高原隧道預應力樹脂卷錨桿施工技術

趙千里

（中鐵二十四局集團西南建設有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

我國的錨桿支護是在1956 年開始研究的，主要在煤礦巷道中使用，直到20 世紀90 年代，錨桿支護才開始得到迅速發展。近年來我國錨桿支護理論及發展，從原來的單體錨桿作業，發展到了錨桿群聯合作用，衍生出端錨固、加長錨固、全長錨固等多種形式，其錨固形式也從原來的水泥砂漿錨固劑發展到樹脂錨固劑、漲殼式錨固等多種錨固形式。

現階段，我國鐵路及公路山嶺隧道主要采用新奧法施工，以錨噴支護為主要手段，二次襯砌作為儲備，最大限度地緊跟開挖作業面施工，優先保障開挖面的施工安全，以有限地控制支護前的圍巖變形，充分發揮圍巖的自穩性，阻止圍巖進入松動的狀態，錨桿在其中起關鍵作用。大量的工程經驗及試驗證明，預應力錨桿因其快速、主動作用的特性，其支護效果要優于非預應力錨桿，傳統的非預應力錨桿主要被動受力，需要較長的硬化或錨固時間，既不利于隧道的快速施工，又不利于圍巖的加固穩定，影響施工安全。另外，隨著我國鐵路公路的高速發展，建設區域不停向西部高原、南部山區擴張，工程建設遇到的地質條件愈加復雜多變，設計理論也由被動支護向主動支護轉變，隧道工程對于錨桿支護要求日益嚴格，尤其是時效性[1]。

某高原隧道穿越橫斷山脈，隧址區屬構造剝蝕中高山地貌，地面標高4100～4700m，最大相對高差658m，自然坡度一般10°～60°。隧道地質主要為砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖夾炭質頁巖，局部有軟巖大變、順層、順層偏壓、巖溶、斷層、破碎帶、高地應力及軟弱大變形帶等不良地質。預應力樹脂錨桿有著錨固力大、易于安裝、作用時效快等優點，能快速高效地控制錨桿施作區域的圍巖離層、滑動、裂隙擴散或產生新裂紋等不利影響[2]，使圍巖處于受壓狀態，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現，保持圍巖的完整性，增加圍巖強度，能夠有效保障隧道在不良地質段的施工安全。

2 錨桿作用原理

錨桿支護是利用人為打入圍巖內部的桿體，通過桿體、注漿材料與圍巖之間的相互作用，改變圍巖本身的力學狀態，從而提高圍巖的強度，進而使隧道周圍巖體內形成一個完整穩定的承載圈，承載圈與圍巖共同作用，起到維護隧道穩定的作用。其錨桿的主要力學作用有以下4 點。

（1）懸吊作用：通過錨桿尾端錨固，將臨隧道面的懸空及不穩定的巖層懸吊在堅固巖層上，阻止懸空面巖層變形移動，把松軟破碎或變形、彎曲的圍巖直接頂懸吊在未松動的巖層上，以達到增強巖層穩定性的目的[3]，如圖1 所示。

圖1 懸吊作用

（2）減跨作用：在隧道周邊中打入錨桿后，相當于對臨空圍巖增加了新的支點，使隧道跨度減小，減小巖體應力，以達到降低圍巖因應力過大進一步發生變形破壞的風險[3]，如圖2 所示。

圖2 減跨作用

（3）組合梁作用：在巖層中打入錨桿，將若干薄弱巖層錨固在一起，類似將疊合的板梁變成組合梁，增加各巖層的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免離層現象；同時，還可以增加巖體的抗剪強度，阻止巖層的水平錯動，起到提高巖層的承載力的作用[4]，如圖3 所示。

圖3 組合梁作用

（4）整體加固作用：錨桿群錨入圍巖，并施加預應力后，其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區，按照一定間距排列的錨桿在預應力作用下構成承載環，起到整體加固巖層作用[5]，如圖4 所示。

圖4 整體加固

3 預應力錨桿重點施工工藝

3.1 工程概況

該隧道拱墻采用φ25 低應力樹脂卷中空注漿錨桿，錨桿型號YR25-5，錨桿體公稱直徑25mm，壁厚5mm，預張拉力60kN。端頭采用樹脂卷作為錨固劑，錨固長度1m，錨桿桿體與孔壁間采用水泥砂漿填充。預應力樹脂中空注漿錨桿如圖5 所示。

圖5 預應力樹脂中空注漿錨桿

3.2 施工工藝流程

錨桿施工時機的選擇，一般情況下，在開挖完成，進行初噴后，立即打設預應力錨桿，初噴混凝土能夠保證施工面大致平整，又能減少掉塊風險，且錨桿安裝及預應力施加均不受鋼架、網片等其他設施設備影響，能充分發揮預應力錨桿作用，保障后續施工安全。

其主要施工流程如圖6 所示。

圖6 施工流程

3.3 施工設備選擇

基于該隧道高海拔地區的低溫、低壓、低氧環境特征及復雜多變的地質特征，傳統的人工+風動鑿巖機施工工效低、安全風險高，不利于隧道錨桿施工。現場主要采用錨注一體機或三臂鑿巖臺車+風動鑿巖機輔助的配套設備，以上兩種大型設備均具備自動定位、定深、定角度、鉆速快等優點，但都存在需要人工送樹脂卷的缺點，其中錨注一體機可實現自動安裝錨桿、自動注漿，而三臂鑿巖臺車可實現三臂同時鉆孔，成孔工效更高。該隧道在通過兩種設備使用后的分析對比，錨桿施工優先選用三臂鑿巖臺車+風動鑿巖機輔助的配置工裝。

3.4 施工扭矩換算

現場施工采用扭力扳手施工，需對扭矩與設計預應力進行換算。根據錨桿尾部螺母承受的扭矩與錨桿預應力的關系P=M/（K×D）可知，錨桿預應力與扭矩成線性關系，與錨桿的材質、桿徑等存在關系。該隧道錨桿預應力設計60kN，錨桿直徑25mm，通過查找K 值取0.42，對應扭力扳手扭力值M=P×K×D=60×103×0.42×25×10-3=630N·m，即扭力扳手扭力值設定為630N·m。

3.5 樹脂卷用量計算

錨桿藥卷采用樹脂藥卷填塞，樹脂錨固劑由樹脂膠泥與固化劑兩部分分隔包裝成卷。樹脂卷用量需通過計算得出，樹脂卷體積+錨固段桿體體積=（略大于）錨固段成孔長度體積，其樹脂卷可以按要求尺寸定制或采用小藥卷捆綁代替的方式。藥卷送入需采用炮棍（PVC 管等柔性材質），嚴禁采用錨桿或鋼筋同步推進，以防提前破壞藥卷。

3.6 鉆孔

根據高原施工特點，該隧道錨桿施工主要采用三臂鑿巖臺車施工，以風槍為輔助，三臂鑿巖臺車鉆頭直徑為43mm，鉆孔直徑為46～50mm，風槍鉆頭直徑為40mm，鉆孔直徑為42～45mm。鉆孔完成后，要及時利用高壓風對孔洞進行清孔，避免余水、鉆渣等影響錨固效果。

3.7 錨桿組裝

提前將中空錨桿前端實心桿體與后端空心桿體用連接套進行連接，檢查墊板、螺母、排氣管等配件，提前松裝至錨桿上，排氣管可現場安裝，也可提前安裝在錨桿上，從墊板上的預留孔穿過，插入孔內10cm，外露15cm，固定止漿塞、錨墊板及螺母，并使錨桿桿體位于錨桿孔的中部。

3.8 攪拌及凝固時間控制

樹脂卷的凝固時間受廠家及配方影響，具體凝固時間有所區別，在實際使用中需根據試驗確定。現場主要通過查找產品說明、室外試驗、現場試驗共同得出，通過錨桿工藝性試驗，該隧道所使用的樹脂卷在攪拌40s 左右開始明顯產生化學反應，并發熱凝固，即樹脂卷的攪拌時間不能大于40s，為保障攪拌均勻，且又不影響錨固效果，經多次試驗，現場按20s 控制，攪拌工具主要采用風槍或風動扳手快速旋轉推入桿體（注意旋轉方向與錨桿螺紋適配）。攪拌均勻后，樹脂卷在8min左右能夠達到錨固要求，但受圍巖、清孔及滲水情況影響，略有區別，在實際施工中，凝固時間控制在10min以上，能夠確保滿足預應力施加要求。

3.9 錨桿注漿

現場采用錨注一體機配備自動注漿系統施作，將注漿頭裝置翻轉與錨桿桿頭自動對接，錨桿動力頭帶動注漿頭裝置向前推進與錨桿連接，啟動注漿系統，進行注漿。直至中空錨桿孔口流出漿液且流出漿液正常方可停止注漿。注漿應由低孔位到高孔位交錯進行，注漿強度不小于M20，漿液水膠比宜為0.35～0.45，注漿壓力控制在0.1MPa～0.5MPa。

4 預應力錨桿質量控制重點

預應力錨桿施工工序復雜、技術要求高，為保障施工質量，現場需嚴格按工序及參數要求組織施工，否則極易發生無法施加預應力或施加不足的現象，其4 個與非預應力錨桿有區別的質量控制重點如下。

（1）樹脂卷須在失效期前使用，并在過程中及時跟蹤現場施工情況，當發生同樣工藝，但仍無法錨固時，需對錨固劑進行室外試驗，如不能滿足要求，需及時更換。

（2）扭力扳手在使用前必須進行標定，且在施工過程中需加強保護，根據使用情況定期進行標定，以確保張拉精度[6]。

（3）嚴格控制好鉆孔深度、孔徑，并按要求做好清孔，其孔徑大小影響錨桿長度，當更換鉆孔設備時，需及時調整樹脂卷用量；而孔內余渣、余水等對樹脂卷的錨固力也有較大影響，需嚴格控制清孔質量。

（4）張拉是預應力錨桿施工最重要的工序，其張拉效果對保障圍巖穩定起關鍵作用，施工過程需全程監控，并做好記錄。

5 結語

在現階段的隧道施工中，錨桿作為一種強有力的支護措施，在支護體系中占據重要地位。通過錨桿的懸吊、減跨、組合梁作用，并經施加預應力后，讓隧道各巖層壓應力圓錐體相互交錯，形成一條壓縮帶即壓縮拱，形成整體加固作用，對提高圍巖強度，控制圍巖變形，抑制裂隙發展起到重要作用。面對高原隧道復雜多變的地質環境，通過過程中的施工分析總結，快速、高效、規范地完成預應力錨桿施工，能夠有效地提高圍巖穩定性，保障隧道施工安全性。