(jī)理，低滲透介質(zhì)灌漿理論，化學(xué)灌漿的親水效應(yīng)，化學(xué)漿液在巖體裂隙中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等都進(jìn)行了有益的探索。2．5GIN新工藝試驗(yàn)研究GIN灌漿法是近來(lái)國(guó)際上正在推廣應(yīng)用的一項(xiàng)新的灌漿技術(shù)，該法是由瑞士專(zhuān)家Lombardi等提出的，GIN（灌漿強(qiáng)度值）的含義為單位灌漿段上所消耗的能量。GIN工法的特點(diǎn)是：（1）整個(gè)灌漿過(guò)程中，使用單一水灰比的穩(wěn)定漿液，灌漿工藝簡(jiǎn)單。（2）整個(gè)灌漿過(guò)程中，保持GIN為一常數(shù)，從而達(dá)到近似常數(shù)的灌漿范圍。對(duì)灌漿全過(guò)程實(shí)施微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控，提高了灌漿質(zhì)量。與傳統(tǒng)方法相比，GIN工法具有優(yōu)質(zhì)、低耗、高效等優(yōu)點(diǎn)、水利部黃河水利委員會(huì)勘測(cè)設(shè)計(jì)院、中國(guó)水利水電基礎(chǔ)工程局及水利部黃河小浪底水利樞紐建設(shè)管理局的科技人員，在小浪底工程大壩基礎(chǔ)帷幕灌漿施工中，在我國(guó)首次引進(jìn)GIN灌漿工藝，取得成功。在GIN法灌漿試驗(yàn)中采取了我國(guó)孔口封閉、自上而下循環(huán)式灌漿法和GIN法灌漿技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)，探索出一套適合我國(guó)國(guó)情的新灌漿工藝和灌漿方法。參考文獻(xiàn)1．FuBingjun.RockMechanicsandRockEngineeringinHydroConstructioninChina,ABriefReviewandOutlookfor21stCentury.NewsJournalISRM,1997,5(1)2．中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)會(huì)編。錨固與注漿全國(guó)首屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，烏魯木齊：新疆科技衛(wèi)生出版社，19953．中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)。中國(guó)錨固與注漿工程實(shí)錄選，北京：科學(xué)出版社，19954．中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)地面巖石工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì)與巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)合編。地面巖石工程錨固與注漿技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集。北京：地質(zhì)出版社，19975．梁炯均主編。錨固與注漿技術(shù)手冊(cè)，北京：中國(guó)電力出版社，19996．Anchoring&Grouting.ProceedingsofInternationalConferenceonAnchoring&GroutingtowardstheNewCentury.ZhongshanUniversityPublisher.19997．Application&DevelopmentofAnchoring&GroutingTechnology.ProceedingsoftheInternationalSymposiumonAnchoringandGroutingTechniques.EconarcConmmunication(Group)LTD,HongKong,19948．W.Y.Zhouetal.TheReinforcementofAbutmentatLijiaxiaArchDam,Proceedingsof9thCongressISRM,Paris,A.A.BalkemaPress,19999．FuBingjun,QiJunxiu,XuShulin.AdvancesandStateofArtsofRockAnchoringTechniquesinHydraulicConstructioninChina,AnchoringandGrouting,EditedbyCommissiononRockAnchoring&GroutingTechniques.CSRME,ZhongshanUniversityPublisher,1999.10．GermanStandardDIN4125,KuzzeitankerundDauer-anker,Novermber,199011．PTIRecommendationsforPrestressedRockandSoilAnchors.PostTensioningManual,FourthEdition,PublishedbyPTIW.Osborn,Suite3500,Phoenix,AZ,8501312．彭振斌主編。錨固工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工。北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，199713．任宗社，鄧德彬。三峽左岸廠房壩段基礎(chǔ)加固預(yù)應(yīng)力錨索施工。中國(guó)三峽建設(shè)，1995（5）14．田裕甲。壓力分散型與拉力型錨索的比較——再論新型錨索結(jié)構(gòu)系列及工程應(yīng)用，OVM通訊2002年第3期，總32期。15．武警水電三峽工程指揮部。永久船閘高邊坡施工技術(shù)研究。湖北宜昌，200116．錨固與注漿新技術(shù)——第2屆全國(guó)巖石錨固與注漿學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)編。北京：中國(guó)電力出版社，200217．世界最新注漿技術(shù)總結(jié)。R.維德曼（R.Widmann）主編。中國(guó)巖石錨固與注漿技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)譯，1996.118．Zhan