R51N自鉆式螺旋錨管在穿越花崗巖蝕變巖體中的應(yīng)用

朱超

（中鐵二十四局集團(tuán)新余工程有限公司 江西新余 338000）

0 前言

新建大理至臨滄鐵路（以下簡稱大臨鐵路）新民隧道位于臨滄-勐海花崗巖體西部，處于三江經(jīng)向構(gòu)造體系之云縣—螞蟻堆帶，經(jīng)歷多次構(gòu)造變動，構(gòu)造形跡復(fù)雜，巖漿活動、變質(zhì)作用都相當(dāng)強(qiáng)烈。隧址巖性為混合花崗巖、花崗巖，花崗巖在成巖過程中及多期構(gòu)造擠壓過程中巖體蝕變。本隧道自開工以來，多次揭示蝕變帶、蝕變囊，大部分節(jié)理面均存在蝕變現(xiàn)象。蝕變體圍巖自穩(wěn)性差，掉塊或滑塌現(xiàn)象嚴(yán)重，在地下水的作用下塌方變形現(xiàn)象尤為突出，嚴(yán)重影響施工安全及進(jìn)度。為減少施工中的塌方變形病害采取R51自鉆式螺旋錨管的施工措施，順利通過了花崗巖蝕變巖體，確保了施工安全及進(jìn)度。

1 工程概況

新建大理至臨滄鐵路站前六標(biāo)線路全長34km，其中隧道長度28km，主要為單線隧道。新民隧道全長8287m，是本標(biāo)段重點控制性工程。地質(zhì)為易風(fēng)化混合花崗巖。全隧除明洞段采用明挖法施工外，其余各段均按新奧法原理組織施工，分進(jìn)口工區(qū)、斜井工區(qū)、出口工區(qū)共三個工區(qū)4個掌子面組織施工。施工中多次揭示蝕變型花崗巖巖體，據(jù)統(tǒng)計新民隧道在近3年的施工過程中共生28次塌方變形換拱病害（其中進(jìn)口12次、斜井8次、出口8次），影響施工567d（其中進(jìn)口355d、斜井73d、出口139d），嚴(yán)重影響施工安全及進(jìn)度。

2 花崗巖蝕變巖體超前預(yù)判

通過TSP203超前地質(zhì)預(yù)報，配合超前探孔、加深炮眼、瞬變電磁等地質(zhì)手段，以掌握掌子面前方圍巖情況及花崗巖蝕變巖體位置及規(guī)模，根據(jù)花崗巖蝕變體分布位置、范圍大小以及與隧道的相對關(guān)系提前采取R51N自鉆式螺旋錨管加固措施。

3 R51N自鉆式螺旋錨管簡介

R51N自鉆式螺旋錨管是一種將鉆進(jìn)、安裝、注漿、錨固等施工步驟合而為一的錨管。具有可靠、高效、施工方便的特點[3]。R51N自鉆式螺旋錨管由錨管體、鉆頭、錨管連接套、墊板、螺母、止?jié){塞組成。特點是采用鉆進(jìn)、注漿、錨固一體化設(shè)計，錨管外表面采用全螺紋結(jié)構(gòu)，采用中空管體設(shè)計，采用有壓注漿，安裝方法簡便。

4 R51N自鉆式螺旋錨管的應(yīng)用

4.1 R51N自鉆式螺旋錨管作為超前支護(hù)

新民隧道設(shè)計采用φ42超前小導(dǎo)管超前支護(hù)，在施工過程中，由于超前支護(hù)長度短，支護(hù)強(qiáng)度弱，在花崗巖蝕變巖體中掌子面自穩(wěn)性極差，極易發(fā)生塌方，安全風(fēng)險極高，施工進(jìn)度緩慢。采用φ89及以上管棚作為超前支護(hù)，在鉆進(jìn)過程中漏風(fēng)，排渣困難，塌孔卡鉆頻繁，需采用跟管鉆進(jìn)工藝，施工成本高，每循環(huán)施作周期長（根據(jù)以往施工數(shù)據(jù)現(xiàn)場每月僅能完成1.5個管棚循環(huán)），嚴(yán)重制約施工進(jìn)度。

根據(jù)穿越花崗巖蝕變巖體主要病害情況，采用一個可靠、高效的超前支護(hù)加固系統(tǒng)，是解決目前施工難題的關(guān)鍵。通過多方咨詢和調(diào)研，針對花崗巖蝕變巖體開展了鉆進(jìn)、注漿、支護(hù)一體的R51N自鉆式螺旋錨管作為超前支護(hù)。

每循環(huán)R51N自鉆式螺旋錨管長度為21m，環(huán)向間距0.3m，每環(huán)26根，相鄰兩環(huán)搭接5m。R51N自鉆式螺旋錨管鉆進(jìn)到位后封孔，采用孔底返漿高壓注漿，固結(jié)松散巖體（自鉆式錨管通過采用止?jié){塞止?jié){措施，實現(xiàn)有壓注漿，擴(kuò)大注漿范圍，在中等發(fā)育裂隙的巖層中注漿擴(kuò)散范圍可達(dá)到60～70cm，可在一定程度上改良圍巖。注漿宜采用純水泥漿，水灰比應(yīng)控制在0.38～0.45，注漿壓力一般可達(dá)到3.5～5.0MPa）。R51N自鉆式螺旋錨管有效解決了在破碎巖體中管棚的效率問題，實現(xiàn)快速施工，同時做到超前預(yù)注漿加固松散巖體，封堵地下水的效果，從而保證隧道施工安全，加快施工進(jìn)度，見表1、圖1。

表1 R51N自鉆式錨管與φ89管棚參數(shù)比較

根據(jù)現(xiàn)場實際施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計，施工一環(huán)R51N自鉆式螺旋錨管加注漿周期為3d左右（單根長21m，每節(jié)為3m，施工時間約為2h），比施工一環(huán)φ89中管棚周期減少約4d時間，考慮循環(huán)搭接可以正常施工16m再施工下一循環(huán)，從掌子面開挖的有效施工時間上看是有利的。從超前支護(hù)效果看，R51N自鉆式螺旋錨管一次支護(hù)長度為21m，掌子面每循環(huán)開挖為1.6m，超前支護(hù)錨管懸挑外露長度只占其總長的7.6%，相比采用小導(dǎo)管超前長度、支護(hù)長度、剛度與防止超挖效果更好。

圖1 R51N自鉆式螺旋錨管超前支護(hù)施工

在花崗巖蝕變巖體范圍較大區(qū)域內(nèi)，每循環(huán)開挖在錨管間隙中配合施作φ42小導(dǎo)管加密處理能有效起到防止拱部大面積掉塊或滑塌現(xiàn)象發(fā)生，同時能有效控制超挖量，從而減少噴射混凝土量，加快工序循環(huán)時間。

自2019年5月份新民隧道進(jìn)口工區(qū)采用R51N自鉆式螺旋錨管超前支護(hù)以來，在穿越花崗巖蝕變巖層中，每月能施工3個循環(huán)R51N自鉆式螺旋錨管長度，月進(jìn)度能達(dá)到50m以上，較之前的月進(jìn)度約29m有很大提升。同時有效防止施工過程中掌子面塌方的發(fā)生，確保了施工安全。

圖2 R51N自鉆式螺旋錨管超前支護(hù)施工完成

圖3 R51N自鉆式螺旋錨管施工后掉塊較少

4.2 R51N自鉆式螺旋錨管作為鎖腳

根據(jù)新民隧道已施工段落情況，花崗巖蝕變巖體開挖至仰拱封閉期間，圍巖逐漸松裂崩解，松動圈范圍可達(dá)5m以上，注漿加固鉆孔卡鉆嚴(yán)重，施工難度大，且原設(shè)計長度為3.5m的φ42鎖腳錨管位于松動圈內(nèi)，難以控制初支變形，引起變形侵限，導(dǎo)致施工現(xiàn)場頻繁換拱，加大了施工風(fēng)險?，F(xiàn)場根據(jù)超前探測和開挖揭示出的花崗巖蝕變段落，采用6～9m的R51N自鉆式螺旋錨管作為鎖腳錨桿，采用鉆進(jìn)、注漿、錨固一體施工工藝，錨管間采用工字鋼連接在初期支護(hù)型鋼鋼架上，聯(lián)合受力，能有效抑制初期支護(hù)變形侵限，確保施工進(jìn)度。

4.3 R51N自鉆式螺旋錨管作為徑向加固

2019年5月25日新民隧道進(jìn)口DK190+445掌子面開挖時，DK190+415～+430段監(jiān)控量測報警，現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)DK190+415～+430中、下臺階拱架左側(cè)B、C單元連接板處以及C單元范圍內(nèi)發(fā)生不同程度開裂現(xiàn)象，裂縫寬度在1～4cm之間，噴設(shè)混凝土局部鼓包嚴(yán)重。開裂變形前，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)無異常，亦未發(fā)現(xiàn)初支開裂等異常。

原因分析：DK190+415～+430段初期支護(hù)背后局部分布的花崗巖蝕變囊以及蝕變條帶發(fā)育，遇水軟化，局部圍巖強(qiáng)度降低，導(dǎo)致應(yīng)力集中，致使部分初支變形加劇。

處理措施：

（1）暫停掌子面施工，噴射10cm厚C25混凝土封閉掌子面。

（2）監(jiān)控量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，現(xiàn)場對DK190+415～+430段增設(shè)I18工字鋼臨時橫撐，間距為每榀設(shè)置。

（3）橫撐安設(shè)完成后現(xiàn)場對DK190+415～+430段中臺階B單元、下臺階C單元范圍采用R51N自鉆式錨管（鎖住A、B單元連接處），縱向間距1m，采用工字鋼連接。同時對此段邊墻及拱部增設(shè)R51N自鉆式錨管進(jìn)行徑向注漿加固，每根長6m，縱向間距1m，環(huán)向間距1.2m，梅花形布置。

對于DK190+415～+430段的開裂變形，現(xiàn)場及時采取6m長的R51N自鉆式錨管進(jìn)行徑向加固及注漿處理，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，初期支護(hù)變形未侵限，及時仰拱封閉成環(huán)，盡早施作二次襯砌確保了安全。

采用R51N自鉆式螺旋錨管作為徑向加固相比傳統(tǒng)采用φ42錨管加固優(yōu)勢如下：

（1）加固初期支護(hù)背后松動圈范圍更廣，R51N自鉆式螺旋錨管一節(jié)3m，最長能12m。傳統(tǒng)采用φ42錨管一般加固范圍3.5～4m。

（2）加固效率更高，R51N自鉆式螺旋錨管機(jī)械采用自行式履帶，電力驅(qū)動，施工角度可任意調(diào)整，跟管作業(yè)成孔率100%。傳統(tǒng)采用鉆機(jī)鉆孔送管，前期準(zhǔn)備工作較長（需作業(yè)平臺，高壓風(fēng)水），且在花崗巖蝕變圍巖中鉆孔極易引起塌孔，造成后續(xù)送管困難，效率較低。

圖4 R51N自鉆式錨管施工

圖5 R51N自鉆式錨管間采用工字鋼連接

5 施工注意事項

（1）隧道開挖前，采用多種方式的超前地質(zhì)預(yù)報盡可能準(zhǔn)確探明掌子面前方情況，以便采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

（2）隧道穿越花崗巖蝕變巖體中，工法宜采用三臺階預(yù)留核心土開挖，開挖時應(yīng)盡量采用機(jī)械開挖或控制爆破規(guī)模，減少對圍巖的擾動。

（3）嚴(yán)格要求進(jìn)行超前支護(hù)及超前預(yù)注漿，加強(qiáng)對初期支護(hù)各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。

（4）加強(qiáng)隧道內(nèi)拱頂下沉及凈空收斂監(jiān)測，施工中發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)盡快采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，并及時上報以便處理。

（5）當(dāng)隧道穿越花崗巖蝕變巖體中地下水豐富時，應(yīng)在蝕變體揭示前鉆孔泄水。

（6）初期支護(hù)盡早封閉成環(huán)，步距緊跟，盡早施作二次襯砌。

6 結(jié)論

（1）隧道開挖中，超前支護(hù)效果直接關(guān)系到掌子面開挖安全，特別在穿越花崗巖蝕變巖體中，如果掌子面上方超前支護(hù)不到位，造成掉塊嚴(yán)重，極易發(fā)生塌方現(xiàn)象。提前做好超前支護(hù)措施在穿越花崗巖蝕變巖體中尤為重要。

（2）相比傳統(tǒng)中大管棚超前支護(hù)，在效率、成本、效果上R51N自鉆式螺旋錨管有獨特的優(yōu)勢。能在較短的時間內(nèi)一定范圍內(nèi)加固松散巖體，防止在地下水的作用下形成松動圈，減少安全風(fēng)險。

（3）在穿越花崗巖蝕變巖體中，隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，引起兩側(cè)邊墻發(fā)生較大的收斂變形，采用R51N自鉆式螺旋錨管加長鎖腳打入基巖控制初期支護(hù)變形，全螺紋結(jié)構(gòu)增加了錨管體與注漿材料的粘接面積從而提高了錨固力，同時錨管間采用工字鋼連接在初期支護(hù)型鋼鋼架上，聯(lián)合受力，能有效防止初期支護(hù)出現(xiàn)開裂、變形、擠出等影響施工安全的情況發(fā)生。

（4）對花崗巖蝕變巖體初期支護(hù)背后松動圈的整體加固，采取R51N自鉆式螺旋錨管進(jìn)行徑向加固措施，相比傳統(tǒng)小導(dǎo)管加固方式在加固范圍及效率上有明顯優(yōu)勢，能快速抑制開挖變形，迅速恢復(fù)應(yīng)力平衡，使圍巖盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。并盡早仰拱封閉成環(huán)，確保了安全。