大变形隧道长锚杆双球阀杆外注浆施工技术研究

崔 磊

（中铁十七局集团第一工程有限公司 山东青岛 266555）

1 工程概况

1.1 项目简介

新建成兰铁路CLZQ-7标，正线长度7.317 km，位于茂县光明乡境内。

茂县隧道起讫里程D8K125＋250～D8K135＋163，按左线拉通，全长9 913 m，标段施工进口段6 110 m。

茂县隧道穿越龙门山后山茂汶活动断裂带，地层产状紊乱多变，背斜向斜发育，地质构造复杂，为Ⅰ级风险隧道。

1.2 地质概况

茂汶活动断裂带（龙门山后山断裂）为一条北东向的压扭性大断裂，断层走向N40°E，倾向NW，倾角70～80°，龙门山目前以0.3～0.4 mm/年的速率持续隆升［1-2］。根据地勘资料及平行导坑开挖揭示确定茂汶活动断层与茂县隧道相交里程为D8K128＋080～D8K127＋687、YD8K128＋084～YD8K127＋691，该段存在严重大变形风险。

茂县隧道最大埋深1 646 m，根据应力解除法测试，最大主应力 27.51 MPa［3］，最小主应力 16.35 MPa。

茂县隧道大变形段开挖揭示围岩为志留系茂县群炭质千枚岩，局部夹石英脉，灰黑色，弱风化，变晶结构，碎裂状构造。受断层构造影响，节理裂隙极发育，围岩极破碎，整体湿润，围岩稳定性极差。

利用中国科学院武汉中研科技股份有限公司研制的RSM-RCT（B）声波探测仪测试茂县隧道大变形段松动圈范围为8 m［4］。

2 施工难点

隧道支护中，锚杆与钢架网喷形成支护体系，控制围岩的塑性变形，减少坍塌风险［5］。锚杆施工质量控制主要存在以下难点：

（1）软弱围岩、断层破碎带使得钻孔极易坍塌，普通钻杆刚度小，钻孔顺直度差，砂浆锚杆施工困难。

（2）煤矿气腿式凿岩机施工长锚杆存在局限性，打设成功率低、时间长。

（3）高地应力下炭质千枚岩软岩大变形地段其围岩遇水泥化现象严重，注浆过程易堵孔。

（4）拱部自进式锚杆杆体作为注浆通道，长度为10 m，由于排气管难以插入锚杆孔底，浆液倒流至排气管高度即溢浆，排气管至孔底部分浆液不饱满。

（5）采用单球阀注浆时，先拔掉注浆管再封堵注浆孔，由于孔内压力的存在，浆液回流导致锚杆孔内浆液饱满度下降。

（6）现场自进式锚杆注浆施工普遍做法为将止浆阀焊接在自进式锚杆尾部，注浆结束后难以重复利用，造成材料浪费，焊接过程增加了工序时间和劳动强度。

3 锚杆施工

3.1 锚杆选型

根据松动圈测试结果，锚杆长度确定为10 m。软岩大变形段落给砂浆锚杆施工带来了极大的困难。首先，软弱围岩、断层破碎带使得钻孔极易坍塌，难以保证锚杆孔的通畅；其次，目前钻杆刚度小，很难保证锚杆孔的顺直，而锚杆的刚度大于钻杆，插杆困难；最后，采用三台阶法施工，上台阶核心土的阻挡对于单根长10 m的锚杆安装存在困难。自进式锚杆为分节钻进，集钻杆、锚杆、注浆管三体合一［6］，成功解决了普通砂浆锚杆的施工难题。

3.2 设备选型

（1）煤矿气腿式凿岩机打设能力不足

隧道锚杆施工常用的钻孔设备为煤矿气腿式凿岩机。在之前茂县隧道一号斜井施工过程中，为有效控制斜井变形，初期支护中采用自进式锚杆，打设长度为8 m，打设方案及时间见表1、表2。

表1 自进式锚杆打设时间（方案一） min

表2 自进式锚杆打设时间（方案二） min

理论上，在每种方案上加设一根2 m自进式锚杆即可满足左线小里程自进式锚杆施工。但是在现场试验过程中发现，使用煤矿气腿式凿岩机打设自进式锚杆长度达到8 m后接长至10 m时，自进式锚杆存在只旋转而难以继续钻入的情况，虽然有些自进式锚杆能够钻入10 m长度，但是最后一根2 m锚杆钻入时间过长，达到20～30 min。将锚杆取出后发现钻头端部被磨平，说明对于煤矿气腿式凿岩机而言，从打设能力来说，打设8 m及以下自进式锚杆是可行的，超过8 m自进式锚杆打设成功率比较低且时间长。

（2）施工现场限制

按2 m的自进式锚杆接长方案施工而言，杆体长2 m，风钻正常工作气腿到风钻头垂直距离为1.2 m，也就是煤矿气腿式凿岩机正常工作的空间是3.2 m。上台阶高度仅3.14 m，要求垂直于初支面打设是难以实现的。因此选择合适的机具打设自进式锚杆十分必要。

（3）DCM2-90液压锚杆钻车

茂县隧道一号斜井与茂县隧道左线线间距30 m，斜井的围岩情况在一定程度上反映了左线的围岩情况，根据已开挖的左线段落揭示得以证实。因此，液压锚杆钻车进场后，为不耽误左线施工，首先就打设能力在一号斜井对应段落进行试验，锚杆每根长度2 m。试验结果见表3。

表3 钻机打设锚杆用时min

实际上第8根即14 m以后成功率在40%以下，因此试验以打设14 m为统计标准。根据试验结果分析，打设14m时间平均在26.8min，而打设10m平均时间在15.4 min。

液压锚杆钻车要求作业空间为2.8 m左右，且可以调整位置和角度以按要求打设自进式锚杆。

3.3 施工准备

（1）场地平整

出渣完成后即对场地进行平整，平整范围为掌子面向后8 m，要求场地尽量水平，以保持锚杆钻机整体稳定。在隧道离拱脚1.5 m处沿隧道纵向挖一条水沟，将水引流至集水坑，用水泵抽离掌子面，防止打设锚杆的施工用水浸泡拱脚或者在掌子面漫流。

（2）动力

液压锚杆钻车为发动机与电动机双动力切换，行走动力源为发动机，工作机构动力源为电动机。供电电压为交流三相380 V，电动机功率为55 kW，功率较大，因此要提前准备专用配电箱。

3.4 锚杆打设

在初期支护混凝土上按设计要求的纵向和环向间距标记自进式锚杆的孔位［7］。

（1）连接钻头和自进式锚杆、风钻和钎尾、钻车钎尾套和钎尾等。

（2）锚杆对准设计的孔位位置，先通水再旋转钻进，慢慢推进，直到设计深度。

（3）自进式锚杆钻进到设计要求的深度后，液压锚杆钻车自动卸杆，使杆体尾部和钎尾脱离，完成自进式锚杆打设。

（4）将排气管穿过止浆塞的排气孔，并尽量将排气管深入锚杆孔内［8-9］，用钢管将止浆塞通过锚杆外露端打入孔口100 mm左右封孔进行注浆。如注浆压力较大或围岩较为破碎，也可采用锚固剂封孔。

3.5 自进式锚杆注浆工艺

（1）自进式锚杆吹孔

吹孔的目的是将孔壁及孔内残留的碎渣清除，提高浆液与围岩的黏结性，从而提高锚杆锚固力［10］。

利用锚杆钻机台车将自进式锚杆外拔5 cm，防止孔底淤泥将自进式锚杆钻头上设置的注浆孔堵塞导致注浆不畅。

组合接头（见图1）采用自进式锚杆连接套和DN20镀锌钢管焊接而成，该组合接头可实现两用。组合接头一端连接自进式锚杆，另一端连接高压风管，实现对自进式锚杆孔吹孔的作用；二是杆外注浆时作为排气管的止浆阀。

图1 组合接头

将自进式锚杆与组合接头连接，缓缓打开球阀，高压风（最大到1.5 MPa）进入锚杆中心孔，吹孔3～5 min，直至吹出物为粉末状，至此吹孔工作完成。为节约工序时间，吹孔作业可采用风包分接多条风管同时吹孔。

（2）锚杆注浆方式的选择

注浆方式分为双球阀杆外注浆及杆内注浆两种。对于拱部向上的锚杆，必须采用杆外注浆，对于边墙水平或向下的锚杆，可采用杆内注浆方式。

杆内注浆（见图2）时，浆液通过中空杆体进入锚杆孔，从锚孔底部开始向孔口灌浆，从排气管返浆，返浆后先关闭排气管球阀，然后关闭中空锚杆两个球阀。

杆外注浆（见图3）时，浆液通过注浆管进入锚杆孔，从孔口开始向锚孔底部灌浆，待底部充满浆液后从中空杆体返浆，返浆后先关闭中空锚杆球阀，然后关闭注浆管两个球阀。

图2 杆内注浆示意

图3 杆外注浆示意

图2～图3中，1为隧道围岩；2为注浆弯管；3为注浆弯管车丝端；4为注浆球阀；5为变径接头；6为注浆管；7为组合接头；8为封口锚固剂；9为自进式锚杆杆体；10为钻头。

采用双球阀的目的是确保注浆饱满，防止浆液回流。经验数据表明，采用一般的方式，先拔掉注浆管再封堵注浆孔，由于孔内压力的存在，浆液回流会导致饱满度由100%迅速降低至70%。

拱部锚杆将直径为5 mm的排气管换成直径为20 mm的PVC排气管或镀锌钢管（见图4）。采用排气管注浆，杆体排气的方式注浆［11-12］。

图4 两种排气管照片

拱部打设10根自进式锚杆，使用改进后的φ20 mm PVC排气管作为注浆管注浆，28 d后进行无损检测测定其饱满度，对比结果见表4。

表4 改进前后自进式锚杆饱满度对比

拱部锚杆改变注浆方式后，注浆量和饱满度都有显著提高，提高了锚杆与围岩的锚固效果。

（3）注浆配合比

综合考虑注浆体强度、浆液凝固后的收缩率及堵管风险等因素，经多次试验，确定施工采用的配合比为水泥∶水∶减水剂 ＝1∶0.375∶0.005（质量比）。

（4）注浆泵选型

目前注浆泵有挤压式注浆泵、螺杆式注浆泵及活塞式注浆泵［13］。

活塞式注浆泵注浆压力为正弦式，注浆压力峰值和低值差距较大。在压力峰值时容易对围岩裂隙进行加压，导致裂隙张开，注浆量增大。因而活塞式注浆泵既适用于压力不高的填充注浆，也适用于高压力的劈裂注浆。

螺杆泵注浆压力平顺，不存在峰值和低值，但需密切注意压力变化，压力达到设定值时需停止注浆，否则压力上升较快，因为螺杆泵不会回浆。

挤压泵与螺杆泵一样具备注浆压力平顺的特点，孔内压力超过设定压力后浆液不再注入，且可以回浆。

螺杆泵和挤压泵适用于压力不高的填充注浆。对于锚杆注浆，注浆泵的选用次序依次为挤压泵、螺杆泵、活塞泵。

（5）注浆

检查确认注浆泵状态良好，配置的浆液符合围岩情况及设计要求。

将排气管或注浆管插入孔内，利用锚固剂封堵孔口，锚固剂浸泡时间以手捏感觉变软为宜，孔口附近混凝土用水打湿。对拱部锚杆孔，可适当多塞入一点锚固剂，使孔口封堵效果更佳。

浆液中添加减水剂来增加流动度，流动度的判定标准为：手指插入浆液取出后手指垂直向下，浆液顺手指缓慢下流，浆液在手指上流动时间一般在3 s左右，达到此标准则为流动度合格。流动度小时应增加减水剂，流动度过大时需调整水灰比或减水剂掺量。

将锚杆和注浆管及注浆泵用组合接头连接好，注浆压力为0.5～1.0 MPa。开动注浆泵注浆，整个过程应连续，待注浆压力达到1.0 MPa时，暂停注浆15 s，然后继续注浆，重复几次直至注浆机开机压力达到0.8～1.0 MPa。观察浆液从排气管溢浆状态，若溢浆呈泡沫状，说明锚杆孔内浆液未填充饱满；当持续流出的水泥浆无泡沫时说明注浆饱满。

4 结束语

DCM2-90液压锚杆钻车的使用解决了隧道长锚杆打设及施工效率低的问题；杆外注浆工艺及双球阀的使用提高了拱部锚杆的注浆饱满度；利用自进式锚杆连接套与镀锌钢管制作的可循环使用的接头，节约了人力及物力。