淺析龍昌隧道中新奧法施工SN錨桿受力機(jī)理及注漿工藝

郭 磊 馬建云 陳加寶 周 陽(yáng)

（中交二公局第六工程有限公司，陜西 西安 710075 ）

1 新奧法的應(yīng)用

新奧法對(duì)巖體方面的認(rèn)識(shí)具有開(kāi)創(chuàng)性的觀點(diǎn)，認(rèn)為二次應(yīng)力的及切割結(jié)構(gòu)面會(huì)導(dǎo)致巖體失穩(wěn)，并認(rèn)為洞室開(kāi)挖后產(chǎn)生的圍巖壓力由巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，且大部分由巖體承擔(dān)。

塑性形變壓力與塑性松動(dòng)壓力組合成為洞室開(kāi)挖后的圍巖壓力。通過(guò)分析研究彈塑性理論，將圍巖塑性形變壓力和塑性松動(dòng)壓力疊加之后，其隨徑向位移變化的曲線，是一條兩端高中間低的曲線。主設(shè)計(jì)中的隧道截面形式如圖1 所示。

圖1 主設(shè)計(jì)中的隧道截面形式

新奧法在施工過(guò)程中不僅會(huì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)洞內(nèi)內(nèi)壁的收斂位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支護(hù)與圍巖交接面的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)對(duì)錨桿所受的應(yīng)力以及洞室圍巖的位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)不僅全面而且詳細(xì)，并將監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的曲線（如收斂位移與時(shí)間的曲線），據(jù)此可分析巖體的穩(wěn)定性。

2 SN 錨桿支護(hù)及其與圍巖相互作用機(jī)理、錨固機(jī)理

SN 錨桿為全長(zhǎng)型錨固錨桿，應(yīng)用范圍較為廣泛，在龍昌隧道的施工中起到了至關(guān)重要的作用，它不僅加固了圍巖的穩(wěn)定性，而且大大降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，是一種非常重要的支護(hù)手段。施工結(jié)束后，錨桿可作為一種永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮著非常重要的作用。

SN 錨桿作用效果:

（1）懸吊效果

由于爆破，會(huì)使巖塊發(fā)生松動(dòng)，甚至掉落，具有極大的安全隱患，可利用SN 錨桿將松動(dòng)的巖塊與沒(méi)有松動(dòng)的圍巖錨固在一起。為增大固定效果，將裂隙發(fā)育的圍巖與噴射混凝土同時(shí)使用。

（2）梁式效果

通過(guò)SN 錨桿的錨固作用將龍昌隧道周邊層狀圍巖中分離的層理面疊合，形成疊合梁，層理面之間可傳遞剪力，SN 錨桿發(fā)揮了組合梁的效果。

（3）內(nèi)壓效果

通過(guò)在龍昌隧道壁面上噴射混凝土，使錨桿軸力產(chǎn)生了內(nèi)壓作用，隧道周邊呈三軸應(yīng)力狀態(tài)，在控制隧道周邊圍巖的塑性化和擴(kuò)大及隧道凈空位移起到良好的效果。

（4）拱效果

SN 錨桿的內(nèi)壓效果使圍巖形成了一個(gè)承載拱，加強(qiáng)了隧道周邊圍巖的承載能力的同時(shí)，有效控制了隧道凈空位移。

（5）圍巖改良效果

SN 錨桿的使用將圍巖的抗剪強(qiáng)度和屈服后的殘余強(qiáng)度變大了，從而使圍巖的特性得到了優(yōu)化。

3 SN 錨桿注漿工藝

SN 錨桿采用奧地利MAI 400NT 凈漿注漿機(jī)，先往孔內(nèi)注稠度較大的水泥凈漿，之后再將SN 錨桿插入孔內(nèi)，此時(shí)與SN 錨桿等體積的凈漿將會(huì)灌入周圍巖層的裂隙和空洞中，并粘結(jié)在孔壁上，從而使水泥凈漿、SN 錨桿與圍巖形成一個(gè)整體。錨桿墊板的安裝采用扭力扳手完成，使SN 錨桿的錨固作用得到加強(qiáng)，使初支砼與圍巖能更好地緊密結(jié)合為一體，增強(qiáng)初支穩(wěn)定性。

3.1 SN 錨桿材料

SN 錨桿的材料要求如下：

（1）根據(jù)規(guī)范 EN10080 要求，SN 錨桿最小直徑 25mm，鋼材等級(jí) B500B；

（2）規(guī)定的破壞荷載同樣適用于螺紋、螺母、錨墊板；

（3）錨墊板的鋼材等級(jí)為 S235，尺寸最小為 150×150mm，厚度 8mm；

（4）墊圈和螺母要確保安全地把錨拉力傳遞給錨墊板。

SN 錨桿見(jiàn)圖2。

圖2 SN 錨桿

3.2 水泥凈漿

（1）在進(jìn)行錨桿接受/驗(yàn)證檢測(cè)之前，首先對(duì)錨桿安裝所使用的水泥凈漿配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，以確定配合比設(shè)計(jì)要達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度要求，并根據(jù)所要用的壓漿設(shè)備確定其和易性，同時(shí)將驗(yàn)證的配合上報(bào)給監(jiān)理工程師，得到監(jiān)理工程師的審批；凈漿配合比驗(yàn)證時(shí)，監(jiān)理工程師要旁站，在注漿機(jī)出漿口進(jìn)行取樣，隨后檢測(cè)其 3 天和 28 天強(qiáng)度是否滿足要求；

（2）為了使水泥凈漿具有更好的和易性，可添加一些外加劑進(jìn)行改善；

（3）凈漿試驗(yàn)檢測(cè)應(yīng)該在 4×4×16cm 試塊上進(jìn)行，試塊應(yīng)在溫度 20±2 ℃水中養(yǎng)護(hù)直到檢測(cè)；

（4）每次進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)應(yīng)準(zhǔn)備 3 個(gè)試塊，按照規(guī)范 EN196-1 要求，1 個(gè)為檢測(cè) 3 天強(qiáng)度，2 個(gè)為檢測(cè) 28 天強(qiáng)度；

（5）水泥凈漿抗壓強(qiáng)度要求 ：水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度于3 天后達(dá)到8MPa，于28 天后達(dá)到20MPa 。

本隧道采用水泥凈漿錨固錨桿，水泥凈漿配合比見(jiàn)下表，這種水泥凈漿拌合后成膏狀，不具有流動(dòng)性，特別適合于隧道洞內(nèi)洞頂錨桿的安裝，同時(shí)具有強(qiáng)度高，無(wú)收縮等優(yōu)點(diǎn)。水泥凈漿的配合比見(jiàn)表1。

表1 水泥凈漿配合比

3.3 注漿設(shè)備

采用的奧地利生產(chǎn)的MAI 400NT 注漿機(jī)，這種注漿機(jī)除用于邊坡防護(hù)和基坑防護(hù)外，亦成功應(yīng)用于地下工程施工，如礦井、隧道工程施工。這種設(shè)備采用新型注水系統(tǒng)，加之新型且清晰的塑料操控面板，保證了機(jī)械的操作方便和材料的拌合質(zhì)量。這種機(jī)械能夠確保各組分材料比例一致，拌合材料的質(zhì)量恒定，能夠成功的滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求，具有很高的工作效率及實(shí)用性（水泥凈漿在現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)拌現(xiàn)注，且水泥凈漿呈膏狀，流動(dòng)性低，稠度可調(diào)），防止隧道拱頂錨桿注漿倒流不能有效止?jié){形成空洞的現(xiàn)象，確保注漿的密實(shí)性及錨桿的錨固力。

與傳統(tǒng)的注漿泵相比，MAI 400NT 注漿機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)： 1.重量減輕 2/3；2.更易于挪動(dòng)； 3.連續(xù)的非脈沖壓力； 4.改善材料使用，減少浪費(fèi)； 5.隨時(shí)快速靈活地適用于各種地質(zhì)條件。 MAI 400NT 注漿機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 MAI 400NT注漿機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖2 MAI 400NT 注漿機(jī)

4 SN 錨桿施工工藝

SN 錨桿安裝施工工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 錨桿安裝施工工藝流程圖

采用SN 錨桿法后，施工工藝流程順序如圖4 所示。

圖4 引用歐標(biāo)SN 錨桿后施工工藝流程

4.1 SN 錨桿鉆孔

采用 Boomer 錨桿鉆機(jī)進(jìn)行 SN 錨桿鉆孔，Boomer 錨桿鉆機(jī)具有自動(dòng)鉆孔、操作靈活、鉆臂可 360°旋轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

鉆孔時(shí)應(yīng)注意，要根據(jù)巖體類型規(guī)定的支護(hù)條件確定錨桿長(zhǎng)度，所有類型錨桿鉆孔深度要滿足其長(zhǎng)度要求，鉆孔直徑要確保壓漿、連接器及安裝工作的順利進(jìn)行。最小鉆孔直徑要比錨桿直徑/連接器直徑大 10mm，鉆孔方向沿著隧道斷面的徑向方向，有時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況對(duì)鉆孔方向進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.2 清孔

在鉆孔后，為了確保孔內(nèi)無(wú)碎屑及爛泥，可采用高壓風(fēng)對(duì)鉆設(shè)好的孔進(jìn)行清孔工作，清孔完成后 3 個(gè)小時(shí)內(nèi)要完成錨桿安裝。

4.3 孔內(nèi)注漿

在錨桿安裝前，整個(gè)孔內(nèi)應(yīng)充滿水泥凈漿，注漿前，首先調(diào)整漿液稠度，要先用稀漿液潤(rùn)滑整個(gè)注漿管道，隨后通過(guò)調(diào)節(jié)出水量，逐漸調(diào)整漿液至標(biāo)準(zhǔn)稠度，確保漿液質(zhì)量合格。注漿時(shí)，注漿管插入到鉆孔底部，邊注漿邊抽管，整個(gè)過(guò)程中需將壓漿管嘴始終處在漿液內(nèi)，這樣隨著壓漿管的抽出，孔內(nèi)的空氣也隨之排出，即孔被漿液灌滿。

4.4 錨桿安裝

錨桿安裝時(shí)，為安全作業(yè)，采用液壓平臺(tái)車配合人工完成，同時(shí)為確保錨桿的快速有效安裝，在錨桿端頭加裝電鎬，借其電動(dòng)推力快速將錨桿安裝到位，這樣不僅節(jié)省時(shí)間，更使錨桿和周圍漿液有效的粘合，保障了錨桿的牢固錨固。

安裝過(guò)程中要填寫錨桿安裝記錄表，內(nèi)容包括安裝部位、錨桿類型、長(zhǎng)度、安裝時(shí)間、漿液配比等內(nèi)容，安裝完成后向監(jiān)理工程師提交此表，待水泥凈漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，即可進(jìn)行下一道施工工序 □ 緊固錨墊板螺栓。

4.5 擰緊螺栓，固定錨墊板

水泥凈漿達(dá)到一定強(qiáng)度后（一般 12 小時(shí)即可），要用標(biāo)定的扭矩扳手緊固螺栓，要保證緊固后的螺栓作用在錨墊板的力不小于 20KN。

5 結(jié)論

文章結(jié)合龍昌隧道實(shí)際工程中應(yīng)用的SN 錨桿，詳細(xì)介紹注漿工藝。大大提高安全性，為以后隧道施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（1）全長(zhǎng)錨桿與圍巖共同承擔(dān)載荷，這種方式的的協(xié)調(diào)性要優(yōu)于其他支護(hù)形式。

（2）長(zhǎng)錨桿的錨固效果在臨界錨固長(zhǎng)度范圍內(nèi)要優(yōu)于短錨桿，但當(dāng)超過(guò)了臨界長(zhǎng)度，其錨固效果不會(huì)增加。

（3）采用SN 錨桿降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、減少洞內(nèi)操作人員的數(shù)量，也提高了工效，同時(shí)在很大程度上提高了施工的安全系數(shù)。