防腐锚杆在海底隧道施工中的应用

防腐锚杆在海底隧道施工中的应用
 1 概述 
　　 青岛海底隧道线路全长7120m，其中隧道长6170m（海底段约3950m）。隧道分四个标段，其中第三施工合同段暗挖段3214.3m（海域1700m）。区别于传统隧道施工方法，青岛海底隧道采用格栅拱架喷射混凝土与系统锚杆联合作用的支护方式，从而更好的保证隧道围岩的稳定性。 
　　 2 系统锚杆工作原理 
　　 在当前的隧道支护体系中，系统锚杆是一种十分有效的支护方式，其运用非常广泛，类型也较多，但是系统锚杆在隧道支护体系中到底发挥怎样的作用还不十分清晰。通常认为系统锚杆的加固效应有4种：悬吊效应、增强效应、成拱效应和内压效应。系统锚杆的作用除了上述4种外，在地质条件较差的软肉围岩地段，还有稳定初期支护格栅拱架作用。在于格栅拱架的共同作用中，系统锚杆在在一定程度上稳定了承受较大压力的相对较薄的初期支护，不至使其产生局部或整体失稳，同时系统锚杆还可以减少初期支护与围岩之间的相对位移，防止初期支护产生多大的整体下沉。为了保证初期支护的稳定性，系统锚杆要及时施做，从而起到保证初期支护的承载力，更好的保证围岩的稳定性。 
　　 3 系统锚杆的选择 
　　 3.1 选择依据 
　　 根据《公路工程地质勘察规范》及岩土工程勘察规范》判定，海域及距海域较近处的地下水的化学成分与海水相似，对钢结构具有中等腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性，为了保证初期支护中锚杆的耐久性青岛海底隧道初期支护中系统锚杆在陆域段采用中空防腐锚杆，海域段采用多重防腐锚杆。
　　 3.2 系统锚杆布设分类 
　　 3.3 采用锚杆技术参数 
　　 3.4 锚杆防腐与防腐机理 
　　 埋设在岩土层中的锚杆结构的使用寿命取决于锚杆的耐久性，对锚杆寿命的最大威胁则来自腐蚀。根据目前技术研究的成果，钢锚杆在地层中的腐蚀有化学腐蚀、电化腐蚀、高应力腐蚀和散乱电流腐蚀4种，而其中又以电化腐蚀和散乱电流腐蚀为主，这主要由地层中的酸碱度和导电性等腐蚀介质通过地下水和空气与锚杆的外表面接触引起。锚杆的防腐就是采取隔离和绝缘措施，使存在于地层或岩体裂隙中的水与空气尽量不与锚杆体接触。通常采用的隔离方法有注浆包裹保护、锚杆涂（树脂）镀（锌）法、套管隔离法等。 
　　 3.5 多重防腐锚杆 
　　 多重防护锚杆是综合了上述防腐方法中的二种以上的防腐措施，在锚杆的全长上套有PE塑料的套管，锚杆安装时在锚杆体与套管内壁和套管外壁与钻体之间注水泥浆，固结后即成多重防腐锚杆。若采用镀锌锚杆体(三重防腐结构)，则防腐性能更可靠。 
　　 
　　 4 系统锚杆施工工艺 
　　 4.1 钻孔 
　　 青岛海底隧道系统锚杆孔采用三臂台车钻孔，孔径采用50mm钻头，由于三臂凿岩台车在钻孔的过程中使用高压水直接进行清孔，因此在钻孔完毕可以直接进行锚杆安装。 
　　 4.2 锚杆的组装 
　　 在全螺纹实心锚杆一端旋入涨壳锚固件→装入波纹套管→套入垫板→安装球型→把球型囊体套入波纹套管使球型囊体与套管紧密连接→拧上螺母 （螺母暂时不拧紧） 组装完毕，其效果图如带球形注浆囊的多重防腐锚杆局部剖视图（2） 
　　 4.3 锚杆的安装 
　　 把组装好的锚杆带涨壳端放入以清完的锚杆孔中，徐徐推动锚杆，使杆体95%没入孔中，调整垫板位置，使其紧贴混凝土表面。 
　　 4.4 注浆 
　　 4.4.1 注浆前准备工作 
　　 （1）用扭力扳手拧紧螺母，达到设计扭矩，给锚杆施加预应力。 
　　 （2）为保证水泥浆液不从垫板与混凝土面接触位置流出，在注浆前先用水泥砂浆把垫板周边与混凝土接触位置锚固封闭，待砂浆强度达到设计强度在进行注浆。 
　　 （3）机械设备准备 
　　 4.4.2 配制水泥浆液 
　　 （1）水泥浆液配比的选择 
　　 中国工程建设标准协会颁布的标准CECS22：2005《岩土锚杆（索）技术规程》中第8.4.2中有“宜选用水/灰比0.40～0.45。但根据青岛海底隧道施工经验，大水灰比的浆液虽有易于充填索所钻孔的裂隙的优点，但其不利的弊端更多。 
　　 ①大水灰比的注浆液固结后的强度比小水灰比注浆液固结后的强度低。 
　　 ②大水灰比的浆液凝固后的收缩率大，注浆体育钻孔壁剑易于产生缝隙，注浆体柱本身在收缩时又会因拉应力产生裂纹，这样既会降低锚杆安装后的抗拔力，又会因缝隙或裂纹存在积水加快锚杆杆体锈蚀。有实验表明，水泥浆中的水灰比在0.38时凝固后的收缩率为3.6%，而水灰比在0.5时的收缩率高达6.4%。 
　　 ③在向上安装锚杆的作业中，大水灰比注浆后卸下注浆接头时，所注入的浆液要从注浆孔和排气孔中漏掉一些，这样锚杆孔中的下部就会因漏浆而空掉一截，或是因下边漏上边的浆液下落使上边局部形成空隙，造成注浆不饱满的缺陷，锚杆体上没有被注浆体包裹着的部位就会早早被锈蚀，从而降低系统锚杆的使用寿命，进而会影响整个隧道的耐久性。 
　　 因此，为保证锚杆的注浆质量，区别于常规隧道水泥浆液配合比，青岛海底隧道水泥浆液配合比采用0.35的小水泥比水泥浆液。 
　　 （2）配制水泥浆液 
　　 在各种准备工作完成后通知实验室，经实验人员现场指导配制水泥浆液，水灰比0.35。 
　　 4.4.3 注浆 
　　 （1）注浆泵的选择 
　　 由于系统锚杆浆液水灰比选用0.35的小水灰比浆液，虽然小水灰比其他性能比大水灰比具有很大的优越性，但由于水灰比较小，水泥浆液属于较稠的浆液，其流动性差、粘结力强，易凝固，阻塞注浆管道，所以常规活塞式或柱塞式注浆泵注浆已很难胜任，所以青岛海底隧道经专家推荐使用G型单螺杆泵作为注浆工具。 
　　 （3）注浆过程中浆液的流动过程 
　　 ①注浆液由注浆囊(钢质球形或塑料筒形)上的注浆孔注入, 浆液在压力作用下由锚杆体和防腐套管形成的环状空间的注浆囊端往涨壳(锚头)端流动并充满这一空间.这时钻孔内的空气由防腐套管与钻孔孔壁间的环状空间经垫板上的排气孔排出. 
　　 
　　图2 浆液流动效果图 
　　 ②注浆液到达涨壳端由套管内挤出充满涨壳部的空间,在压力作用下,又着防腐套管与钻孔孔壁间的环状空沿间往注浆囊端返回,直至浆液由垫板上的排气孔溢出,注浆过程完成.注浆液到达涨壳端由套管内挤出充满涨壳部的空间,在压力作用下,又沿着防腐套管与钻孔孔壁间的环状空间往注浆囊端返回,直至浆液由垫板上的排气孔溢出,注浆过程完成。 
　　 
　　图3 浆液流动图 
　　 5 质量控制 
　　 5.1 锚杆的控制 
　　 严格按照设计规范要求，对不同围岩段锚杆的材料、规格、尺寸进行控制。 
　　 5.2 锚杆孔的控制 
　　 钻孔前，应由技术人员按设计要求对锚杆孔位的布设进行定位，三臂台车大臂钻孔时要沿隧道径向进行钻孔，钻孔长度不得短于设计要求。 
　　 5.3 预应力的控制 
　　 在注浆前对锚杆施加预应力，用扭力扳手拧紧螺母，使其达到设计扭矩。 
　　 5.4 水泥浆液配合比的控制 
　　 严格按照设计规范要求，由试验人员现场指挥对水泥浆液进行配制。 
　　 5.5 注浆压力的控制 
　　 注浆压力必须达到设计规范要求才能进行下一锚杆的注浆。 
　　 6 效果评价 
　　 对所安装系统锚杆按1%做抗拔试验，28d拔力平均值≥设计值；最小拔力≥0.95设计值，均超过规范要求≥0.9设计值。 
　　 7 结语 
　　 对于青岛海底隧道，特别是海域段，系统锚杆的安装与注浆是重点也是难点，本文从锚杆的作用机理、防腐锚杆的防腐机理及对海底隧道系统锚杆的施工工艺进行阐述和总结，为以后类似的工程提供了一些经验。