迈式锚杆预加固隧道破碎围岩体的应用

崔昌洪熊成宇张强

文章编号：1000033X（2016）12008904

收稿日期：20160524

摘要：迈式锚杆在处理边坡治理，软弱松散体等施工中有广泛的应用，以云南大丽高速公路黄山隧道处理隧道松散体坍塌体采用迈式锚杆预加固为实例，通过对施工工艺、注浆后锚固效果、力学性能、经济性进行分析后，确定迈式锚杆洞内处理松散坍塌体不仅安全、快速，还具有较好的综合经济性，在类似隧道工程施工中，有较强的推广意义及适用价值。

关键词：迈式锚杆；超前管棚；破碎围岩；预加固

中图分类号：U455.77文献标志码：B

Application of Selfdrilling Anchor in Prereinforcement of Tunnel Surrounded by Broken Rocks

CUI Changhong1， XIONG Chengyu2， ZHANG Qiang2

（1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，

China； 2. The Fourth Engineering of CCCC First Highway Engineering Co.， Ltd.， Nanning 530031， Guangxi， China）

Abstract： Selfdrilling anchor is widely used in slope treatment and for construction in soft and loose soil. Huangshan Tunnel of DaliLijiang Expressway in Yunnan Province， where the selfdrilling anchor was applied for prereinforcement of the loose and collapse body， was taken to study the construction technology， anchoring effect after grouting， mechanical properties and economic benefit. The results show that treating loose and collapse body around the tunnel with selfdrilling anchor is safe and fast and economic， and it should be popularized in tunnel projects.

Key words： selfdrilling anchor； advanced pipe roof； broken surrounding rock； prereinforcement

0引言

20世纪80年代末期，针对大型地下工程中由于复杂地层造成的施工进程缓慢的问题，奥地利从事岩土锚固技术专用机具研制和销售的迈式岩土锚固机具有限公司推出了新奥施工法（NATM），并且设计了集钻进、注浆、锚固为一体的新型自钻式锚固机具，以保证在破碎岩石层、松软岩土层和地质结构复杂地段施工时，达到快速锚固的目的[13]。

随着国家西部大开发的决策，一大批西部领域的工程项目陆续开工建设，迈式自钻式锚固钻具在西部地区的重点工程中推广使用。 目前，国内有几百个国家重点建设项目在高速公路建设中的隧道和边坡锚固施工中大量使用自钻式锚杆。

本文通过云南大丽高速公路黄山隧道的施工，介绍采用迈式锚杆预加固处理隧道松散体坍塌体，希望给类似隧道工程施工提供帮助和借鉴。

1工程概况

云南大丽高速公路是国家高速公路网横向杭州至瑞丽高速公路联络线云南境内的重要组成部分。其中，丽江古城区与拉什海景区相接的黄山隧道为分离式隧道，设计总长为1 760 m（按单幅计，含明洞段长度）。本隧道地质构造复杂，节理裂隙发育，地下水丰富，5次穿越断层破碎带，围岩以Ⅴ级为主，占全隧道总长的60%以上，地质条件差。施工中，左、右幅都多次出现松散地层及涌水、涌泥。隧道位于地震带，所在路段地震基本烈度值为Ⅶ度，地震动峰值加速度为020g，地震动反应谱特征周期为0.30 s，施工环境复杂，施工难度大。

隧道右幅ZK194+328～302段为Ⅴ级围岩，埋深约37 m，岩性为紫红色粉砂岩及页、泥岩，岩体呈中风化，节理裂隙发育，接触带泥化，整体呈碎状结构。

当施工遇到多雨季节时，K194+328掌子面出现涌水、涌泥，临近掌子面已施作的拱架出现变形。隧道地表多处开裂，开裂面积约800 m2；并出现一处陷坑，面积约14 m2，深约20 m。黄山隧道地表坍陷平面如图1所示，地表开裂及隧道洞内涌情况如图2所示。

隧道涌水、涌泥后，施工进度受阻，隧道尚余施工量368 m，独头施工，且均为Ⅳ、Ⅴ级围岩。根据工期要求，需在4个月内完成开挖任务，工程进度方能实现丽江市拉什海景区年底通车的目标。

2方案比选

设计2个施工方案，进行优劣分析比选。

方案一：采取30 m Φ89大管棚2个循环通过。根据隧道施工经验，在坍塌体中需要跟管钻进正常的情况下，钻进安装15 m长度的管棚，每根钻进时间约10 h，一天2根，全环33根，钻进安装一环管棚的时间约12 d，算上施工准备时间2 d，注浆1 d（可平行作业），需要15 d。经相关专家分析，对于本断破碎及涌泥地层，由于钻进过程中塌孔卡钻频繁，且地层裂隙发育，钻进过程中地层漏水，需要反复固结灌浆后才能钻进，如不顺利单个循环至少20～30 d才能完成，施工工期无法保证。

方案二：采取30 m波形螺纹R51N超前管棚2循环通过。

根据云南蒙新高速隧道施工经验，在正常施工情况下，钻进安装1根15 m长度的管棚，大约需要3 h，钻进安装一环管棚需要5 d，算上施工准备时间1 d，共需要6 d。不需要跟管钻进，也无需固结灌浆，施工效率较高，每环比传统管棚至少节约9～24 d，2个循环共可节约工期18～48 d，工期效益明显。

通过比选确定采用方案二，同时，迈式R51N超前管棚比传统管棚还具有如下优势。

（1）从施工工艺上，迈式管棚较传统管棚法工艺简便、有效，无需特设管棚工作室，节省了开挖钻眼工序，减少工作量，缩短了管棚安装时间[4]；管棚钻进和安装同步，解决了破碎带卡钻、塌孔和难于保证管棚施工质量的问题[5]。

（2）在注浆、锚固效果方面，迈式R51N自钻式管棚法较传统管棚法注浆压力大，可达20～60 MPa，而传统管棚法为0.7～20 MPa[6]。因此，迈式管棚法注浆在围岩中具有较大的扩散半径和改良范围，能够较大范围的提高围岩承载力[7]。从材料上对比，传统管棚为光面钢管，而迈式管棚为全长螺纹杆体，两者在同等施工条件下，螺纹杆体的粘阻力高于光面钢管，其抗拉拔力是光面钢管的2～3倍。从锚固机理上看，传统管棚与后部稳定支护共同构成棚架结构，而迈式管棚采用碗型垫板和球型螺帽，可对围岩施加预应力，从而增强约束围岩变形的能力，减小形变量的影响，对围岩锚固作用有显著提高[8]。

（3）从力学性能分析管棚抗拉力，结果见表1。

表1管棚抗拉力比较

比较项目Φ89 mm传统管棚迈式R51N管棚

直径/壁厚/质量89 mm/6 mm/6.4 kg·m-151 mm/9 mm/7.4 kg·m-1

屈服强度/抗拉强度240 MPa/380 MPa670 MPa/851 MPa

屈服力/抗拉力195 kN/308 kN630 kN/800 kN

强性模量210 kN·mm-2210 kN·mm-2

从表1中可看出，迈式管棚的抗拉强度和屈服强度明显高于传统管棚。

当受相同荷载作用时，传统管棚的挠度（fC）与迈式管棚挠度（fM）之比为

fC∶fM=（L/IC）∶（L/IM）

即fCIM= fCIC（1）

式中： L为支护长度； IC为传统管棚的惯性矩；IM为迈式管棚的惯性矩。

由于传统管棚贯性矩大于迈式管棚，当支护长度相等时，迈式管棚挠度大于传统管棚，即迈式管棚抗弯强度稍低于传统管棚[9]。在实践中，选择适当的锚杆长度，挠度大的弱点可以得到改善。

（4）经济性。迈式管棚可实现机械化施工，比传统管棚施工进度快，缩短了工期，间接降低了施工成本。

经比选，黄山隧道采用L=30 m的迈式R51N型自钻式锚杆，分2个循环施作，每循环长度15 m，2循环间撘接3 m。水泥与水玻璃以1∶05的比例配制双液浆，全断面预注浆。同时，采用3 m的迈式R25系统锚杆、工字钢架、喷混凝土加强支护，确保破碎段安全、快速通过。迈式锚杆如图3所示。

3迈式锚杆施工工艺及要求

3.1施工工艺

迈式锚杆集钻进、注浆、锚固功能为一体，与传统注浆小导管（管棚）相比，施工简便、进度快；多种型式钻头适应多种复杂软弱地层，杆体长度可任意切割和连接，使用方便灵活等特点[10]。

迈式锚杆（管棚）隧道中通过破碎带的作用机理为：迈式锚杆体和注浆结石体共同形成棚架，将掌子面前方的开挖应力释放的能量传至后部已封闭的稳定体中，以控制拱顶沉降；通过注浆，使浆液均匀地注入围岩，以填充、渗透和挤密等方式排除土颗粒间或岩石裂隙中的水份和空气，把原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，改善岩石的物理性质，提高粘聚力、内磨擦角标指，从而提高岩体基本质量指标，使不良地质段围岩自身承载力得到根本改变。

具体施工步骤如下。

（1）检查锚杆体和相关配件以及凿岩注浆机械是否正常。

（2）确定开孔位置和开孔角度。

（3）连接凿岩设备和锚杆配件。

（4）开动凿岩机钻进锚杆，若需接长，用锚杆连接套接长再钻进，直至锚杆深度。

（5）用高压水或压缩空气清孔。

（6）用快速注浆接头连接锚杆和注浆管，开动注浆泵注浆。

（7）安装止浆塞、垫板和螺母。

（8）待注浆材料达到设计强度，拧紧螺母施加应力。

（9）安装完成。

迈式锚杆施工如图4所示。

3.2锚杆施工操作要求

（1）应充分考虑预留变形量，合理确定开挖轮廓线，从而确定迈式管棚的合理位置。

（2）开挖按短进尺、弱爆破、紧支护、早成环、勤量测的原则。

（3）在锚杆与钻机连接套连接处、锚杆与锚杆连接套处涂黄油。

（4）钻进时用空气或清水冲钻孔，尽快钻进至设计位置。

（5）当岩层极破碎、风化时，不易采用置入式锚杆，以避免塌孔、卡钻耽误时间。必要时可选用旋转注浆接头，边钻进，边注浆。

（6）根据地质情况，合理确定水泥品种、水泥浓度、水玻璃浓度、水泥浆与水玻璃体积比及浆液温度。调控好CS双液的凝胶时间，控制好水灰比，一般取0.35～0.4；调整注浆压力，视岩层情况，调控在2.0～6.0 MPa。

（7）水泥水玻璃浆液加料顺序及搅拌时间应严格控制。投料顺序为：水、缓凝剂、水泥；搅拌时间不少于5 min，放置时间不宜超过3 min。

（8）注浆整个过程应连续、快速，不停顿。当浆液溢出钻孔口部时，方可取下注浆接头。等浆液产生强度后，安装锚垫板（凸面朝向螺母），紧固螺母。

（9）注浆过程中若出现堵管或换另一根锚杆注浆，应及时清洗锚杆、注浆软管、泵，避免堵孔。

（10）规范格栅钢架与迈式管栅安装作业，使之形成复合受力结构。

4应用效果

因迈式锚杆施工高效、简便，改善了围岩受力状态，成为破碎地层开挖支护的有效支护手段，在黄山隧道施工中35 d内安全处理完成26 m涌泥破碎段，保证了隧道按期交工。

5结语

迈式管棚是一种集棚架效应、锚固效应、注浆效应于一体，能快捷、有效地控制围岩应力释放，通过隧道不良地质段，预加固岩体，改善岩体受力特性、保证隧道施工安全的施工方法；同时能实现隧道机械化作业、软弱围岩快速施工。

本文通过对云南大丽高速公路黄山隧道松散坍塌体研究分析以及设计方案比选，最终确定采用迈式锚杆预加固对隧道松散坍塌体方案进行施工。施工结果表明，迈式锚杆在处理和加固隧道坍塌体施工中效率高、速度快，具有不需特设管棚工作室，钻进不下套管等明显优点，综合应用价值高，具有推广价值。

参考文献：

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[责任编辑：高甜]