邁式錨桿預(yù)加固隧道破碎圍巖體的應(yīng)用

崔昌洪熊成宇張強(qiáng)

文章編號(hào)：1000033X（2016）12008904

收稿日期：20160524

摘要：邁式錨桿在處理邊坡治理，軟弱松散體等施工中有廣泛的應(yīng)用，以云南大麗高速公路黃山隧道處理隧道松散體坍塌體采用邁式錨桿預(yù)加固為實(shí)例，通過對(duì)施工工藝、注漿后錨固效果、力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析后，確定邁式錨桿洞內(nèi)處理松散坍塌體不僅安全、快速，還具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)性，在類似隧道工程施工中，有較強(qiáng)的推廣意義及適用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：邁式錨桿；超前管棚；破碎圍巖；預(yù)加固

中圖分類號(hào)：U455.77文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Application of Selfdrilling Anchor in Prereinforcement of Tunnel Surrounded by Broken Rocks

CUI Changhong1， XIONG Chengyu2， ZHANG Qiang2

（1. School of Civil and Resource Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，

China； 2. The Fourth Engineering of CCCC First Highway Engineering Co.， Ltd.， Nanning 530031， Guangxi， China）

Abstract： Selfdrilling anchor is widely used in slope treatment and for construction in soft and loose soil. Huangshan Tunnel of DaliLijiang Expressway in Yunnan Province， where the selfdrilling anchor was applied for prereinforcement of the loose and collapse body， was taken to study the construction technology， anchoring effect after grouting， mechanical properties and economic benefit. The results show that treating loose and collapse body around the tunnel with selfdrilling anchor is safe and fast and economic， and it should be popularized in tunnel projects.

Key words： selfdrilling anchor； advanced pipe roof； broken surrounding rock； prereinforcement

0引言

20世紀(jì)80年代末期，針對(duì)大型地下工程中由于復(fù)雜地層造成的施工進(jìn)程緩慢的問題，奧地利從事巖土錨固技術(shù)專用機(jī)具研制和銷售的邁式巖土錨固機(jī)具有限公司推出了新奧施工法（NATM），并且設(shè)計(jì)了集鉆進(jìn)、注漿、錨固為一體的新型自鉆式錨固機(jī)具，以保證在破碎巖石層、松軟巖土層和地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜地段施工時(shí)，達(dá)到快速錨固的目的[13]。

隨著國(guó)家西部大開發(fā)的決策，一大批西部領(lǐng)域的工程項(xiàng)目陸續(xù)開工建設(shè)，邁式自鉆式錨固鉆具在西部地區(qū)的重點(diǎn)工程中推廣使用。 目前，國(guó)內(nèi)有幾百個(gè)國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目在高速公路建設(shè)中的隧道和邊坡錨固施工中大量使用自鉆式錨桿。

本文通過云南大麗高速公路黃山隧道的施工，介紹采用邁式錨桿預(yù)加固處理隧道松散體坍塌體，希望給類似隧道工程施工提供幫助和借鑒。

1工程概況

云南大麗高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)橫向杭州至瑞麗高速公路聯(lián)絡(luò)線云南境內(nèi)的重要組成部分。其中，麗江古城區(qū)與拉什海景區(qū)相接的黃山隧道為分離式隧道，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為1 760 m（按單幅計(jì)，含明洞段長(zhǎng)度）。本隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水豐富，5次穿越斷層破碎帶，圍巖以Ⅴ級(jí)為主，占全隧道總長(zhǎng)的60%以上，地質(zhì)條件差。施工中，左、右幅都多次出現(xiàn)松散地層及涌水、涌泥。隧道位于地震帶，所在路段地震基本烈度值為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為020g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.30 s，施工環(huán)境復(fù)雜，施工難度大。

隧道右幅ZK194+328～302段為Ⅴ級(jí)圍巖，埋深約37 m，巖性為紫紅色粉砂巖及頁、泥巖，巖體呈中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，接觸帶泥化，整體呈碎狀結(jié)構(gòu)。

當(dāng)施工遇到多雨季節(jié)時(shí)，K194+328掌子面出現(xiàn)涌水、涌泥，臨近掌子面已施作的拱架出現(xiàn)變形。隧道地表多處開裂，開裂面積約800 m2；并出現(xiàn)一處陷坑，面積約14 m2，深約20 m。黃山隧道地表坍陷平面如圖1所示，地表開裂及隧道洞內(nèi)涌情況如圖2所示。

隧道涌水、涌泥后，施工進(jìn)度受阻，隧道尚余施工量368 m，獨(dú)頭施工，且均為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。根據(jù)工期要求，需在4個(gè)月內(nèi)完成開挖任務(wù)，工程進(jìn)度方能實(shí)現(xiàn)麗江市拉什海景區(qū)年底通車的目標(biāo)。

2方案比選

設(shè)計(jì)2個(gè)施工方案，進(jìn)行優(yōu)劣分析比選。

方案一：采取30 m Φ89大管棚2個(gè)循環(huán)通過。根據(jù)隧道施工經(jīng)驗(yàn)，在坍塌體中需要跟管鉆進(jìn)正常的情況下，鉆進(jìn)安裝15 m長(zhǎng)度的管棚，每根鉆進(jìn)時(shí)間約10 h，一天2根，全環(huán)33根，鉆進(jìn)安裝一環(huán)管棚的時(shí)間約12 d，算上施工準(zhǔn)備時(shí)間2 d，注漿1 d（可平行作業(yè)），需要15 d。經(jīng)相關(guān)專家分析，對(duì)于本斷破碎及涌泥地層，由于鉆進(jìn)過程中塌孔卡鉆頻繁，且地層裂隙發(fā)育，鉆進(jìn)過程中地層漏水，需要反復(fù)固結(jié)灌漿后才能鉆進(jìn)，如不順利單個(gè)循環(huán)至少20～30 d才能完成，施工工期無法保證。

方案二：采取30 m波形螺紋R51N超前管棚2循環(huán)通過。

根據(jù)云南蒙新高速隧道施工經(jīng)驗(yàn)，在正常施工情況下，鉆進(jìn)安裝1根15 m長(zhǎng)度的管棚，大約需要3 h，鉆進(jìn)安裝一環(huán)管棚需要5 d，算上施工準(zhǔn)備時(shí)間1 d，共需要6 d。不需要跟管鉆進(jìn)，也無需固結(jié)灌漿，施工效率較高，每環(huán)比傳統(tǒng)管棚至少節(jié)約9～24 d，2個(gè)循環(huán)共可節(jié)約工期18～48 d，工期效益明顯。

通過比選確定采用方案二，同時(shí)，邁式R51N超前管棚比傳統(tǒng)管棚還具有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）從施工工藝上，邁式管棚較傳統(tǒng)管棚法工藝簡(jiǎn)便、有效，無需特設(shè)管棚工作室，節(jié)省了開挖鉆眼工序，減少工作量，縮短了管棚安裝時(shí)間[4]；管棚鉆進(jìn)和安裝同步，解決了破碎帶卡鉆、塌孔和難于保證管棚施工質(zhì)量的問題[5]。

（2）在注漿、錨固效果方面，邁式R51N自鉆式管棚法較傳統(tǒng)管棚法注漿壓力大，可達(dá)20～60 MPa，而傳統(tǒng)管棚法為0.7～20 MPa[6]。因此，邁式管棚法注漿在圍巖中具有較大的擴(kuò)散半徑和改良范圍，能夠較大范圍的提高圍巖承載力[7]。從材料上對(duì)比，傳統(tǒng)管棚為光面鋼管，而邁式管棚為全長(zhǎng)螺紋桿體，兩者在同等施工條件下，螺紋桿體的粘阻力高于光面鋼管，其抗拉拔力是光面鋼管的2～3倍。從錨固機(jī)理上看，傳統(tǒng)管棚與后部穩(wěn)定支護(hù)共同構(gòu)成棚架結(jié)構(gòu)，而邁式管棚采用碗型墊板和球型螺帽，可對(duì)圍巖施加預(yù)應(yīng)力，從而增強(qiáng)約束圍巖變形的能力，減小形變量的影響，對(duì)圍巖錨固作用有顯著提高[8]。

（3）從力學(xué)性能分析管棚抗拉力，結(jié)果見表1。

表1管棚抗拉力比較

比較項(xiàng)目Φ89 mm傳統(tǒng)管棚邁式R51N管棚

直徑/壁厚/質(zhì)量89 mm/6 mm/6.4 kg·m-151 mm/9 mm/7.4 kg·m-1

屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度240 MPa/380 MPa670 MPa/851 MPa

屈服力/抗拉力195 kN/308 kN630 kN/800 kN

強(qiáng)性模量210 kN·mm-2210 kN·mm-2

從表1中可看出，邁式管棚的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯高于傳統(tǒng)管棚。

當(dāng)受相同荷載作用時(shí)，傳統(tǒng)管棚的撓度（fC）與邁式管棚撓度（fM）之比為

fC∶fM=（L/IC）∶（L/IM）

即fCIM= fCIC（1）

式中： L為支護(hù)長(zhǎng)度； IC為傳統(tǒng)管棚的慣性矩；IM為邁式管棚的慣性矩。

由于傳統(tǒng)管棚貫性矩大于邁式管棚，當(dāng)支護(hù)長(zhǎng)度相等時(shí)，邁式管棚撓度大于傳統(tǒng)管棚，即邁式管棚抗彎強(qiáng)度稍低于傳統(tǒng)管棚[9]。在實(shí)踐中，選擇適當(dāng)?shù)腻^桿長(zhǎng)度，撓度大的弱點(diǎn)可以得到改善。

（4）經(jīng)濟(jì)性。邁式管棚可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，比傳統(tǒng)管棚施工進(jìn)度快，縮短了工期，間接降低了施工成本。

經(jīng)比選，黃山隧道采用L=30 m的邁式R51N型自鉆式錨桿，分2個(gè)循環(huán)施作，每循環(huán)長(zhǎng)度15 m，2循環(huán)間撘接3 m。水泥與水玻璃以1∶05的比例配制雙液漿，全斷面預(yù)注漿。同時(shí)，采用3 m的邁式R25系統(tǒng)錨桿、工字鋼架、噴混凝土加強(qiáng)支護(hù)，確保破碎段安全、快速通過。邁式錨桿如圖3所示。

3邁式錨桿施工工藝及要求

3.1施工工藝

邁式錨桿集鉆進(jìn)、注漿、錨固功能為一體，與傳統(tǒng)注漿小導(dǎo)管（管棚）相比，施工簡(jiǎn)便、進(jìn)度快；多種型式鉆頭適應(yīng)多種復(fù)雜軟弱地層，桿體長(zhǎng)度可任意切割和連接，使用方便靈活等特點(diǎn)[10]。

邁式錨桿（管棚）隧道中通過破碎帶的作用機(jī)理為：邁式錨桿體和注漿結(jié)石體共同形成棚架，將掌子面前方的開挖應(yīng)力釋放的能量傳至后部已封閉的穩(wěn)定體中，以控制拱頂沉降；通過注漿，使?jié){液均勻地注入圍巖，以填充、滲透和擠密等方式排除土顆粒間或巖石裂隙中的水份和空氣，把原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個(gè)整體，改善巖石的物理性質(zhì)，提高粘聚力、內(nèi)磨擦角標(biāo)指，從而提高巖體基本質(zhì)量指標(biāo)，使不良地質(zhì)段圍巖自身承載力得到根本改變。

具體施工步驟如下。

（1）檢查錨桿體和相關(guān)配件以及鑿巖注漿機(jī)械是否正常。

（2）確定開孔位置和開孔角度。

（3）連接鑿巖設(shè)備和錨桿配件。

（4）開動(dòng)鑿巖機(jī)鉆進(jìn)錨桿，若需接長(zhǎng)，用錨桿連接套接長(zhǎng)再鉆進(jìn)，直至錨桿深度。

（5）用高壓水或壓縮空氣清孔。

（6）用快速注漿接頭連接錨桿和注漿管，開動(dòng)注漿泵注漿。

（7）安裝止?jié){塞、墊板和螺母。

（8）待注漿材料達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，擰緊螺母施加應(yīng)力。

（9）安裝完成。

邁式錨桿施工如圖4所示。

3.2錨桿施工操作要求

（1）應(yīng)充分考慮預(yù)留變形量，合理確定開挖輪廓線，從而確定邁式管棚的合理位置。

（2）開挖按短進(jìn)尺、弱爆破、緊支護(hù)、早成環(huán)、勤量測(cè)的原則。

（3）在錨桿與鉆機(jī)連接套連接處、錨桿與錨桿連接套處涂黃油。

（4）鉆進(jìn)時(shí)用空氣或清水沖鉆孔，盡快鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置。

（5）當(dāng)巖層極破碎、風(fēng)化時(shí)，不易采用置入式錨桿，以避免塌孔、卡鉆耽誤時(shí)間。必要時(shí)可選用旋轉(zhuǎn)注漿接頭，邊鉆進(jìn)，邊注漿。

（6）根據(jù)地質(zhì)情況，合理確定水泥品種、水泥濃度、水玻璃濃度、水泥漿與水玻璃體積比及漿液溫度。調(diào)控好CS雙液的凝膠時(shí)間，控制好水灰比，一般取0.35～0.4；調(diào)整注漿壓力，視巖層情況，調(diào)控在2.0～6.0 MPa。

（7）水泥水玻璃漿液加料順序及攪拌時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制。投料順序?yàn)椋核⒕從齽?、水泥；攪拌時(shí)間不少于5 min，放置時(shí)間不宜超過3 min。

（8）注漿整個(gè)過程應(yīng)連續(xù)、快速，不停頓。當(dāng)漿液溢出鉆孔口部時(shí)，方可取下注漿接頭。等漿液產(chǎn)生強(qiáng)度后，安裝錨墊板（凸面朝向螺母），緊固螺母。

（9）注漿過程中若出現(xiàn)堵管或換另一根錨桿注漿，應(yīng)及時(shí)清洗錨桿、注漿軟管、泵，避免堵孔。

（10）規(guī)范格柵鋼架與邁式管柵安裝作業(yè)，使之形成復(fù)合受力結(jié)構(gòu)。

4應(yīng)用效果

因邁式錨桿施工高效、簡(jiǎn)便，改善了圍巖受力狀態(tài)，成為破碎地層開挖支護(hù)的有效支護(hù)手段，在黃山隧道施工中35 d內(nèi)安全處理完成26 m涌泥破碎段，保證了隧道按期交工。

5結(jié)語

邁式管棚是一種集棚架效應(yīng)、錨固效應(yīng)、注漿效應(yīng)于一體，能快捷、有效地控制圍巖應(yīng)力釋放，通過隧道不良地質(zhì)段，預(yù)加固巖體，改善巖體受力特性、保證隧道施工安全的施工方法；同時(shí)能實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)械化作業(yè)、軟弱圍巖快速施工。

本文通過對(duì)云南大麗高速公路黃山隧道松散坍塌體研究分析以及設(shè)計(jì)方案比選，最終確定采用邁式錨桿預(yù)加固對(duì)隧道松散坍塌體方案進(jìn)行施工。施工結(jié)果表明，邁式錨桿在處理和加固隧道坍塌體施工中效率高、速度快，具有不需特設(shè)管棚工作室，鉆進(jìn)不下套管等明顯優(yōu)點(diǎn)，綜合應(yīng)用價(jià)值高，具有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝晉水，郭信君，李春清，等.邁式錨桿在隧道初期和超前預(yù)支護(hù)中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2000（1）：6062.

[2]韓成圈.邁式錨桿在東風(fēng)隧道初期支護(hù)和超前預(yù)支護(hù)中的應(yīng)用[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（3）：6470.

[3]于平山.邁式錨桿在長(zhǎng)隧道超前預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2007（2）：110111.

[4]郝建新，房烈葵.自進(jìn)式錨固鉆具的發(fā)展與應(yīng)用[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2013（3）：4553.

[5]趙香萍.邁式管棚治理風(fēng)積砂質(zhì)黃土隧道塌陷下沉侵限施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（3）：1316.

[6]黃華林，朱自強(qiáng)，楊天春，等.隧道錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)[J].物探與化探，2005，29（6）：551553.

[7]鞠頌.錨固結(jié)構(gòu)耐久性對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2011.

[8]肖旭.隧道開挖及系統(tǒng)錨桿的使用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，37（3）：149151.

[9]陳昌富，梁冠亭，湯宇.層狀地基中錨桿拉拔受力變形特性分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（7）：19.

[10]羅強(qiáng)，李亮.錨索失效對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的模擬試驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（1）：6973.

[責(zé)任編輯：高甜]