公路隧道普通預應力錨索施工技術及監理要點

楊 鑫 李 鑫

（四川省公路院工程監理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

蘭州至海口國家高速公路（G75）渭源至武都段木寨嶺特長隧道施工中鋼拱架扭曲變形并侵限，施工進度緩慢。引入了普通預應力錨索替代中空錨桿來控制隧道大變形，減少了初期支護變形侵限和拱架拆換，保證了工程進度，取得顯著成效。本文就普通預應力錨索施工質量控制要點，結合工程實例，從錨索加工、成孔、安裝、張拉、試驗檢測等方面總結監理經驗。

1 普通預應力錨索施作方法與設計參數

隧道錨索是一種設置于鉆孔內，前端嵌入穩定巖層中的鋼絞線與尾端夾具固定形成受拉桿體，前端錨固段采用樹脂錨固劑快速錨固，中部為自由端，采用黃油及橡膠包裹以防腐，尾端通過鋼帶、鋼墊板、錨夾具實施錨固，作用在圍巖臨空面上，協同鋼拱架及噴射混凝土等結構組成初期支護結構。通過施加高預緊力，對圍巖進行反向約束，能夠在隧道圍巖發生大變形時控制沉降、收斂變形，改善圍巖受力狀態，實現隧道軟巖大變形可控的目標，錨索工作示意圖如圖1所示。

圖1 錨索工作示意圖

普通預應力錨索施工技術主要設計參數為：錨索用普通防腐錨索，鋼絞線直徑為21.8 mm，強度等級1 860 MPa;鉆孔直徑為32 mm，錨索長度分為5 m和10 m兩種，間排布設，環向間距為100 cm,縱向間距為160 cm，正常斷面每環25根，緊急停車帶斷面每環29根，采用樹脂錨固劑進行端頭錨固，5 m錨索錨固端長度不小于1.2 m，10 m錨索錨固端長度不小于1.5 m；W型鋼帶材質為Q235，寬280 mm、厚2.8 mm,錨墊板為鋼板，尺寸為300 mm×300 mm×16 mm；錨索張拉力不小于300 kN，錨索抗拔力不小于350 kN。

2 項目概述

渭源至武都高速公路定西段木寨嶺特長隧道全長15.2 km，設計有3個斜井，為全國在建第三長公路隧道，位于甘肅省定西市岷縣與彰縣交界，與蘭渝鐵路木寨嶺隧道平行距離約750～1 150 m，木寨嶺鐵路隧道有8個斜井，全長19 km，因地質條件復雜，施工難度大，耗時近9年。木寨嶺公路隧道區域水文地質條件復雜，最大埋深為629.1 m，全隧V級圍巖，褶皺帶活動強烈，近東西走向斷層發育；3個背斜、3個向斜、6處褶皺、12條斷層；地應力主方向為N34°E，最大水平主應力為18.86 MPa。Rc∕σmax值均小于4，屬極高應力區；隧道存在構造交匯部位地應力高度集中、活動斷層、強震活動、深埋非均質軟巖大變形等各類風險。圍巖主要是薄層狀灰黑色炭質板巖，大部分圍巖扭曲嚴重。圍巖破碎，節理裂隙發育，層理呈壓扭性不規則狀；整體性差，自穩能力弱，易掉塊坍塌，易發生順層滑塌。

木寨嶺公路隧道支護方案原按新奧法支護理論進行設計，襯砌結構支護方案主要為SVc、SVf型[1]，參數設計分別為：

（1）SVc型襯砌類型：HW175型鋼拱架，間距為80 cm∕榀（仰拱處未封閉）；Ф42超前注漿小導管，L=4.5 m，環向間距為40 cm；徑向設Ф25中空注漿錨桿，長4.0 m，間距為100 cm×80 cm(環×縱)；Ф8鋼筋網；C25早強噴射混凝土，厚25 cm；二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度為50 cm；預留變形量為20 cm。

（2）SVf型襯砌類型：HW175型鋼拱架，間距為50 cm∕榀（仰拱封閉）；Ф42超前注漿小導管，L=4.5 m，環向間距為40 cm；徑向分別設Ф42徑向注漿導管（長4.0 m）及φ25自進式錨桿（長5.0 m），間距為100 cm×150 cm(環×縱)，交錯布置；φ8鋼筋網；C25 早強噴射混凝土，厚28 cm；二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度為55 cm。上中臺階、中下臺階之間各設一道臨時仰拱，I18工字鋼架間距為50 cm，C25早強噴射混凝土，厚18cm；預留變形量為35cm。

3 存在的問題與對策

項目于2016年5月開工，采用臺階法開挖，圍巖破碎松散，支護變形剝落，鋼拱架扭曲變形并侵限，施工進度緩慢。其中2#和3#斜井總長3 078 m，施工期間共發生14處大變形，長度為997 m，占總長度32.4%，初期支護拱架拆換率分別達到30%和36%。其中2#斜井月最小進尺僅為9 m。隧道最大拱頂沉降為214～513 mm，最大累計水平收斂值為637～1 224 mm。施工難度大、風險高，高頻拆換也存在一定的安全隱患。

項目于2019年初引進預應力錨索施工工藝，是以應力補償為出發點，基于主動支護和被動支護相協調的高預緊力錨索支護方案。通過爆破后及時施作高預緊力錨索主動技護體系，盡快恢復圍巖開挖前的三向應力狀態，補償圍巖表面應力缺失。高預緊力錨索支護體系基于懸吊、組合梁及承載拱理論，通過短錨索預應力擠壓作用，使軟弱破碎巖體形成組合梁和承載拱，利用長錨索將組合梁和承載拱懸吊在穩定的巖體上，提升或恢復圍巖的自承載能力，分散周圍不均布圍巖荷載，控制圍巖層間不均勻錯動，減少初期支護鋼架承受的圍巖壓力，控制變形。

錨索設計方案取消環向Ф25 中空注漿錨桿，替換為普通預應力錨索。施作錨索后初期支護變形絕大部分均控制在300 mm以內，極少數位于300～500 mm，極大地改善了原來初期支護拆換頻率過高問題，各作業面月平均進尺約為45～60 m。預應力錨索的使用有效地控制了隧道圍巖變形，并保證了工程進度。

4 普通預應力錨索施工工藝流程及質量控制監理要點

4.1 普通預應力錨索的施工工藝流程

普通預應力錨索的施工工藝流程：開挖后進行必要的安全防護（如初噴、采用液壓支柱對掌子面進行臨時支撐等）→確定錨索位置→鉆機就位，進行鉆孔→清孔→安裝錨固劑→插入錨索→攪拌錨固→固定W型鋼帶→放置鋼墊板→安裝錨具→張拉錨固→切割外露端錨索[2]。

4.2 監理質量控制要點

（1）材料準備：錨索規格型號、物理性能指標外委檢測合格后，即可進行錨索加工，按設計長度加上錨固端長度進行下料，考慮到錨索張拉時千斤頂需要的自由工作長度，下料長度增加30 cm，即5 m錨索下料長度為5.3 m，10 m錨索下料長度為10.3 m。鋼絞線的切割必須用砂輪切割機，不得采用電焊或用氧炔焰切割，且保證端頭平整，不得松散和滑絲。因錨索中間端為自由端，且沒有注漿，為了保證鋼絞線的耐久性，設計要求錨索廠家對鋼絞線進行防腐處理，即對鋼絞線采用先黃油包裹然后加橡膠套進行保護的防腐工藝。為保證錨固質量，減少油脂對錨固劑和鋼絞線連接的影響，在下料切割后需對錨固端和張拉端進行剝橡膠皮和除黃油工作，5 m錨索剝除膠套長度1.2 m，10 m錨索剝除膠套長度1.6 m，剝除端長度與設計的錨固端長度相符。隨后采用油脂浸泡和紗布擦除的方式去掉黃油，黃油清理干凈是保證錨固劑與鋼絞線粘合質量的關鍵。采用紙張擦拭鋼絞線，無明顯黃油為合格，監理人員應按批次進行檢查驗收。監理人員需要對下料長度、錨索外觀質量（橡膠套及鋼絞線有無破損）、錨固端及張拉端剝皮長度、錨固端黃油去除質量進行尺量和目測驗收。

（2）開挖后巖面存在部分松動，易掉塊傷人，需要對巖面進行觀察并排危，確保作業人員安全。對于圍巖松散易掉塊地段，采取必要的安全防護措施，如木支撐、掛網等，監理人員應同時要求安全員加強觀察和警戒。隧道施工屬地下高危作業，一切的作業必須以保證安全為前堤，當發現測量數據有不正常變化或突變，洞內或地表位移值大于允許位移值，洞內或地面出現裂縫以及噴層出現異常裂縫時，均應視為危險信號，必須立即通知作業人員撤離現場，待制定處理方案后才能繼續施工。

（3）初噴混凝土后，技術人員根據設計要求選擇鉆孔點位，并用紅油漆進行標注。為使錨索更好地發揮錨固作用，鉆孔時應對巖層走向進行判斷，使錨索的打設方向盡量與巖面垂直或與巖層大角度相交。對于鉆孔深度，允許誤差范圍為±100 mm，鉆孔直徑為32 mm，鉆孔結束應進行清孔，用風槍吹掉浮渣和孔內明水，如果遇到股狀或者線狀出水，也可以將該鉆孔作為引水孔，在旁邊補打錨孔。錨固劑的安裝由2～3人配合，用偏硬的塑料圓管將錨固劑緩緩送入錨孔內，注意不能反復抽拉錨索劃破錨固劑，確保錨固劑全部送到孔底。需注意錨固段長度和錨固劑數量關系，本項目1.2 m錨固段使用2360型錨固劑2支，1.5 m錨固段使用2360型錨固劑3支，然后用錨桿鉆機，邊推錨索邊旋轉攪拌，攪拌時間控制在30～50 s，需保證錨固劑攪拌均勻。攪拌過程中不能停頓，不能反復間歇攪拌，否則會破壞已開始聚合反應的樹脂分子鏈，導致錨固劑失效。停止攪拌后，但繼續保持錨桿鉆機的推力約2～3 min，并在攪拌完成15 min 后安裝托板和錨具。

根據設計要求，5 m錨索錨固長度不小于1.2 m，10 m錨索錨固長度不小于1.5 m，有效的錨固長度和錨固質量是確保錨索達到設計張拉力值的保證，在鉆孔階段，監理人員主要是檢查鉆孔方向、現場清點錨索數量、鉆孔深度、尺量錨索下料長度、錨固劑數量是否符合設計要求；孔口巖面平整，有助于鋼墊板和巖面緊貼。當遇圍巖有塌腔，打孔困難，或者孔位塌孔導致穿錨不成功，應要求施工單位在具備作業條件時進行補打孔，保證錨索施工數量與設計相符。同時監理人員要檢查錨固劑質量和數量，錨固劑應選擇凝結時間為91～180 s的中速錨固劑，以使攪拌結束時，錨固劑能有效工作；凝結時間太短（低于90 s）的錨固劑使得工人的操作時間緊張，存在攪拌不充分時錨固劑已經使開始凝結的情況，達不到錨固效果。嚴禁使用破損和超過質保期3個月的錨固劑。錨固劑質量驗收及檢測標準為《樹脂錨桿第1部分：錨固劑》（MT 146.1-2011）。

（4）張拉階段：本項目設計錨索張拉力為300 kN，采用MQ22-500∕60型礦用錨索張拉機，配合穿心式千斤頂使用，設備最大張拉力為600 kN，動力源為風動。監理工程師在設備查驗時應要求張拉力在設備最大量程的20%～80%之間，錨索與錨索間每三個或兩個采用W型鋼帶串聯；W型鋼帶布置與隧道掘進方向垂直。安裝時鋼帶、鋼板盡量與巖面緊貼，使用張拉設備對錨索進行預緊和張拉時，應預留出足夠的錨固劑凝結時間，本項目在攪拌結束15 min后安裝鋼帶、錨墊板，然后再張拉錨索；張拉時，對鋼絞線進行先預緊再張拉（因為千斤頂行程及鋼絞線有松弛度），直至張拉到大于設計值并記錄。設計預緊力為300 kN，鋼絞線出現位移和松動時應記錄和補打，或者重新清孔穿索。本階段監理要點是等待錨固劑凝結時間達到要求后，對錨索進行張拉，張拉力必須要大于設計值（5～25 kN），張拉到設計值后需穩張拉約10 s，保證張拉效果。

施工完成后按規范頻率進行錨索抗拔力檢測，錨索抗拔力檢測可以在張拉后立即進行，也可以在初噴混凝土后預留一定數量錨索進行檢測，檢測數量按錨桿總數1%且不少于3根。抗拔力檢測不合格視為錨索質量不合格，應總結原因，并補打錨索直至檢測合格。檢測結束用切割機切除錨固端多余鋼絞線。

張拉力值和抗拔力符合設計要求是錨索對圍巖主動防護的關鍵，根據驗收標準，監理人員和技術人員需逐根記錄張拉力值，對張拉力值不夠、張拉時錨索移位失效的，必須及時補張拉，可在附近補打錨索，或者用張拉器將不合格的錨索拔出，對原孔清孔后重新安裝錨索。對出現的問題要分析原因并及時總結，必須確保錨索施工數量和質量滿足設計要求。

5 錨索施工準備階段監理控制要點

（1）收集監理依據，熟悉并掌握工程建設技術標準、規程、規范和質量檢驗評定標準。

（2）研究并熟悉錨索施工設計圖、地質資料和相關施工作業規范、規程，特別是設計說明。

（3）參加施工圖設計交底，監理工程師要正確領會設計意圖，認真記錄。

（4）核查現場技術管理人員、施工隊伍及人員素質，特殊工種持證上崗，核查技術交底、安全教育培訓實施情況是否滿足要求。

（5）督促施工單位建立健全質量安全保證體系，核查運行狀況，并確保正常運作。

（6）檢查進場施工設備是否完好、齊備，張拉設備含油表及千斤頂需進行配套標定，施工所用的鉆孔機具必須滿足錨索鉆孔相關要求。

（7）核查測量儀器出廠合格證和檢定證書，確保檢定證書在有效期限內，要求機證相符。

（8）檢查鋼絞線、錨固劑、錨具等材料的出廠合格證或質量保證書，并按規范頻率要求對材料見證取樣送檢，檢驗合格后方可使用。

（9）審查施工單位提交的錨索專項施工技術方案，并在開工前進行批復。

（10）開展錨索工藝試驗段總結，對現場施工組織、施工質量管控進行總結和優化。

6 結束語

復雜地質條件下的隧道施工面臨諸多問題，合適的支護方案和嚴格監理工作是確保安全施工的重中之重，亦能有效提升施工效率。本文依托木寨嶺公路隧道，簡要介紹了預應力錨索施工技術，實踐表明預應力錨索技術能有效控制軟巖大變形，提高施工效率。對預應力錨索施工全過程進行嚴格的監理，確保錨索施工數量和質量滿足設計要求，是預應力錨索有效發揮作用的關鍵。