自进式锚杆在隧道不良地质段施工中的应用

崔 博

（山西省交通建设工程监理总公司，山西 太原 030012）

1 工程简介

火烧庵隧道位于国家重点工程杭州—兰州高速公路重庆巫山至奉节段A1合同段，隧道起讫桩号左 幅 ZK0+012.093—ZK2+837， 右 幅 YK0+011—YK2+895，为一座上下分离式四车道高速公路长隧道。隧址山体位于泥质、砂质碎屑岩分布区，地下水丰富。组成山体的岩层为粉砂质岩、夹泥岩，薄至中厚层状，该段受地质构造影响重，节理裂隙发育，将岩体切割成块状结构，同时地下水丰富，拱部出现大量渗水，局部出现线状和股状水，将泥岩软化，致使围岩稳定性极差。

2 施工及塌方状况

2013年1月16日火烧庵隧道左线开挖至ZK1+960时，拱部出现坍塌、掉块，掌子面前进方向左侧拱部坍塌较大，高度约2 m，有股状水从塌腔中流出，不时有块石从拱顶坠落，围岩一直处于未稳定状态，至1月18日晚，ZK1+960掌子面拱顶突然大面积坍塌，坍体将掌子面封闭，坍方量400～500 m3，塌方纵向长度约12 m，高度6～8 m。

3 塌方成因分析

火烧庵隧道塌方前施工段地质及地质超前预报资料，经初步分析，认为隧道周边围岩属砂质岩，地质构造影响严重，节理裂隙发育，岩石切割严重，主要由强风化砂岩块状堆积而成，节理间含5～30 mm厚的泥化夹层，黏结力小，在未扰动的情况下处于平衡状态，开挖后新的临空面形成，应力重新分布，初期支护施做不及时造成围岩失稳塌方，形成多米诺效应而产生大规模坍塌；其次是地下水丰富，通过裂隙进入岩体，在地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解下加剧了岩体失稳，加速了层间移动，最终形成大面积坍塌。

4 施工方案比选

4.1 普通大管棚

根据现场坍塌实际情况来看，坍塌体主要由切割整齐大小不等的块石及强风化砂质岩组成，中间夹杂少许松碴，且局部间隙较大。而常规大管棚施工时需要先用潜孔钻成孔，之后安装钢管，在钻孔过程中由于岩体节理裂隙发育，钻头在坍塌体中钻进时，由于裂隙等原因会使钻杆偏离钻孔中心，造成孔体不顺直，或者由于塌腔体较为松散，孔体内容易坍塌而致使塌孔，从而给钢管的安装带来困难，或者钢管安装过程中卡管而致使该孔体报废，需重新钻孔。大面积的钻孔会导致本来松散的塌腔体更加破碎而增加钢管安装的难度，从而导致工期的延长。

4.2 自进式锚杆

自进式锚杆注浆思想于20世纪70年代末80年代初发轫于奥地利，它的设计思想符合新奥地利隧道施工法（NATM）的理论，且适应能力强，可保证在软弱、破碎围岩地层中的锚固效果。该系统于20世纪90年代初引入中国后在水利、水电、公路、铁路、城市地铁等多个行业的岩土工程中投入应用，现已成为处理隧道塌方、冒顶、大变形等地质灾害的一种行之有效的常用工法。

自进式锚杆是一种集钻进、注浆、锚固功能为一体的锚杆，能够在软弱、破碎、松散岩层中形成较好的注浆锚固效果，具有操作简单、锚固高效等特点，其构造如图1所示。钻头形式有多种，可适应于不同岩层中的钻进；杆体为中空厚壁全螺纹型，并配有连接套，便于锚杆连接和加长及施加锚杆垫板；小直径自进式锚杆只须用气腿风钻即可实现锚杆的安装；专用止浆塞和注浆接头，可实现高压注浆，保证注浆效果，并方便操作，实现快速注浆[1]。具体工艺如下：

a）钻孔时只需调整好钻机的钻进角度，套上专用的纤尾套，将锚杆与纤尾套连接牢固，并在第一节锚杆的前端套上钻头即可钻进，并可现场拼接锚杆，当一节锚杆钻进后，在前一节锚杆的尾部套上带有人工涂抹润滑剂的连接套后再连接好后一节锚杆，直到每根锚杆钻到需要长度。

b）注浆作业与常规压浆作业相同，只需保持压浆高压管顺直，保持稳定压力将浆液注入。压浆量根据压浆泵压力的大小或根据灰浆搅拌机的消耗速度确定，但必须要有回浆。压浆完毕后，立即安装好止浆塞，再进行锚固，将垫板套在锚杆外露部分，与地表或岩层密贴，在垫板外上好球形螺母。

c）由于自进式锚杆的溢浆孔在钻头处，更容易将浆体通过稳定压力输送到破碎岩层、软弱岩层、节理发育岩层的裂隙中，从而起到牢固胶结的作用。当将钻头前方的浆液饱和后自然返浆，使整个塌腔体的浆体饱和。但必须通过试验控制浆体的凝固时间，避免浆液在未注满的情况下初凝而导致注浆效果不理想。

图1 自进式锚杆结构示意图

4.3 方案比选

如上所述，大管棚支护由于钻孔和安装管体较为困难而致使工期较长，虽注浆扩散效果较好，但在隧道洞内不宜操作。自进式锚杆施工简便、速度快，又能保证注浆效果。综合两种方案的优劣，该段塌腔决定采用自进式锚杆注浆后使其塌体得到一定的稳固作用，再在自进式锚杆中间施作超前小导管注浆，从而达到整体的注浆效果，之后按照三步台阶法人工开挖塌体，以减小爆破对塌腔体的扰动，从而安全渡过塌方段。

5 自进式锚杆施工

5.1 施工参数和工艺流程

根据地质超前探孔数据显示，塌方区纵向长度10 m，再结合现场实际情况，以采用长12 m T60自进式锚杆对拱部120°范围坍塌体先期注双液浆加固，同时为φ42小导管成孔创造条件，以便对塌腔第二次补浆，进一步对塌腔进行加固，φ42小导管与T60自进式锚杆交叉布设，具体参数见图2、图3。

工作面喷混凝土封闭→施工平台→锚杆布眼→锚杆钻进→安装止浆塞→锚固剂孔口周边堵20 cm深→连接好注浆设备→压注水泥浆液→检查注浆效果→三台阶开挖→初期支护→二次衬砌[1]。

图2 塌方处理立面图

图3 塌方处理剖面图

5.2 施工平台

考虑平台稳定性和以后三台阶开挖，施工平台采用石碴回填，平台修筑成梯形状 (见图4虚线部分)，以方便潜孔钻的施工和减少修整平台的时间。平台最高处距离拱顶2 m，宽度3 m，纵向长度5 m。

图4 施工平台立面图（单位：cm）

5.3 锚杆钻进

锚孔位置按设计环向间距精确布点，并明确标识后即可开始钻进作业，钻机定位要调整好钻进角度，瞄准孔位，启动钻机，缓慢移动机头，开始钻速不宜过快，等钻进50 cm以上深度方可转入正常转速钻进。

5.4 注浆加固

经试验表明，水泥、水玻璃双液浆的结石强度和水泥浆浓度、水玻璃浓度、水泥液和水玻璃液的体积比有关，根据胶结要求，双液注浆质量配比为水∶水泥∶水玻璃 =（0.8～1）∶1∶（0.08～0.20），水玻璃波美度为38～43°Bé，模数为2.4～3.0[2],施工时根据现场试验确定比例。

注浆参数根据围岩的工程地质和水文地质（如围岩孔隙率、裂隙率、渗透系数、涌水量、水压等）并结合实验来选择确定，并需满足施工要求和环境保护要求。

注浆压力和扩散半径采用经验值低压注浆和扩散半径，压力范围0.6～1.5 MPa，采用ZTG-60/120型双液注浆泵注浆，压注顺序自下而上，注浆前应先用纯水泥浆试压约1 min，无问题后按照设计配比进行注浆，扩散半径为0.6～0.8 m。

压浆浆液必须按配合比拌浆，不得私自任意更改。浆液应易于泵送且在输送过程中不离析、不沉淀。

5.5 超前小导管补注浆

自进式锚杆注浆结束后，待浆液终凝且有一定强度后方可施工超前小导管，小导管注浆采用隔孔注浆法进行灌注。

5.6 顶水注浆

在自进式锚杆或小导管施工过程中出现局部大面积渗水或股状涌水时，采用胶凝时间较短的水泥、水玻璃双液浆在涌水点附近2 m范围内顶水注浆。注浆时应从出水量较小的地方开始，依次封堵出水量较大的孔，最后对出水量大的孔进行顶水注浆，直至达到注浆结束标准。

6 开挖作业

在超前注浆支护完成后按照三步台阶法进行开挖，断面开挖尽量采用人工风镐凿出的方法进行，在遇到较大、较硬的围岩时可采用局部小药量预裂爆破法进行爆破。开挖作业到超过塌方段10 m范围后，开挖工艺改为上下台阶法施工。

7 效果分析

a）施工速度快。钻进安装T60 mm/12 m长自进式锚杆，平均施工时间在1 h左右，缩短了塌方处理时间，加快了工程进度，也满足塌方处理的基本原则。

b）自进式锚杆的结构杆体可以任意切割和延长，方便了锚杆长度的调整，使在狭窄的场地安装长锚杆变得容易。自进式锚杆杆体外表面为全长标准波形螺纹结构，与光滑杆体相比增加了锚杆体与注浆材料的黏结面积，从而提高了锚固力。

c）施工安全可靠。从掌子面开挖效果看，自进式锚杆跨越塌方区，形成超前支护，锚杆体形成混凝土柱体，相互连接，形成棚体承载拱，取得很好的管棚效应；坍塌体松散石碴通过大量注浆，石碴之间空隙被填充，并把砂岩石块和土粒连结在一起，从而加强了松散体的整体性，避免了拱部再次坍塌，保证了施工安全。

d）自进式锚杆施工工艺简单，解决了隧道管棚施工卡钻的问题，省去隧道管棚支护必须在洞内先行施工套拱的难度，比管棚超前支护具有一定的优越性。

e）自进式锚杆超前施工缺点是工程造价相比管棚支护有所提高，制备水泥水玻璃浆液必须做好工人劳保防护，要求必须佩带防风眼睛和橡胶手套，全身衣服密封，防止水玻璃灼伤肌肤。水泥水玻璃要求搅拌均匀，注浆工作要求熟练工操作，动作要迅速，防止浆液凝固。注完浆液要及时清洗注浆设备及管道。

8 结束语

通过采用自进式锚杆结合小导管超前注浆的处理，火烧庵隧道左线顺利通过塌方段，施工中充分发挥新材料、新工艺的作用，合理利用现有配置资源，节省了处理时间，提高了工效，确保了施工安全，对类似的隧道塌方处理有很高的借鉴意义。