自旋錨管技術(shù)在軟巖隧道大變形控制中的應(yīng)用

王 博，梅 峰

(1.寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學院 銀川市 750021； 2.中鐵十二局二公司 太原市 030032)

1 工程概況

試驗項目為內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市島寶溝隧道，該隧道全長4905m，埋深約為127m，其中Ⅲ級圍巖長度為725m，Ⅳ級圍巖長度為2966m，Ⅴ級圍巖長度為1214m。隧道巖體節(jié)理發(fā)育明顯、圍巖破碎，有失穩(wěn)坍塌風險的地段較多；洞身部分地段的泥巖受水的影響，隧道部分段落處于軟巖大變形地層中，易發(fā)生軟化變形。所以必須采用有效的支護手段防止圍巖塌方、控制圍巖變形，根據(jù)圍巖飽和壓縮試驗，得到巖體物理力學指標，如表1所示。

表1 物理力學性質(zhì)試驗結(jié)果表

2 自穩(wěn)隱形拱錨桿支護機理

本隧道支護設(shè)計采用自穩(wěn)隱形拱錨桿支護理論。該理論認為隧道圍巖具有自承自穩(wěn)能力，影響隧道圍巖穩(wěn)定的主要因素是圍巖體中存有拉應(yīng)力的巖塊。錨桿對隧道圍巖的支護就是在圍巖達到相對自穩(wěn)過程中的變形維護。

如果隧道圍巖不能得到有效支護控制，圍巖的變形會持續(xù)增大，而存有拉應(yīng)力的巖塊最終將發(fā)生墜落和坍塌。錨桿支護就是縮小圍巖不穩(wěn)定區(qū)域的范圍，同時使隧道邊墻變成類剛性結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)隱形拱理論要求錨桿支護設(shè)計中錨桿必須深入圍巖自穩(wěn)500mm。

根據(jù)西安科技大學惠興田教授計算得出隧道頂板自穩(wěn)區(qū)域曲線基本方程為：

式中，W0—巷道頂部寬度，m；

p0—巷道頂部垂直地壓，MPa；

σ2—頂板巖體的抗拉強度，MPa。

施工中，為保證自穩(wěn)區(qū)內(nèi)圍巖承載能力的提升，要求錨桿與圍巖間具有較強的錨固力，防止開挖后圍巖塑性區(qū)的擴展，錨桿應(yīng)能夠滿足及時承載的要求。常規(guī)錨桿施工支護作用較小，無法有效承載，因此本項目所提出的自旋錨管技術(shù)對自穩(wěn)隱形拱理論在軟巖隧道圍巖的變形控制中有著重要的意義。

3 自旋錨管隧道圍巖控制技術(shù)

3.1 自旋錨管設(shè)計概述

自旋錨管成套技術(shù)是一種新型公路圍巖支護技術(shù)，它主要應(yīng)用到破碎圍巖隧道、復(fù)雜公路邊坡等支護工程，采用摩擦阻力錨固的理念設(shè)計，顛覆了傳統(tǒng)錨桿單一的支護工作理念，省掉了繁瑣工作程序，將鉆研藥卷攪拌、注漿、噴漿、支護等工作一次性到位，可以有效地完成工作，加快施工速率。

自旋錨管不同于傳統(tǒng)螺旋錨桿的大錨葉設(shè)計，錨管設(shè)計是以小旋絲沿桿身連續(xù)分布，桿體為中空結(jié)構(gòu)，前端為鉆眼裝置的一種新型隧道支護體系，如圖1、圖2所示。

圖1 自旋錨管裝配結(jié)構(gòu)圖

圖2 自旋錨管截面結(jié)構(gòu)圖

3.2 自旋錨管軟巖隧道支護特點

自旋錨管結(jié)構(gòu)體全長錨固加強為設(shè)計理念，其截面抗彎模量可以有效控制巖體變形。這種全長錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計，其錨固強度超過錨索支護，對圍巖的變形控制將大大提高。尤其是它不受托盤和預(yù)應(yīng)力的作用，只要安裝有效就能發(fā)揮作用。相比于同類型傳統(tǒng)錨桿支護，自旋錨管的抗剪能力能提高5倍左右，而抗彎能力則能提高10倍左右。

在軟巖大變形隧道的支護中，砂漿錨桿和中空注漿錨桿是廣泛采用的錨桿形式，但此類型錨桿的主要缺陷在于注漿過程中漿液的飽和度較差，影響注漿效果，如采用自旋錨管恰好能有效克服這種缺陷。自旋錨管安裝示意圖見圖3。

(1)自旋錨管通過增大旋絲外徑可以讓錨管深入巖體中形成多點接觸產(chǎn)生摩擦，使自旋錨管產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力作用在旋絲之間的管體上，增大了摩擦錨固力。

(2)自旋錨管旋絲的傾角由傳統(tǒng)螺旋錨桿的90°改為60°，能夠合二為一更好地配合鉆頭深入巖層中。在注漿的過程中可以邊鉆邊注漿，使?jié){液順著旋絲往出流，能夠更好地排出漿液中的氣泡，因此能達到有效的飽和度，使其具有更好的錨固性。

(a)鉆孔

(b)旋絲刻入

(c)安裝托盤螺母

(d)注漿

(e)初錨力形成圖3 自旋錨管安裝示意圖

4 數(shù)值模擬分析

根據(jù)項目隧道圍巖的物理力學性質(zhì)，進行FLAC有限差分數(shù)值模擬，圍巖采用理想彈塑性材料，本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型，進行非線性計算，對支護形式采取兩種不同工況進行對比分析。工況一采用普通錨桿支護，工況二采用自旋錨管支護。

工況一普通錨桿支護采用長度為 400cm，直徑 Φ22，排距0.7m，縱向間距為1m，梅花形布置，

工況二自旋錨管支護采 用52mm×4mm 自旋錨管(L=4.5m) 進行注漿加固。注漿采用1∶1水泥漿液，自旋錨管排距0.7m，縱向間距為1m，梅花形布置。模擬結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 普通錨桿支護位移云圖

圖5 自旋錨管支護位移云圖

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，與普通錨桿支護相比，自旋錨管支護模擬過程中，隧道變形位移量明顯減小，最大的位移變形值不超過75mm，同時圍巖塑性變形區(qū)范圍也在減小，模擬變形數(shù)據(jù)滿足安全施工要求，顯示了良好的支護效果，可用于試驗段施工。

5 隧道變形監(jiān)測

針對大變形巷道的基本特點，根據(jù)自穩(wěn)隱形拱支護設(shè)計原理，在部分試驗段采用自旋錨管支護技術(shù)進行圍巖支護。選取兩個具有代表性的斷面進行監(jiān)測，主要監(jiān)測項目有周邊收斂、基底隆起、拱頂下沉，隧道各測點監(jiān)測作業(yè)均應(yīng)持續(xù)到變形基本穩(wěn)定后2～3周結(jié)束。監(jiān)測曲線如圖6、圖7所示。

圖6 測點1變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7 測點2變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

(1)隧道在施工開挖后15d內(nèi)，隧道變形位移速率增長較快，特別是基底隆起速率最大達到了25mm/d，隨后各位移變形曲線逐漸趨于平緩。

(2)在監(jiān)測期間內(nèi)隧道拱頂變形量最大值為48mm，周邊收斂變形量最大值為307mm，基底隆起最大值為152mm，均在預(yù)定可控范圍內(nèi)，同時，兩個測點同類型監(jiān)測曲線形狀大致相似，斜率及斜率變化點基本相似，說明采用自旋錨管技術(shù)對隧道的變形控制達到了預(yù)期效果。

6 結(jié)論

(1)自旋錨管支護技術(shù)相比于普通錨桿支護，因本身較大的截面抗彎模量，同時通過增大旋絲外徑使錨管深入巖體中形成多點接觸，因而能夠很好地控制圍巖變形，增大了支護錨固力。

(2)自旋錨管在施工注漿的過程中可以邊鉆進邊注漿，使?jié){液順著旋絲往出流，能夠更好地排出漿液中的氣泡，達到更有效的錨固飽和度。

(3)基于自穩(wěn)隱形拱理論進行的自旋錨管支護技術(shù)在試驗段監(jiān)測中隧道拱頂變形量最大值為48mm，周邊收斂變形量最大值為307mm，基底隆起最大值為152mm，驗證了該支護技術(shù)的可行性。