邁式錨桿預加固隧道破碎圍巖體的應用

崔昌洪熊成宇張強

文章編號：1000033X（2016）12008904

收稿日期：20160524

摘要：邁式錨桿在處理邊坡治理，軟弱松散體等施工中有廣泛的應用，以云南大麗高速公路黃山隧道處理隧道松散體坍塌體采用邁式錨桿預加固為實例，通過對施工工藝、注漿后錨固效果、力學性能、經濟性進行分析后，確定邁式錨桿洞內處理松散坍塌體不僅安全、快速，還具有較好的綜合經濟性，在類似隧道工程施工中，有較強的推廣意義及適用價值。

關鍵詞：邁式錨桿；超前管棚；破碎圍巖；預加固

中圖分類號：U455.77文獻標志碼：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世紀80年代末期，針對大型地下工程中由于復雜地層造成的施工進程緩慢的問題，奧地利從事巖土錨固技術專用機具研制和銷售的邁式巖土錨固機具有限公司推出了新奧施工法（NATM），并且設計了集鉆進、注漿、錨固為一體的新型自鉆式錨固機具，以保證在破碎巖石層、松軟巖土層和地質結構復雜地段施工時，達到快速錨固的目的[13]。

隨著國家西部大開發的決策，一大批西部領域的工程項目陸續開工建設，邁式自鉆式錨固鉆具在西部地區的重點工程中推廣使用。 目前，國內有幾百個國家重點建設項目在高速公路建設中的隧道和邊坡錨固施工中大量使用自鉆式錨桿。

本文通過云南大麗高速公路黃山隧道的施工，介紹采用邁式錨桿預加固處理隧道松散體坍塌體，希望給類似隧道工程施工提供幫助和借鑒。

1工程概況

云南大麗高速公路是國家高速公路網橫向杭州至瑞麗高速公路聯絡線云南境內的重要組成部分。其中，麗江古城區與拉什海景區相接的黃山隧道為分離式隧道，設計總長為1 760 m（按單幅計，含明洞段長度）。本隧道地質構造復雜，節理裂隙發育，地下水豐富，5次穿越斷層破碎帶，圍巖以Ⅴ級為主，占全隧道總長的60%以上，地質條件差。施工中，左、右幅都多次出現松散地層及涌水、涌泥。隧道位于地震帶，所在路段地震基本烈度值為Ⅶ度，地震動峰值加速度為020g，地震動反應譜特征周期為0.30 s，施工環境復雜，施工難度大。

隧道右幅ZK194+328～302段為Ⅴ級圍巖，埋深約37 m，巖性為紫紅色粉砂巖及頁、泥巖，巖體呈中風化，節理裂隙發育，接觸帶泥化，整體呈碎狀結構。

當施工遇到多雨季節時，K194+328掌子面出現涌水、涌泥，臨近掌子面已施作的拱架出現變形。隧道地表多處開裂，開裂面積約800 m2；并出現一處陷坑，面積約14 m2，深約20 m。黃山隧道地表坍陷平面如圖1所示，地表開裂及隧道洞內涌情況如圖2所示。

隧道涌水、涌泥后，施工進度受阻，隧道尚余施工量368 m，獨頭施工，且均為Ⅳ、Ⅴ級圍巖。根據工期要求，需在4個月內完成開挖任務，工程進度方能實現麗江市拉什海景區年底通車的目標。

2方案比選

設計2個施工方案，進行優劣分析比選。

方案一：采取30 m Φ89大管棚2個循環通過。根據隧道施工經驗，在坍塌體中需要跟管鉆進正常的情況下，鉆進安裝15 m長度的管棚，每根鉆進時間約10 h，一天2根，全環33根，鉆進安裝一環管棚的時間約12 d，算上施工準備時間2 d，注漿1 d（可平行作業），需要15 d。經相關專家分析，對于本斷破碎及涌泥地層，由于鉆進過程中塌孔卡鉆頻繁，且地層裂隙發育，鉆進過程中地層漏水，需要反復固結灌漿后才能鉆進，如不順利單個循環至少20～30 d才能完成，施工工期無法保證。

方案二：采取30 m波形螺紋R51N超前管棚2循環通過。

根據云南蒙新高速隧道施工經驗，在正常施工情況下，鉆進安裝1根15 m長度的管棚，大約需要3 h，鉆進安裝一環管棚需要5 d，算上施工準備時間1 d，共需要6 d。不需要跟管鉆進，也無需固結灌漿，施工效率較高，每環比傳統管棚至少節約9～24 d，2個循環共可節約工期18～48 d，工期效益明顯。

通過比選確定采用方案二，同時，邁式R51N超前管棚比傳統管棚還具有如下優勢。

（1）從施工工藝上，邁式管棚較傳統管棚法工藝簡便、有效，無需特設管棚工作室，節省了開挖鉆眼工序，減少工作量，縮短了管棚安裝時間[4]；管棚鉆進和安裝同步，解決了破碎帶卡鉆、塌孔和難于保證管棚施工質量的問題[5]。

（2）在注漿、錨固效果方面，邁式R51N自鉆式管棚法較傳統管棚法注漿壓力大，可達20～60 MPa，而傳統管棚法為0.7～20 MPa[6]。因此，邁式管棚法注漿在圍巖中具有較大的擴散半徑和改良范圍，能夠較大范圍的提高圍巖承載力[7]。從材料上對比，傳統管棚為光面鋼管，而邁式管棚為全長螺紋桿體，兩者在同等施工條件下，螺紋桿體的粘阻力高于光面鋼管，其抗拉拔力是光面鋼管的2～3倍。從錨固機理上看，傳統管棚與后部穩定支護共同構成棚架結構，而邁式管棚采用碗型墊板和球型螺帽，可對圍巖施加預應力，從而增強約束圍巖變形的能力，減小形變量的影響，對圍巖錨固作用有顯著提高[8]。

（3）從力學性能分析管棚抗拉力，結果見表1。

表1管棚抗拉力比較

比較項目Φ89 mm傳統管棚邁式R51N管棚

直徑/壁厚/質量89 mm/6 mm/6.4 kg·m-151 mm/9 mm/7.4 kg·m-1

屈服強度/抗拉強度240 MPa/380 MPa670 MPa/851 MPa

屈服力/抗拉力195 kN/308 kN630 kN/800 kN

強性模量210 kN·mm-2210 kN·mm-2

從表1中可看出，邁式管棚的抗拉強度和屈服強度明顯高于傳統管棚。

當受相同荷載作用時，傳統管棚的撓度（fC）與邁式管棚撓度（fM）之比為

fC∶fM=（L/IC）∶（L/IM）

即fCIM= fCIC（1）

式中： L為支護長度； IC為傳統管棚的慣性矩；IM為邁式管棚的慣性矩。

由于傳統管棚貫性矩大于邁式管棚，當支護長度相等時，邁式管棚撓度大于傳統管棚，即邁式管棚抗彎強度稍低于傳統管棚[9]。在實踐中，選擇適當的錨桿長度，撓度大的弱點可以得到改善。

（4）經濟性。邁式管棚可實現機械化施工，比傳統管棚施工進度快，縮短了工期，間接降低了施工成本。

經比選，黃山隧道采用L=30 m的邁式R51N型自鉆式錨桿，分2個循環施作，每循環長度15 m，2循環間撘接3 m。水泥與水玻璃以1∶05的比例配制雙液漿，全斷面預注漿。同時，采用3 m的邁式R25系統錨桿、工字鋼架、噴混凝土加強支護，確保破碎段安全、快速通過。邁式錨桿如圖3所示。

3邁式錨桿施工工藝及要求

3.1施工工藝

邁式錨桿集鉆進、注漿、錨固功能為一體，與傳統注漿小導管（管棚）相比，施工簡便、進度快；多種型式鉆頭適應多種復雜軟弱地層，桿體長度可任意切割和連接，使用方便靈活等特點[10]。

邁式錨桿（管棚）隧道中通過破碎帶的作用機理為：邁式錨桿體和注漿結石體共同形成棚架，將掌子面前方的開挖應力釋放的能量傳至后部已封閉的穩定體中，以控制拱頂沉降；通過注漿，使漿液均勻地注入圍巖，以填充、滲透和擠密等方式排除土顆粒間或巖石裂隙中的水份和空氣，把原來松散的土粒或裂隙膠結成一個整體，改善巖石的物理性質，提高粘聚力、內磨擦角標指，從而提高巖體基本質量指標，使不良地質段圍巖自身承載力得到根本改變。

具體施工步驟如下。

（1）檢查錨桿體和相關配件以及鑿巖注漿機械是否正常。

（2）確定開孔位置和開孔角度。

（3）連接鑿巖設備和錨桿配件。

（4）開動鑿巖機鉆進錨桿，若需接長，用錨桿連接套接長再鉆進，直至錨桿深度。

（5）用高壓水或壓縮空氣清孔。

（6）用快速注漿接頭連接錨桿和注漿管，開動注漿泵注漿。

（7）安裝止漿塞、墊板和螺母。

（8）待注漿材料達到設計強度，擰緊螺母施加應力。

（9）安裝完成。

邁式錨桿施工如圖4所示。

3.2錨桿施工操作要求

（1）應充分考慮預留變形量，合理確定開挖輪廓線，從而確定邁式管棚的合理位置。

（2）開挖按短進尺、弱爆破、緊支護、早成環、勤量測的原則。

（3）在錨桿與鉆機連接套連接處、錨桿與錨桿連接套處涂黃油。

（4）鉆進時用空氣或清水沖鉆孔，盡快鉆進至設計位置。

（5）當巖層極破碎、風化時，不易采用置入式錨桿，以避免塌孔、卡鉆耽誤時間。必要時可選用旋轉注漿接頭，邊鉆進，邊注漿。

（6）根據地質情況，合理確定水泥品種、水泥濃度、水玻璃濃度、水泥漿與水玻璃體積比及漿液溫度。調控好CS雙液的凝膠時間，控制好水灰比，一般取0.35～0.4；調整注漿壓力，視巖層情況，調控在2.0～6.0 MPa。

（7）水泥水玻璃漿液加料順序及攪拌時間應嚴格控制。投料順序為：水、緩凝劑、水泥；攪拌時間不少于5 min，放置時間不宜超過3 min。

（8）注漿整個過程應連續、快速，不停頓。當漿液溢出鉆孔口部時，方可取下注漿接頭。等漿液產生強度后，安裝錨墊板（凸面朝向螺母），緊固螺母。

（9）注漿過程中若出現堵管或換另一根錨桿注漿，應及時清洗錨桿、注漿軟管、泵，避免堵孔。

（10）規范格柵鋼架與邁式管柵安裝作業，使之形成復合受力結構。

4應用效果

因邁式錨桿施工高效、簡便，改善了圍巖受力狀態，成為破碎地層開挖支護的有效支護手段，在黃山隧道施工中35 d內安全處理完成26 m涌泥破碎段，保證了隧道按期交工。

5結語

邁式管棚是一種集棚架效應、錨固效應、注漿效應于一體，能快捷、有效地控制圍巖應力釋放，通過隧道不良地質段，預加固巖體，改善巖體受力特性、保證隧道施工安全的施工方法；同時能實現隧道機械化作業、軟弱圍巖快速施工。

本文通過對云南大麗高速公路黃山隧道松散坍塌體研究分析以及設計方案比選，最終確定采用邁式錨桿預加固對隧道松散坍塌體方案進行施工。施工結果表明，邁式錨桿在處理和加固隧道坍塌體施工中效率高、速度快，具有不需特設管棚工作室，鉆進不下套管等明顯優點，綜合應用價值高，具有推廣價值。

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[責任編輯：高甜]