自旋錨管技術在軟巖隧道大變形控制中的應用

王 博，梅 峰

(1.寧夏建設職業技術學院 銀川市 750021； 2.中鐵十二局二公司 太原市 030032)

1 工程概況

試驗項目為內蒙古自治區鄂爾多斯市島寶溝隧道，該隧道全長4905m，埋深約為127m，其中Ⅲ級圍巖長度為725m，Ⅳ級圍巖長度為2966m，Ⅴ級圍巖長度為1214m。隧道巖體節理發育明顯、圍巖破碎，有失穩坍塌風險的地段較多；洞身部分地段的泥巖受水的影響，隧道部分段落處于軟巖大變形地層中，易發生軟化變形。所以必須采用有效的支護手段防止圍巖塌方、控制圍巖變形，根據圍巖飽和壓縮試驗，得到巖體物理力學指標，如表1所示。

表1 物理力學性質試驗結果表

2 自穩隱形拱錨桿支護機理

本隧道支護設計采用自穩隱形拱錨桿支護理論。該理論認為隧道圍巖具有自承自穩能力，影響隧道圍巖穩定的主要因素是圍巖體中存有拉應力的巖塊。錨桿對隧道圍巖的支護就是在圍巖達到相對自穩過程中的變形維護。

如果隧道圍巖不能得到有效支護控制，圍巖的變形會持續增大，而存有拉應力的巖塊最終將發生墜落和坍塌。錨桿支護就是縮小圍巖不穩定區域的范圍，同時使隧道邊墻變成類剛性結構，自穩隱形拱理論要求錨桿支護設計中錨桿必須深入圍巖自穩500mm。

根據西安科技大學惠興田教授計算得出隧道頂板自穩區域曲線基本方程為：

式中，W0—巷道頂部寬度，m；

p0—巷道頂部垂直地壓，MPa；

σ2—頂板巖體的抗拉強度，MPa。

施工中，為保證自穩區內圍巖承載能力的提升，要求錨桿與圍巖間具有較強的錨固力，防止開挖后圍巖塑性區的擴展，錨桿應能夠滿足及時承載的要求。常規錨桿施工支護作用較小，無法有效承載，因此本項目所提出的自旋錨管技術對自穩隱形拱理論在軟巖隧道圍巖的變形控制中有著重要的意義。

3 自旋錨管隧道圍巖控制技術

3.1 自旋錨管設計概述

自旋錨管成套技術是一種新型公路圍巖支護技術，它主要應用到破碎圍巖隧道、復雜公路邊坡等支護工程，采用摩擦阻力錨固的理念設計，顛覆了傳統錨桿單一的支護工作理念，省掉了繁瑣工作程序，將鉆研藥卷攪拌、注漿、噴漿、支護等工作一次性到位，可以有效地完成工作，加快施工速率。

自旋錨管不同于傳統螺旋錨桿的大錨葉設計，錨管設計是以小旋絲沿桿身連續分布，桿體為中空結構，前端為鉆眼裝置的一種新型隧道支護體系，如圖1、圖2所示。

圖1 自旋錨管裝配結構圖

圖2 自旋錨管截面結構圖

3.2 自旋錨管軟巖隧道支護特點

自旋錨管結構體全長錨固加強為設計理念，其截面抗彎模量可以有效控制巖體變形。這種全長錨固結構設計，其錨固強度超過錨索支護，對圍巖的變形控制將大大提高。尤其是它不受托盤和預應力的作用，只要安裝有效就能發揮作用。相比于同類型傳統錨桿支護，自旋錨管的抗剪能力能提高5倍左右，而抗彎能力則能提高10倍左右。

在軟巖大變形隧道的支護中，砂漿錨桿和中空注漿錨桿是廣泛采用的錨桿形式，但此類型錨桿的主要缺陷在于注漿過程中漿液的飽和度較差，影響注漿效果，如采用自旋錨管恰好能有效克服這種缺陷。自旋錨管安裝示意圖見圖3。

(1)自旋錨管通過增大旋絲外徑可以讓錨管深入巖體中形成多點接觸產生摩擦，使自旋錨管產生側向應力作用在旋絲之間的管體上，增大了摩擦錨固力。

(2)自旋錨管旋絲的傾角由傳統螺旋錨桿的90°改為60°，能夠合二為一更好地配合鉆頭深入巖層中。在注漿的過程中可以邊鉆邊注漿，使漿液順著旋絲往出流，能夠更好地排出漿液中的氣泡，因此能達到有效的飽和度，使其具有更好的錨固性。

(a)鉆孔

(b)旋絲刻入

(c)安裝托盤螺母

(d)注漿

(e)初錨力形成圖3 自旋錨管安裝示意圖

4 數值模擬分析

根據項目隧道圍巖的物理力學性質，進行FLAC有限差分數值模擬，圍巖采用理想彈塑性材料，本構模型采用摩爾庫倫模型，進行非線性計算，對支護形式采取兩種不同工況進行對比分析。工況一采用普通錨桿支護，工況二采用自旋錨管支護。

工況一普通錨桿支護采用長度為 400cm，直徑 Φ22，排距0.7m，縱向間距為1m，梅花形布置，

工況二自旋錨管支護采 用52mm×4mm 自旋錨管(L=4.5m) 進行注漿加固。注漿采用1∶1水泥漿液，自旋錨管排距0.7m，縱向間距為1m，梅花形布置。模擬結果見圖4、圖5。

圖4 普通錨桿支護位移云圖

圖5 自旋錨管支護位移云圖

由數值模擬結果可知，與普通錨桿支護相比，自旋錨管支護模擬過程中，隧道變形位移量明顯減小，最大的位移變形值不超過75mm，同時圍巖塑性變形區范圍也在減小，模擬變形數據滿足安全施工要求，顯示了良好的支護效果，可用于試驗段施工。

5 隧道變形監測

針對大變形巷道的基本特點，根據自穩隱形拱支護設計原理，在部分試驗段采用自旋錨管支護技術進行圍巖支護。選取兩個具有代表性的斷面進行監測，主要監測項目有周邊收斂、基底隆起、拱頂下沉，隧道各測點監測作業均應持續到變形基本穩定后2～3周結束。監測曲線如圖6、圖7所示。

圖6 測點1變形監測數據

圖7 測點2變形監測數據

(1)隧道在施工開挖后15d內，隧道變形位移速率增長較快，特別是基底隆起速率最大達到了25mm/d，隨后各位移變形曲線逐漸趨于平緩。

(2)在監測期間內隧道拱頂變形量最大值為48mm，周邊收斂變形量最大值為307mm，基底隆起最大值為152mm，均在預定可控范圍內，同時，兩個測點同類型監測曲線形狀大致相似，斜率及斜率變化點基本相似，說明采用自旋錨管技術對隧道的變形控制達到了預期效果。

6 結論

(1)自旋錨管支護技術相比于普通錨桿支護，因本身較大的截面抗彎模量，同時通過增大旋絲外徑使錨管深入巖體中形成多點接觸，因而能夠很好地控制圍巖變形，增大了支護錨固力。

(2)自旋錨管在施工注漿的過程中可以邊鉆進邊注漿，使漿液順著旋絲往出流，能夠更好地排出漿液中的氣泡，達到更有效的錨固飽和度。

(3)基于自穩隱形拱理論進行的自旋錨管支護技術在試驗段監測中隧道拱頂變形量最大值為48mm，周邊收斂變形量最大值為307mm，基底隆起最大值為152mm，驗證了該支護技術的可行性。