高應力軟巖隧道錨桿支護技術研究

(河南理工大學能源科學與工程學院 河南 焦作 454000)

高應力軟巖隧道錨桿支護技術研究

馬朝超孫伯建張琦

(河南理工大學能源科學與工程學院河南焦作454000)

為了解決高應力軟巖隧道圍巖變形嚴重問題，確定合理的支護體系。對具體的地質情況進行了分析，闡述了軟巖隧道錨桿支護設計原則。確定了在不同情況下的支護形式和參數。

在隧道內布置測站。現場監(jiān)測結果表明：隧道監(jiān)測初期支護體應力有一定波動，隨著觀測時間的增加而增大，但在50d內開始趨于穩(wěn)定，左右拱腰收斂應力分布為45MPa和35MPa左右。說明此支護方案效果良好，能夠有效控制圍巖變形。

軟巖隧道；圍巖變形；監(jiān)測；圍巖控制

一、隧道變形的地質特征與危害

發(fā)生大變形的隧道一般具有以下地質特征：(1)隧道圍巖條件。發(fā)生大變形的圍巖主要有：①顯著變質的巖類，如片巖、千枚巖等；②膨脹性凝灰?guī)r；③軟質粘土層和強風化的凝灰?guī)r；④凝灰?guī)r和泥巖分互層；⑤泥巖破碎帶和礦化變質粘土等。這類圍巖的凝聚強度c值較低，內摩擦角值很小，單軸抗壓強度較低。(2)隧道處于高應力區(qū)，且大變形地段的隧道一般埋深在100m以上。(3)隧道圍巖的天然含水量大。深埋隧道通過軟巖和斷層帶時，在高的地應力和富水條件下通常產生大變形。這種隧道圍巖變形量大，而且位移速度也很大，一般可以達到數十厘米到數米，如果不支護或支護不當，收斂的最終趨勢是隧道將被完全封死，如果發(fā)生在永久襯砌構筑以前，往往表現為初期支護嚴重破裂、扭曲，擠出面侵入限界。這種大變形危害巨大，嚴重影響施工工期或者線路正常運營，而且整治費用高昂。

二、軟巖隧道錨桿支護設計原則

(一)一次支護原則。錨桿支護要避免二次或多次支護，應盡可能一次支護就能有效控制圍巖變形。這是實現礦井高效、安全生產的要求，為采礦服務的巷道和硐室等工程，需要保持長期穩(wěn)定，不能經常維修；另一方面，這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。

(二)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區(qū)別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發(fā)揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力；另一方面，通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的擴散，擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

(三)“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應力、全長錨固)，保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數量，提高掘進速度。

(四)臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統(tǒng)存在臨界支護強度和剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形和破壞得不到很好的控制。因此，設計錨桿支護系統(tǒng)的強度與剛度應高于臨界值。

(五)相互匹配原則。錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數和力學性能應該相互匹配，錨桿與錨索的參數與力學性能應相互匹配，最大限度地發(fā)揮錨桿支護的整體支護作用。

(六)可操作性原則。錨桿支護設計方案應該有可操作性，有利于施工管理和掘進速度的提高。

(七)安全經濟原則。在保證巷道圍巖支護效果與安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件前提下，盡量做到經濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

三、高應力軟巖隧道支護參數

(一)錨桿支護參數。型號為?20mm×2000mm左旋螺紋鋼高強的錨桿，匹配150mm×150mm×10mm高強拱形托盤與高強螺母，是配套產品。加長樹脂錨固，鉆孔直徑≤30mm，K2335和Z2360各一支用作為錨固劑的規(guī)格，錨桿預緊力矩不低于300N·m，錨桿錨固力不低于100KN。

輔助支護：頂板配以鋼筋網作為輔助支護，鋼筋網采用Ф6mm的鋼筋焊接而成的經緯網，經緯網網格大小為100mm×100mm，鋼筋網尺寸為2880mm×1100mm，相鄰網搭接約100mm，鐵絲鈕扣聯結，聯結距離不大于200mm。

(二)錨索支護參數。使用直徑是17.8mm，長為7300mm，有效長度7000mm左右的1×7股高強度且低松弛鋼絞線制，錨索一排一根，排距2000mm，并且緊跟掘進迎頭來施工。錨索鉆孔直徑≤30mm，錨索用3卷樹脂錨固劑錨固型號分別為一支K2335與兩支Z2360，理論錨固長度約1400mm左右，并在錨索錨固端1300mm處施加擋圈。用型號為250mm×250mm×12mm的高強球型錨索托盤，錨索的預緊力應該≥200KN。錨索錨固力不低于300KN。

遇地質變化較大的地段，錨索長度可根據需要調整，錨索應深入穩(wěn)定頂板2～3m。

(三)表面噴漿。設計方案中噴射混凝土強度是C20，噴射混凝土配比為：水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2。剛開始噴時可適度減少石子摻量。水灰比為0.4～0.5。原材料按照重量計，稱量的允許偏差值：水泥和速凝劑均為2%，砂子和石子均為3%。設計方案中噴漿厚度為150mm，一次噴射混凝土厚度為50～70mm，并要及時復噴，復噴間隔時間不得超過2個小時。否則應用高壓水重新沖洗受噴面。

四、支護效果監(jiān)測分析

通過對隧道斷面支護應力變化曲線及錨桿軸力變化曲線可知，隧道監(jiān)測初期支護體應力有一定波動，隨著觀測時間的增加而增大，但在50d內開始趨于穩(wěn)定，左右拱腰收斂應力分布為45MPa和35MPa左右。錨桿軸力在監(jiān)測初期也出現一定程度的波動，90d后趨于收斂。對比數值模擬結果圖1為未支護毛洞拱頂沉降，拱頂沉降值為28cm,圖2為經過錨桿支護設計后拱頂沉降，降值為21cm，減少7cm。說明此支護方式能夠有效控制隧道圍巖變形，工程實踐表明，該區(qū)域支護效果較好，保證了公路隧道車輛安全通行。

圖1 毛洞拱頂沉降量

圖2 錨桿支護后拱頂沉降量

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馬朝超(1995-)，男，漢族，河南西平人，河南理工大學能源科學與工程學院交通工程專業(yè)。

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