自进式锚杆在松散堆积体隧道施工中的应用

史东志 王建光 乌呢日

(中交路桥华东工程有限公司，上海 201203)

1 概述

巴基斯坦KKH项目位于巴基斯坦北部克什米尔地区，处于帕米尔高原腹地，区内重峦叠嶂，峡谷深切，雪峰林立，地貌以高山峡谷为主。在巴基斯坦KKH堰塞湖改线项目隧道施工中，路桥2号隧道进洞口段地质较为特殊。该段长110 m，为第四系崩坡积块石夹碎石，厚度较大，整体松散，物探测试波Vpl=500～1 400 m/s，Vml=240 ～600 m/s。地下水不发育，主要为基岩裂隙水，水量较贫乏。围岩稳定性极差，易产生大的坍塌和冒顶。

这种地质主要由块石、碎石、堆积土及流沙组成，开挖时应尽量减小扰动，主要采取局部爆破辅助机械开挖的方法进行开挖施工，开挖成形后需立即进行支护施工。新奥法施工中，初期支护采用锚杆、钢筋网和喷射混凝土组合在一起的喷锚支护形式。但在该种地质中，钻孔困难，易卡钻且难以成孔，传统的全长黏结型锚杆及超前小导管等无法施工。

该段原设计采取先从原地表进行钻孔，嵌入隧道设计路面高程以下8 m，下φ89注浆钢管进行预注浆，后进行开挖。但施工过程中证明，由于孔深过长，部分孔深达到40 m以上，无法及时掌握松散体浆液渗透、扩散情况，所以地表预加固措施对于这种大体积松散堆积体固化效果并不理想，造成开挖支护施工异常艰难。针对这种情况，在超前支护和喷锚施工中采取了自进式锚杆代替超前注浆小导管及中空注浆锚杆施工的方法，取得了良好的效果。

图1 自进式锚杆的组成示意

2 自进式锚杆施工技术原理

自进式锚杆由钎尾、钎套、锚杆杆体和合金钻头组成，如图1所示。钎套一端沿锚杆杆体螺纹旋紧，另一端与钎尾相连，锚杆杆体端头安装合金钻头。钎尾与钎套是连接锚杆杆体与凿岩机的传动装置，装卸都十分便捷，可重复使用。自进式锚杆结合了钻杆与中空注浆锚杆的功能，锚杆杆体为中空，按梅花形设置，有注浆孔，并配备注浆接头，可进行注浆加固施工，固化软弱、松散岩层，加强围岩稳定性。同时，杆体表面的连续螺纹加强了锚杆自身的黏结阻力，保证锚固效果。

自进式锚杆代替超前注浆小导管进行超前支护施工时，可按设计要求进行钻进，钻进到设计长度后进行注浆，自进式锚杆注浆扩散范围根据围岩密实程度而有所变化，在松散堆积体中其扩散范围约0.5 m，故锚杆应按环向间距小于0.5 m设置，当围岩过于松散或浆液扩散范围较小时可进行加密或双层交错设置，确保浆液渗透，使围岩固结为一体，与锚杆结合形成环向壳体，为下一循环开挖施工的顺利进行提供保障。

自进式锚杆代替中空注浆锚杆进行径向锚杆施工时，沿钢拱架按设计环向间距进行钻进，并进行注浆。注浆可以将已开挖围岩进行固结，并与拱架、钢筋网片、喷射混凝土结合为一体，形成支护体系，保证隧道的稳定性。

3 自进式锚杆施工工艺及流程

3.1 施工准备

根据工程数量、隧道规模选择机械设备及材料数量，以满足施工需要为宜。下面以一循环自进式锚杆代替超前注浆小导管进行超前支护为例进行介绍。

(1)机械设备

钻进设备:自进式锚杆可采用手持风动凿岩机，也可采用全液压凿岩台车进行施工，可根据工程量及施工需要进行选择。

注浆设备:电动拌浆机一台、双液注浆机一台、注浆接头及注浆管等。

(2)主要材料

φ32自进式锚杆、水泥、水玻璃、速凝剂、水等。

3.2 施工方法

(1)钻进

首先将自进式锚杆进行组装，钎尾与钎套相连，钎套沿锚杆杆体螺旋旋紧，在锚杆端头安装合金钻头。在钻进前进行测量放样，沿拱架外侧环向40 cm设置孔位，放样结束后以10°外插角进行钻进。

钻进至杆体尾部10 cm，将凿岩机卸下，取下钎尾及钎套，安装止浆塞和锚垫板后，用螺栓锁紧，开始下一循环的钻进。若单节锚杆不能达到设计深度，可将锚杆采用连接套进行加长后继续钻进。

(2)注浆

钻进完成后，卸掉钎尾和钎套，在锚杆尾端旋紧注浆接头，开始注浆。注浆材料为水泥浆，水灰比为1∶1，注浆压力为0.5～1.0 MPa。如果地下水较大时采用水泥—水玻璃浆液，采用双液注浆机进行注浆。水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃浓度35波美度，水玻璃模数为2.4。

注浆应遵循由两侧向中间依次注浆的原则，两侧锚杆进行注浆时，可按水泥重量的2% ～3%掺加速凝剂，使两侧孔内浆液尽快凝固形成帷幕，防止浆液由两侧边墙流失。注浆压力应由高到低逐级变换，待注浆压力达到1.0 MPa时，可观察压力表指针是否稳定，待指针稳定在1.0 MPa时，关掉注浆机，完成注浆。在注浆过程中，注意观察是否有浆液从相邻锚杆内或开挖工作面流出，如有出水则立即停止注浆，采取封堵措施后，再进行注浆。也可先进行下一锚杆的注浆，待所有锚杆注浆完成后，再对有漏浆情况的锚杆进行二次注浆，以保证水泥浆的扩散范围，确保整个杆体被水泥浆包裹。

自进式锚杆施工工艺流程如图2所示。

图2 自进式锚杆施工工艺流程

自进式锚杆施工注意事项:

①锚杆组装前应检查钎尾、钎套、锚杆体注浆孔和钻头的水孔是否畅通，若有堵塞应及时清理。

②自进式锚杆属刚性材料，运输过程中应防止弯曲、扭转，不得对其进行电焊、氧割等二次加工，避免因锚杆刚度受损造成钻进过程中杆体发生变形或脆断 ，甚至造成安全事故。

③自进式锚杆单节长度不宜超过300 cm，如设计长度较长，可逐节钻进，管节间采用连接套进行连接。

④如果开挖工作面围岩过于松散，在锚杆钻进前应先对工作面进行喷射混凝土封闭施工，喷射混凝土厚度不小于5 cm，以避免注浆过程中浆液外漏，影响注浆效果。

4 自进式锚杆的特点

4.1 多功能

自进式锚杆是集钻进、注浆、锚固功能为一体的特殊型锚杆，一次钻进到设计深度后进行注浆，同时达到固化围岩和锚固的双重作用，可以有效解决松散堆积体隧道喷锚施工中出现的不成孔、塌孔和难以成孔等问题，比其他全长黏结式锚杆更能发挥永久支护的作用。

4.2 快速经济

自进式锚杆施工方法简单快捷，对机械、人员的要求较低，一次性成孔注浆，可大大缩短作业时间，对于不稳定岩层起到快速支护的作用。

4.3 安全适应性强

自进式锚杆作为永久支护与围岩结合为一体，形成固化壳体，可大大提高施工安全性，适用于各种松散、不稳定的地质地段。

经过巴基斯坦KKH堰塞湖改线项目2号隧道进口110 m长大体积松散堆积体隧道施工中自进式锚杆的应用，证明自进式锚杆是目前解决此类围岩初期喷锚支护问题最为高效、可靠、经济的施工方法。

5 自进式锚杆的适用范围

特殊地质地段隧道的施工为隧道工程中的难点，主要包括松散堆积体、断层破碎带、溶洞、膨胀性围岩、流沙、黄土和冻土等。在进行开挖、支护和衬砌施工过程中，都可能因各种因素的综合影响而发生围岩土石坍塌、受压支撑变形、衬砌结构断裂以及各种特殊施工问题，严重影响施工进度、安全和质量。在隧道通过这些地段时，都可采用自进式锚杆代替超前注浆小导管、砂浆锚杆、中空注浆锚杆等进行施工，起到快速支护、稳定围岩的作用。特别是松散堆积体、断层破碎带、流沙等难以施做其他全长黏结型锚杆的地段，应优先采用自进式锚杆施工工艺。

对于处理隧道冒顶、坍塌、治理病害及止水处理等问题时，自进式锚杆施工亦可发挥较为高效的作用。

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