大變形隧道長錨桿雙球閥桿外注漿施工技術研究

崔 磊

（中鐵十七局集團第一工程有限公司 山東青島 266555）

1 工程概況

1.1 項目簡介

新建成蘭鐵路CLZQ-7標，正線長度7.317 km，位于茂縣光明鄉境內。

茂縣隧道起訖里程D8K125＋250～D8K135＋163，按左線拉通，全長9 913 m，標段施工進口段6 110 m。

茂縣隧道穿越龍門山后山茂汶活動斷裂帶，地層產狀紊亂多變，背斜向斜發育，地質構造復雜，為Ⅰ級風險隧道。

1.2 地質概況

茂汶活動斷裂帶（龍門山后山斷裂）為一條北東向的壓扭性大斷裂，斷層走向N40°E，傾向NW，傾角70～80°，龍門山目前以0.3～0.4 mm/年的速率持續隆升［1-2］。根據地勘資料及平行導坑開挖揭示確定茂汶活動斷層與茂縣隧道相交里程為D8K128＋080～D8K127＋687、YD8K128＋084～YD8K127＋691，該段存在嚴重大變形風險。

茂縣隧道最大埋深1 646 m，根據應力解除法測試，最大主應力 27.51 MPa［3］，最小主應力 16.35 MPa。

茂縣隧道大變形段開挖揭示圍巖為志留系茂縣群炭質千枚巖，局部夾石英脈，灰黑色，弱風化，變晶結構，碎裂狀構造。受斷層構造影響，節理裂隙極發育，圍巖極破碎，整體濕潤，圍巖穩定性極差。

利用中國科學院武漢中研科技股份有限公司研制的RSM-RCT（B）聲波探測儀測試茂縣隧道大變形段松動圈范圍為8 m［4］。

2 施工難點

隧道支護中，錨桿與鋼架網噴形成支護體系，控制圍巖的塑性變形，減少坍塌風險［5］。錨桿施工質量控制主要存在以下難點：

（1）軟弱圍巖、斷層破碎帶使得鉆孔極易坍塌，普通鉆桿剛度小，鉆孔順直度差，砂漿錨桿施工困難。

（2）煤礦氣腿式鑿巖機施工長錨桿存在局限性，打設成功率低、時間長。

（3）高地應力下炭質千枚巖軟巖大變形地段其圍巖遇水泥化現象嚴重，注漿過程易堵孔。

（4）拱部自進式錨桿桿體作為注漿通道，長度為10 m，由于排氣管難以插入錨桿孔底，漿液倒流至排氣管高度即溢漿，排氣管至孔底部分漿液不飽滿。

（5）采用單球閥注漿時，先拔掉注漿管再封堵注漿孔，由于孔內壓力的存在，漿液回流導致錨桿孔內漿液飽滿度下降。

（6）現場自進式錨桿注漿施工普遍做法為將止漿閥焊接在自進式錨桿尾部，注漿結束后難以重復利用，造成材料浪費，焊接過程增加了工序時間和勞動強度。

3 錨桿施工

3.1 錨桿選型

根據松動圈測試結果，錨桿長度確定為10 m。軟巖大變形段落給砂漿錨桿施工帶來了極大的困難。首先，軟弱圍巖、斷層破碎帶使得鉆孔極易坍塌，難以保證錨桿孔的通暢；其次，目前鉆桿剛度小，很難保證錨桿孔的順直，而錨桿的剛度大于鉆桿，插桿困難；最后，采用三臺階法施工，上臺階核心土的阻擋對于單根長10 m的錨桿安裝存在困難。自進式錨桿為分節鉆進，集鉆桿、錨桿、注漿管三體合一［6］，成功解決了普通砂漿錨桿的施工難題。

3.2 設備選型

（1）煤礦氣腿式鑿巖機打設能力不足

隧道錨桿施工常用的鉆孔設備為煤礦氣腿式鑿巖機。在之前茂縣隧道一號斜井施工過程中，為有效控制斜井變形，初期支護中采用自進式錨桿，打設長度為8 m，打設方案及時間見表1、表2。

表1 自進式錨桿打設時間（方案一） min

表2 自進式錨桿打設時間（方案二） min

理論上，在每種方案上加設一根2 m自進式錨桿即可滿足左線小里程自進式錨桿施工。但是在現場試驗過程中發現，使用煤礦氣腿式鑿巖機打設自進式錨桿長度達到8 m后接長至10 m時，自進式錨桿存在只旋轉而難以繼續鉆入的情況，雖然有些自進式錨桿能夠鉆入10 m長度，但是最后一根2 m錨桿鉆入時間過長，達到20～30 min。將錨桿取出后發現鉆頭端部被磨平，說明對于煤礦氣腿式鑿巖機而言，從打設能力來說，打設8 m及以下自進式錨桿是可行的，超過8 m自進式錨桿打設成功率比較低且時間長。

（2）施工現場限制

按2 m的自進式錨桿接長方案施工而言，桿體長2 m，風鉆正常工作氣腿到風鉆頭垂直距離為1.2 m，也就是煤礦氣腿式鑿巖機正常工作的空間是3.2 m。上臺階高度僅3.14 m，要求垂直于初支面打設是難以實現的。因此選擇合適的機具打設自進式錨桿十分必要。

（3）DCM2-90液壓錨桿鉆車

茂縣隧道一號斜井與茂縣隧道左線線間距30 m，斜井的圍巖情況在一定程度上反映了左線的圍巖情況，根據已開挖的左線段落揭示得以證實。因此，液壓錨桿鉆車進場后，為不耽誤左線施工，首先就打設能力在一號斜井對應段落進行試驗，錨桿每根長度2 m。試驗結果見表3。

表3 鉆機打設錨桿用時min

實際上第8根即14 m以后成功率在40%以下，因此試驗以打設14 m為統計標準。根據試驗結果分析，打設14m時間平均在26.8min，而打設10m平均時間在15.4 min。

液壓錨桿鉆車要求作業空間為2.8 m左右，且可以調整位置和角度以按要求打設自進式錨桿。

3.3 施工準備

（1）場地平整

出渣完成后即對場地進行平整，平整范圍為掌子面向后8 m，要求場地盡量水平，以保持錨桿鉆機整體穩定。在隧道離拱腳1.5 m處沿隧道縱向挖一條水溝，將水引流至集水坑，用水泵抽離掌子面，防止打設錨桿的施工用水浸泡拱腳或者在掌子面漫流。

（2）動力

液壓錨桿鉆車為發動機與電動機雙動力切換，行走動力源為發動機，工作機構動力源為電動機。供電電壓為交流三相380 V，電動機功率為55 kW，功率較大，因此要提前準備專用配電箱。

3.4 錨桿打設

在初期支護混凝土上按設計要求的縱向和環向間距標記自進式錨桿的孔位［7］。

（1）連接鉆頭和自進式錨桿、風鉆和釬尾、鉆車釬尾套和釬尾等。

（2）錨桿對準設計的孔位位置，先通水再旋轉鉆進，慢慢推進，直到設計深度。

（3）自進式錨桿鉆進到設計要求的深度后，液壓錨桿鉆車自動卸桿，使桿體尾部和釬尾脫離，完成自進式錨桿打設。

（4）將排氣管穿過止漿塞的排氣孔，并盡量將排氣管深入錨桿孔內［8-9］，用鋼管將止漿塞通過錨桿外露端打入孔口100 mm左右封孔進行注漿。如注漿壓力較大或圍巖較為破碎，也可采用錨固劑封孔。

3.5 自進式錨桿注漿工藝

（1）自進式錨桿吹孔

吹孔的目的是將孔壁及孔內殘留的碎渣清除，提高漿液與圍巖的黏結性，從而提高錨桿錨固力［10］。

利用錨桿鉆機臺車將自進式錨桿外拔5 cm，防止孔底淤泥將自進式錨桿鉆頭上設置的注漿孔堵塞導致注漿不暢。

組合接頭（見圖1）采用自進式錨桿連接套和DN20鍍鋅鋼管焊接而成，該組合接頭可實現兩用。組合接頭一端連接自進式錨桿，另一端連接高壓風管，實現對自進式錨桿孔吹孔的作用；二是桿外注漿時作為排氣管的止漿閥。

圖1 組合接頭

將自進式錨桿與組合接頭連接，緩緩打開球閥，高壓風（最大到1.5 MPa）進入錨桿中心孔，吹孔3～5 min，直至吹出物為粉末狀，至此吹孔工作完成。為節約工序時間，吹孔作業可采用風包分接多條風管同時吹孔。

（2）錨桿注漿方式的選擇

注漿方式分為雙球閥桿外注漿及桿內注漿兩種。對于拱部向上的錨桿，必須采用桿外注漿，對于邊墻水平或向下的錨桿，可采用桿內注漿方式。

桿內注漿（見圖2）時，漿液通過中空桿體進入錨桿孔，從錨孔底部開始向孔口灌漿，從排氣管返漿，返漿后先關閉排氣管球閥，然后關閉中空錨桿兩個球閥。

桿外注漿（見圖3）時，漿液通過注漿管進入錨桿孔，從孔口開始向錨孔底部灌漿，待底部充滿漿液后從中空桿體返漿，返漿后先關閉中空錨桿球閥，然后關閉注漿管兩個球閥。

圖2 桿內注漿示意

圖3 桿外注漿示意

圖2～圖3中，1為隧道圍巖；2為注漿彎管；3為注漿彎管車絲端；4為注漿球閥；5為變徑接頭；6為注漿管；7為組合接頭；8為封口錨固劑；9為自進式錨桿桿體；10為鉆頭。

采用雙球閥的目的是確保注漿飽滿，防止漿液回流。經驗數據表明，采用一般的方式，先拔掉注漿管再封堵注漿孔，由于孔內壓力的存在，漿液回流會導致飽滿度由100%迅速降低至70%。

拱部錨桿將直徑為5 mm的排氣管換成直徑為20 mm的PVC排氣管或鍍鋅鋼管（見圖4）。采用排氣管注漿，桿體排氣的方式注漿［11-12］。

圖4 兩種排氣管照片

拱部打設10根自進式錨桿，使用改進后的φ20 mm PVC排氣管作為注漿管注漿，28 d后進行無損檢測測定其飽滿度，對比結果見表4。

表4 改進前后自進式錨桿飽滿度對比

拱部錨桿改變注漿方式后，注漿量和飽滿度都有顯著提高，提高了錨桿與圍巖的錨固效果。

（3）注漿配合比

綜合考慮注漿體強度、漿液凝固后的收縮率及堵管風險等因素，經多次試驗，確定施工采用的配合比為水泥∶水∶減水劑 ＝1∶0.375∶0.005（質量比）。

（4）注漿泵選型

目前注漿泵有擠壓式注漿泵、螺桿式注漿泵及活塞式注漿泵［13］。

活塞式注漿泵注漿壓力為正弦式，注漿壓力峰值和低值差距較大。在壓力峰值時容易對圍巖裂隙進行加壓，導致裂隙張開，注漿量增大。因而活塞式注漿泵既適用于壓力不高的填充注漿，也適用于高壓力的劈裂注漿。

螺桿泵注漿壓力平順，不存在峰值和低值，但需密切注意壓力變化，壓力達到設定值時需停止注漿，否則壓力上升較快，因為螺桿泵不會回漿。

擠壓泵與螺桿泵一樣具備注漿壓力平順的特點，孔內壓力超過設定壓力后漿液不再注入，且可以回漿。

螺桿泵和擠壓泵適用于壓力不高的填充注漿。對于錨桿注漿，注漿泵的選用次序依次為擠壓泵、螺桿泵、活塞泵。

（5）注漿

檢查確認注漿泵狀態良好，配置的漿液符合圍巖情況及設計要求。

將排氣管或注漿管插入孔內，利用錨固劑封堵孔口，錨固劑浸泡時間以手捏感覺變軟為宜，孔口附近混凝土用水打濕。對拱部錨桿孔，可適當多塞入一點錨固劑，使孔口封堵效果更佳。

漿液中添加減水劑來增加流動度，流動度的判定標準為：手指插入漿液取出后手指垂直向下，漿液順手指緩慢下流，漿液在手指上流動時間一般在3 s左右，達到此標準則為流動度合格。流動度小時應增加減水劑，流動度過大時需調整水灰比或減水劑摻量。

將錨桿和注漿管及注漿泵用組合接頭連接好，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。開動注漿泵注漿，整個過程應連續，待注漿壓力達到1.0 MPa時，暫停注漿15 s，然后繼續注漿，重復幾次直至注漿機開機壓力達到0.8～1.0 MPa。觀察漿液從排氣管溢漿狀態，若溢漿呈泡沫狀，說明錨桿孔內漿液未填充飽滿；當持續流出的水泥漿無泡沫時說明注漿飽滿。

4 結束語

DCM2-90液壓錨桿鉆車的使用解決了隧道長錨桿打設及施工效率低的問題；桿外注漿工藝及雙球閥的使用提高了拱部錨桿的注漿飽滿度；利用自進式錨桿連接套與鍍鋅鋼管制作的可循環使用的接頭，節約了人力及物力。