预应力锚索在隧道拱顶掉块处理中的应用

摘要：运营铁路隧道拱顶常存在掉块、脱空等病害，直接影响列车的运营安全和结构的健康服役。由于运营铁路隧道内作业天窗时间短、空间小，对高空作业技术要求高。文章以神朔铁路蛇口峁隧道衬砌拱顶病害整治工程为例，提出预应力锚索加固的新型病害整治方案，以提高隧道拱顶的承载能力，改善结构的受力性能，取得良好的工程效果。

关键词：预应力锚索；隧道加固；隧道拱顶；掉块；脱空；铁路隧道 文献标识码：A

中图分类号：U457 文章编号：1009-2374（2016）01-0049-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.025

1 工程概况

神朔铁路是国家Ⅰ级重载铁路，承担着国家西煤东运的重任。神朔铁路管内蛇口峁隧道位于黄羊城沟及新城川河的分水岭地段，为穿越蛇口峁的越岭双线隧道，全长5804m，里程K55+663～K61+467。自隧道投入运营以来出现了一定程度的病害，本文针对该隧道拱顶掉块的病害，结合预应力锚索在煤矿加固的应用，对预应力锚索在隧道病害整治中的应用做了一些简单的探究。

2 病害整治历史及当前病害情况

本隧道自1996年7月起左线铺轨运营，运营中发现有拱部开裂、局部掉块、渗漏水及水沟断裂等病害现象。中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司提出对隧道病害的调查和整治要求。施工单位分别于1997年、1998年、2000年进行了整治：1997年整治工作主要针对拱墙裂缝、混凝土掉块、隧底开裂及下沉、水沟断裂、电缆沟开裂、拱部及边墙空洞等；1998年整治工作主要针对拱墙裂缝、边墙错台、渗漏水、拱部及边墙空洞等；2000年整治工作主要针对拱墙裂缝、渗漏水、局部隧底开裂及下沉、水沟断裂、拱部及边墙空洞等；2001年根据调查和勘探，并结合工务部门反映的情况，蛇口峁隧道隧底目前不存在翻浆冒泥现象，病害主要仰拱有下沉现象，对该段采用拆换处理；2011年4月20日根据河西运输段的汇报，蛇口峁隧道多处地段出现不同程度的掉块，其中严重部分为491m。

3 预应力锚索的设计

对拱部掉块及裂纹严重地段（491m）进行拱部奥斯特网+[20b槽钢+Φ22岩石预应力锚索+Φ42锚管注浆加固。

第一，在距内轨顶面高约5.75m以上拱部设置[20b槽钢，纵向间距1榀/m，二衬钢架拱脚部位进行适当切除，保证钢架不侵入建筑限界，槽钢预留锚索及锚管孔洞位置。钢架采用银色金属用防腐油漆涂装防腐，涂装前钢架表面应按现行国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB 8923）的规定进行除锈处理，处理后的钢架表面不应有焊渣、焊疤、灰尘、油污、水和毛刺等，涂层干漆膜总厚度不应小于150μm，允许偏差为-25μm。

第二，钢架与二衬之间采用RXI-075型奥斯特高强度防腐网（孔径为5×6cm双绞六边形镀复合锌铝合金）对二衬可能的掉块进行防护。

第三，分别在拱顶、拱腰（左右各1根）及拱脚（左右各1根）槽钢预留孔位置进行Φ22mm岩石预应力锚索施工，钻孔直径42mm，深度6m，锚固段长度1m，自由段长度5m。钢绞线预留0.5m张拉长度，端头设25cm×15cm×1.5cm（长×宽×厚）垫板固定在槽钢上。注浆采用水灰比0.4～0.6∶1的水泥浆，采用HSC快凝快强水泥，张拉采用YDC250Q前卡千斤顶，初始张拉力30kN，预设计承载力250kN。

第四，分别在应力锚索之间进行Φ42锚管施工，锚管长4m，左右侧各两根（即环向间距2.1m），端头设碗形垫板固定在槽钢上，锚固浆液采用压注M20水泥砂浆液。

Φ42锚管施工应严格按照有关施工工艺施工。锚管采用Φ42热轧无缝钢管，外径42mm，壁厚3.5mm。锚管施工应注意以下事项：（1）锚管杆体使用前平直、除锈、除油。应在杆体前端应预留注浆孔；（2）采用M20水泥砂浆锚固，M20水泥砂浆配制时易采用中细砂，粒径不应大于2.5mm，砂胶比宜为1∶1～1∶2（重量比），水胶比宜为0.38～0.45。

4 Φ22mm岩石预应力锚索施工工艺

Φ22mm岩石预应力锚索属柔性锚杆，简称柔锚。本次设计中锚索长度为6m（锚固长度1m）。

第一，柔性锚索施工工序。锚索施工工艺流程如图1所示：

第二，柔锚杆体加工。采用标准单股钢绞线作为锚索承力结构。钢绞线直径22cm，长6.5m，其中锚固段长1m，自由段长5m，张拉段长0.5m。锚索加工及安装见图2：

图2 锚索加工及安装图

注浆管为内径15mm的胶管，长度与钢绞线相同，绑扎在钢绞线上，在药卷锚固剂附近开一个出浆口。

第三，柔锚成孔。按照技术交底规定的位置进行钻孔。为避免塌孔和卡钻，钻孔采用普通YT-28型手持风钻钻孔，钻头直径42mm。

第四，锚及止浆。在钢绞线端头（锚固端）放置高强度树脂药卷锚固剂，缓慢转动钢绞线将3～5卷锚固剂送入锚固端直接将锚索顶紧，利用HSC灌浆料进行止浆。

第五，预应力施加。（1）张拉时间：高强度树脂药卷锚固剂完成24～36h以内开始张拉，具体工序安排为中间隔1个循环；（2）张拉办法：在锚索尾部安装垫板及锚具，采用YDC250型千斤顶进行张拉；（3）垫板为钢板，尺寸为15mm厚钢板，锚具为特制配套产品；（4）张拉缓慢进行，达到3t时停止张拉并锚固。

第六，注浆。（1）浆液：浆液为硫铝酸盐快凝水泥浆，浆液在36h时强度达到10MPa以上；（2）水泥：硫铝酸盐水泥加特种外加剂HSC灌浆料；（3）配合比：硫铝酸盐水泥水泥浆∶水灰比为0.6～0.8∶1，外加剂掺量：3%。HSC灌浆料水灰比为0.6～0.8∶1，外加剂掺量1%；（4）注浆设备：注浆泵使用注浆压力7MPa的KBY-50/70双液泵；（5）注浆参数：扩散半径为10cm，压力为1.0～1.5MPa，单孔注浆量由现场试验确定；（6）注浆工艺：先敞口注浆，当孔口出浆后，停止注浆，用HSC灌浆料封口，20min后继续注浆达到设计注浆压力后持续注浆3min后，停止注浆。在注浆过程中，应严格按配比操作，准确、熟练地控制泵的压力和流量，以实现要求的配合比，要尽可能地保证连续注浆。

第七，锚索施工前应在现场进行施工、安装及拉拔试验。

5 施工方法及注意事项

第一，施工方法。隧道内作业施工均采用天窗点施工。拱部钢架及注浆均采用轨道车牵引平板车，平板车不少于4辆，分别存放钻孔设备、钢架安装设备、注浆设备及原料设备。钻孔设备要保证有3台风枪（备用1台）同时工作的能力，钢架安装设备要有举高装置。隧底注浆设备存放在大（小）壁车洞内，做好安全防护。

第二，注意事项。（1）锚索初始张拉力根据现场试验情况进行调整，为防止在施工时张拉出现拱顶被拉裂的情况，拱顶锚索张力不宜过大，拉紧即可；（2）为了确保浆液整体的黏结，灌浆时中途不应停止，注浆要直至孔口有浆液溢出为止，若无浆液溢出应进行补注；（3）为保证锚索实际应用的效果，在施工时完成拉拔实验。

6 结语

通过锚索工艺在营业线隧道病害整治上的实际应用及整治效果分析，此工艺值得推广和应用：（1）该工艺不仅可以避免隧道掉块，同时通过张拉可以使隧道衬砌处于受力状态下，对运营多年隧道衬砌稳定具有很好作用；（2）预应力锚索在施工过程中可以根据衬砌后空洞大小及时调整锚索长度，避免不必要的材料浪费。

参考文献

[1] 邢天恩.赣龙铁路复杂地质条件下的隧道病害整治

[J].石家庄铁道学院学报，2004，（S1）.

[2] 徐家慧.桥隧结构综合检测与相关探讨[J].四川建筑，2005，（3）.

[3] 马建，孙守增，杨琦，等.中国隧道工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报，2014，（5）.

[4] 张金朋，吴红刚，余云燕.预应力锚索对洞室的加固机理试验研究及数值分析[J].岩土工程技术，2012，26（1）.

[5] 徐青，徐寅，陈胜宏，等.复杂岩质边坡预应力锚索优化设计[J].长江科学院院报，2011，（2）.

[6] 顾欣，夏元友，陈安敏.预应力锚索对洞室的加固机理试验研究及数值分析[D].武汉理工大学，2006.

[7] 师晓权，张志强.软弱围岩隧道掌子面稳定性控制及预加固技术研究[D].西南交通大学，2012.

[8] 刘赟君，谢蒙均，黄丹，等.季节性暴雨后某高速公路隧道病害及整治[J].隧道建设，2015，（5）.

[9] 铁路隧道设计规范[S].

[10] 铁路隧道喷锚构筑法技术规范[S].

[11] 铁路隧道防排水技术指南[S].

[12] 铁路隧道工程施工技术指南[S].

[13] 铁路隧道工程施工安全技术指南[S].

[14] 铁路隧道工程施工质量验收标准[S].

作者简介：宫孟飞（1981-），中国神华神朔铁路分公司工程师，研究方向：铁路工程管理。

（责任编辑：陈 洁）