王 巖 任東偉 李 濤 陳代琨

（1.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100029；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

在隧道施工過程中，圍巖性質(zhì)及地質(zhì)條件會發(fā)生變化，松散破碎巖石地質(zhì)條件下的隧道，巖體空隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)力不足，自穩(wěn)能力差[1]。若工程處治不當(dāng)，掘進(jìn)面易產(chǎn)生較大的坍塌和冒頂，造成極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

超前支護(hù)是保證隧道施工安全的重要施工步驟之一。目前圍巖加固處治方法中，常規(guī)采用超前小導(dǎo)管或自進(jìn)式錨桿，或常規(guī)管棚，或無工作室管棚。但傳統(tǒng)的超前小導(dǎo)管、管棚支護(hù)技術(shù)，要求圍巖有一定的自穩(wěn)能力且能成孔，不能有效滿足松散堆積體和圍巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重等復(fù)雜地層條件下隧道圍巖控制的要求[2?4]。目前，國內(nèi)針對松散巖堆體及其類似地層條件下的隧道施工方案，取得了一定的成果。杜國明[5]結(jié)合大河灣隧道自進(jìn)式錨桿超前短管棚施工技術(shù)的成功應(yīng)用，闡述了自進(jìn)式錨桿在松散破碎圍巖下作為超前支護(hù)的優(yōu)點。羅興建[6]以福建某人防工程引水隧洞施工為例，介紹了自進(jìn)式錨桿結(jié)合鋼拱架支護(hù)處理隧洞塌方的成功方案。楊文平等[7]在浙江省道磐安段崗頭隧道施工中，采用自進(jìn)式錨桿加固軟弱圍巖的施工工藝，較好地解決了工程施工中的安全及質(zhì)量問題。魏文陽[8]采用無工作室長管棚、自進(jìn)式錨桿和小導(dǎo)管注漿綜合處治隧道塌方冒頂病害。周 杰[9]結(jié)合自進(jìn)式錨桿在玄武巖松散堆積體中施工中的應(yīng)用，總結(jié)了其工藝流程和施工要點。何玉龍[10]通過采用雙層自進(jìn)式錨桿進(jìn)行預(yù)支護(hù), 使得云南大圓子隧道右洞順利通過碎石堆積體地段，有效節(jié)約了施工工期, 確保了進(jìn)洞的安全。但目前的研究中關(guān)于斷層角礫巖隧道施工建設(shè)的工程實例還比較少，且研究該巖性隧道的經(jīng)驗和理論也比較少。

基于此，以玉渡山隧道為依托，對其原設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，選用自進(jìn)式錨桿進(jìn)行超前支護(hù)[11]，并通過試驗段超前支護(hù)效果確定自進(jìn)式錨桿在斷層角礫巖條件下的合理支護(hù)參數(shù)、注漿壓力及相應(yīng)的施工方法，提高圍巖整體穩(wěn)定性及力學(xué)性能，降低施工風(fēng)險。

1 自進(jìn)式錨桿的研究及應(yīng)用

1.1 自進(jìn)式錨桿介紹

自進(jìn)式錨桿桿體采用良好的厚壁無縫鋼管材料，鉆桿及錨桿合而為一，錨桿前配有穿透力強(qiáng)的鉆頭（見圖1），在一般鑿巖機(jī)械的作用下，可以輕易穿透各類巖石，在風(fēng)化巖、碎巖層、回填區(qū)、砂、黏土、園卵石層（軟巖、土層、斷裂帶等）等不需套管護(hù)壁，即能形成錨孔[12]。鉆桿的錨桿體無需拔出，其中空可作為注漿通道，從里至外進(jìn)行注漿保證錨固與注漿效果，操作簡便，快捷省時[13]。

圖1 自進(jìn)式錨桿組成

連續(xù)的螺紋自進(jìn)式中空錨桿可任意切割、連接，適合在狹窄的工作場地施工。同時，連續(xù)的螺紋使自進(jìn)式中空錨桿比光滑的鋼管具有更強(qiáng)的黏結(jié)阻力。

1.2 自進(jìn)式錨桿研究歷程

自進(jìn)式錨桿注漿支護(hù)理念起源于1970年的奧地利，設(shè)計理念符合新奧地利隧道施工法中將錨桿和噴射混凝土組合作為主要支護(hù)手段的理論，且適應(yīng)能力強(qiáng)，可保證在軟弱、破碎圍巖地層中的錨固效果。自進(jìn)式錨桿于20世紀(jì)90年代初引入中國，經(jīng)不斷發(fā)展改進(jìn)，已成功運(yùn)用到我國地基與基礎(chǔ)工程、邊坡、隧道等多個巖土工程領(lǐng)域。

1.3 自進(jìn)式錨桿工程應(yīng)用情況

自進(jìn)式錨桿主要用于復(fù)雜地層 (斷裂帶、破碎帶、軟巖、土層等難以打鉆成孔)條件[14]下開挖支護(hù)施工，克服了普通砂漿錨桿在松散破碎圍巖下諸如塌孔、插桿困難、注漿不飽滿等難題，解決了管棚施工時的塌孔問題，能夠保證復(fù)雜地質(zhì)條件下的注漿效果，發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用，提高圍巖的承載能力，保證圍巖的整體穩(wěn)定，在水利水電、公路、鐵路、隧道、城市地鐵等多個行業(yè)中應(yīng)用效果較好，已成為處理隧道塌方、冒頂、大變形等地質(zhì)災(zāi)害的行之有效的常用工法。

2 自進(jìn)式錨桿在隧道斷層角礫巖實踐

2.1 工程概況

延崇高速是北京冬奧會重點工程，玉渡山隧道洞口距延礬斷裂邊緣約30 m，隧道進(jìn)京線ZK16+415?ZK16+620段范圍內(nèi)發(fā)育6條斷層，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化斷層角礫巖，巖體破碎，無自穩(wěn)能力。按設(shè)計要求在斷層角礫巖段采用小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，實施過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題：該地層難以成孔、鉆孔后鉆桿拔出困難、拔出鉆桿后因出現(xiàn)塌孔無法插入小導(dǎo)管，導(dǎo)致隧道開挖掌子面超前支護(hù)效果差，自進(jìn)入該地層施工以來發(fā)生多次小塌方，導(dǎo)致施工安全風(fēng)險增加、進(jìn)度緩慢、成本增加，現(xiàn)場塌方如圖2所示。

圖2 隧道塌方現(xiàn)場圖

為降低施工安全風(fēng)險、加快施工進(jìn)度、減少施工成本，改用自進(jìn)式錨桿進(jìn)行超前支護(hù)，選定隧道進(jìn)京線ZK16+418?ZK16+528段進(jìn)行試驗性施工并對施工效果進(jìn)行評定。

2.2 斷層角礫巖粒徑確定

巖石粒徑分析是判別地質(zhì)環(huán)境以及水動力條件的標(biāo)志，也是隧道確定合理安全施工方法的重要參考。如圖3所示，在隧道進(jìn)京線ZK16+415?ZK16+620段范圍內(nèi)，圍巖在構(gòu)造應(yīng)力作用下破碎成角礫狀，沿延礬斷裂斷裂面線性分布，伴生斷層泥、碎裂巖，膠結(jié)疏松，多為泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，散體狀結(jié)構(gòu)，破碎?極破碎，無自穩(wěn)能力，隧道穿越斷層破碎帶段定為Ⅴ級圍巖，主要為斷層角礫巖。

圖3 ZK16+415?ZK16+620段縱斷面圖

為確定本隧道強(qiáng)風(fēng)化斷層角礫巖的粒徑范圍，選取塌方體處的塌落物進(jìn)行篩分試驗，通過大量篩分試驗確定已施工段斷層角礫巖粒徑范圍為5～60 mm，由此推斷后續(xù)段落斷層角礫巖粒徑同樣在此范圍之內(nèi)，斷層角礫巖顆粒級配篩分曲線見圖4。

圖4 斷層角礫巖顆粒級配曲線

2.3 斷層角礫巖隧道塑性區(qū)分析

根據(jù)彈塑性力學(xué)對斷層角礫巖隧道塑性區(qū)范圍進(jìn)行分析。首先，根據(jù)現(xiàn)場情況建立隧道塑性區(qū)力學(xué)分析模型。如圖5所示，選取角礫狀巖石中半徑為a的圓形隧道，在無窮遠(yuǎn)處分布均勻壓力場，圍壓為P∞，在隧道邊界處，施加正壓力P來模擬隧道的支護(hù)強(qiáng)度。并采用軸對稱方式進(jìn)行分析，模型中位移是徑向的，巖體為各向同性、均勻的彈塑性介質(zhì)。

圖5 斷層角礫巖隧道力學(xué)模型

當(dāng)隧道半徑為a，塑性區(qū)的半徑s計算公式[15]如下：

式中：k為三軸應(yīng)力因數(shù)；θ為巖石內(nèi)摩擦角，滿足：

解得

根據(jù)現(xiàn)場情況以及相關(guān)地質(zhì)勘查資料，確定本隧道圓形等效半徑a為6.5 m，巖層初始參數(shù)θ為27°，由公式（3）可得k為2.663，由公式（1）可獲得塑性圈半徑s與P/P∞的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 塑性區(qū)半徑s與P/P∞關(guān)系曲線

由于巖體出現(xiàn)塑性變形后圍巖強(qiáng)度會隨之降低，在松散破碎圍巖條件下的隧道采用超前小導(dǎo)管支護(hù)容易出現(xiàn)塌孔，導(dǎo)致無法安裝小導(dǎo)管，不能為后續(xù)注漿工藝創(chuàng)造條件，不利于提高圍巖的物理力學(xué)性能。據(jù)圖6，塑性區(qū)半徑s隨隧道初始支護(hù)強(qiáng)度與初始原巖應(yīng)力比值的增加而逐漸減低，且減低幅度隨比值的增大逐漸減小并最終趨于平穩(wěn)。合理增加隧道初始支護(hù)強(qiáng)度可以一定程度上抑制隧道圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展。因此采用自進(jìn)式錨桿來抑制隧道圍巖塑性區(qū)的擴(kuò)展。

（1）試驗段自進(jìn)式錨桿布置

如圖7所示，試驗段為標(biāo)準(zhǔn)斷面，斷面開挖尺寸為13.76 m×11.83 m，自進(jìn)式錨桿沿拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)，每環(huán)49根，管徑為25～51 mm，單根長度為3～6 m。錨桿外插角控制在10°～15°，若錨桿桿體外插角過大，注漿加固范圍有限；若外插角太小，錨桿鉆進(jìn)時存在施工空間狹小導(dǎo)致無法鉆進(jìn)情況。

圖7 自進(jìn)式錨桿鉆孔孔位布置示意圖

如圖8所示，錨桿打設(shè)順序采用跳2孔打設(shè)施工，若采用跳1孔打設(shè)，相鄰錨桿間距小、干擾大，注漿時容易串漿。

（2）施工工藝

如圖7所示，上臺階掌子面120°范圍內(nèi)，自進(jìn)式中空錨桿從鋼架腹部穿過，測量放樣出開挖輪廓線，在120°范圍拱部鋼架畫出錨桿孔位置，用紅漆噴點做上標(biāo)記，并按順序編號。

鉆頭對準(zhǔn)已布設(shè)的錨桿孔紅漆點，角度10°～15°，鑿巖機(jī)與自進(jìn)式中空錨桿軸線保持成直線。錨桿頭外露長度不大于30 cm。

自進(jìn)式錨桿搭設(shè)采用跳孔施工，跳孔施工一個循環(huán)后，及時注漿（按鋼架上所設(shè)置的孔位順序，先依次鉆進(jìn)孔1、孔4、孔7、孔10···，第一輪鉆孔后及時注漿；然后依次鉆進(jìn)孔2、孔5、孔8、孔11···，第二輪鉆孔后及時注漿，最后依次進(jìn)行鉆進(jìn)孔3、孔6、孔9、孔12···，第三輪鉆孔后及時注漿，完成整個自進(jìn)式錨桿注漿加固），具體流程如圖9所示。

圖9 自進(jìn)式錨桿施工工藝流程圖

（3）試驗段錨桿支護(hù)參數(shù)試驗

根據(jù)隧道施工現(xiàn)場實際情況、塌落物的粒徑，以及類似工程的施工經(jīng)驗，自進(jìn)式錨桿常用的管徑、長度如表1所示。

表1 自進(jìn)式錨桿常用管徑、長度表

為驗證不同型號自進(jìn)式錨桿在現(xiàn)場施工過程中的可操作性，在試驗段第一個斷面上臺階鋼拱架處選用不同型號的自進(jìn)式錨桿打設(shè)兩根，沿鋼拱架拱面均勻分布打設(shè)，總計18根。

如圖10所示，經(jīng)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)φ25 mm、φ32 mm長6 m自進(jìn)式錨桿因自重導(dǎo)致?lián)隙茸冃屋^大，且鉆進(jìn)時受擠壓作用力可看到桿體有明顯彎曲變形，鉆孔時抖動過大，不易控制，無法鉆進(jìn)。φ51 mm自進(jìn)式錨桿單個鉆孔時間較長，且容易產(chǎn)生卡鉆現(xiàn)象，調(diào)用履帶式鉆進(jìn)機(jī)械則鉆進(jìn)功效低，因此排除長度為6 m的自進(jìn)式錨桿和管徑為51 mm的自進(jìn)式錨桿。

圖10 自進(jìn)式錨桿打設(shè)試驗現(xiàn)場圖

綜上所述根據(jù)試驗斷面鉆進(jìn)效果，決定在ZK16+418?ZK16+425試驗段，采用以下4種試驗方案進(jìn)行施工。

方案（一）選用錨桿直徑為25 mm，長度為3 m，縱向間距為1 m（分步開挖2榀，每榀0.5 m），環(huán)向間距0.3 m進(jìn)行施工，單孔鉆孔時間為2.5～3.2 min。掘進(jìn)里程為ZK16+418?ZK16+420，用時41.4 h，共施工2個循環(huán)，總進(jìn)尺2 m，平均施工進(jìn)度為1.16 m/d。打設(shè)自進(jìn)式錨桿過程中局部因超前注漿加固不到位，掌子面開挖過程中出現(xiàn)塌方2次，且循環(huán)用時長、功效低，不滿足每月進(jìn)尺不小于45 m的施工進(jìn)度要求。

方案（二）選用錨桿直徑為25 mm，長度為4 m，縱向間距為1.5 m（分步開挖3榀，每榀0.5 m），環(huán)向間距0.3 m進(jìn)行施工，單孔鉆孔時間為3.3～4 min。掘進(jìn)里程為ZK16+420?ZK16+423，用時51 h，共施工2個循環(huán)，總進(jìn)尺3 m，平均施工進(jìn)度為1.41 m/d。φ25 mm自進(jìn)式錨桿在注漿時存在小部分堵管現(xiàn)象，注漿效果不能達(dá)到擴(kuò)散要求，掌子面開挖時拱部有掉渣現(xiàn)象，過程中出現(xiàn)塌方2次。

方案（三）選用錨桿直徑為32 mm，長度為3 m，縱向間距為1 m（分步開挖2榀，每榀0.5 m），環(huán)向間距0.3 m進(jìn)行施工，單孔鉆孔時間為2.5～4min。掘進(jìn)里程為ZK16+423?ZK16+425，用時32.5 h，共施工2個循環(huán)，總進(jìn)尺2 m，平均施工進(jìn)度為1.48 m/d。施工過程中出現(xiàn)拱部掉塊、局部小規(guī)模坍塌產(chǎn)生空洞，自進(jìn)式錨桿上部載荷堆積導(dǎo)致桿體出現(xiàn)較小的撓度變形。掌子面開挖過程中共出現(xiàn)塌方4次，開挖風(fēng)險高，坍塌處需進(jìn)行噴射混凝土封閉，再進(jìn)行注漿回填，從而導(dǎo)致功效降低、成本增加。

方案（四）選用錨桿直徑為32 mm，長度為4 m，縱向間距為1.5 m（分步開挖3榀，每榀0.5 m），環(huán)向間距0.3 m進(jìn)行施工，單孔鉆孔時間為3.5～5 min。掘進(jìn)里程為ZK16+425?ZK16+428，用時48h，施工2個循環(huán)，總進(jìn)尺3 m，平均施工進(jìn)度為1.5 m/d?，F(xiàn)場開挖注漿效果良好僅有少許碎石滑落，未見塌方，可保證施工進(jìn)度要求。

根據(jù)4組試驗，得出采用φ32 mm自進(jìn)式錨桿，長度4 m，環(huán)向間距30 cm，縱向間距1.5 m，每榀開挖間距0.5 m最為合適。

（4）注漿壓力與漿液配比

①注漿壓力試驗

合理的注漿工藝是實現(xiàn)注漿目的保證。在綜合考慮安全、造價、工程進(jìn)度、施工便利性四個方面因素的前提下，通過試驗來確定合理的注漿壓力。

如圖7所示，在每環(huán)自進(jìn)式錨桿注漿過程中，根據(jù)鉆孔孔位編號分別采用1、4、7···，2、5、8···，3、6、9···三個循環(huán)進(jìn)行注漿，注漿漿液選用水泥漿，水∶水泥=1∶1（質(zhì)量比），注漿壓力從0.5～1.0 MPa、1.0～1.5 MPa、1.5～2.0 MPa三個范圍中選取，終壓時間相同均為2 min。

第一組循環(huán)（0.5～1.0 MPa），平均每根錨桿注漿量為0.11 m3，平均注漿時間為11.8 min，由于注漿壓力最低，漿液使得鉆孔近距離的裂隙快速“閉合”，漿液擴(kuò)散受到抑制，導(dǎo)致錨桿注漿時間最短，注漿量達(dá)不到設(shè)計注漿量（0.14 m3）。

第二組循環(huán)（1.0～1.5 MPa），平均每根錨桿注漿量為0.18 m3，平均注漿時間為12.3 min，注漿量略超過設(shè)計注漿量（0.14 m3），注漿時間較短。

第三組循環(huán)（1.5～2.0 MPa），平均每根錨桿注漿量為0.21 m3，平均注漿時間為15.7 min，由于注漿壓力較高，漿液使得鉆孔的裂隙快速“張開”，使得漿液向遠(yuǎn)處裂隙擴(kuò)散，導(dǎo)致錨桿注漿量的增大，注漿量超過設(shè)計注漿量（0.14 m3）。

三組試驗注漿量、注漿時間統(tǒng)計見圖11，綜合比較得出注漿壓力在1.0～1.5 MPa時最為合適。

圖11 試驗段錨桿的注漿量、注漿時間統(tǒng)計圖

②漿液配比

為縮短注漿漿液初凝時間，首先要適當(dāng)提高水泥的強(qiáng)度等級并增加水泥的用量，其次需加入合適的外加劑（速凝劑等）。試驗段利用制作的注漿漿液樣本進(jìn)行試驗（見表2），通過與表3注漿漿液規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)相比，注漿漿液在比重、結(jié)實率、稠度、初凝時間方面均達(dá)到了相關(guān)要求。

表2 現(xiàn)場注漿漿液試驗數(shù)據(jù)表

表3 漿液實驗數(shù)據(jù)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)

3 采用自進(jìn)式錨桿施工與小導(dǎo)管施工的效果對比

玉渡山隧道在原方案中采用小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，因鉆孔完成后容易塌孔造成小導(dǎo)管無法插入，進(jìn)而導(dǎo)致無法對前方圍巖進(jìn)行有效注漿加固，造成掌子面開挖時產(chǎn)生大量塌方。

在ZK16+428?ZK16+528段，依照“超前支護(hù)采用φ32 mm自進(jìn)式錨桿，長度4 m，環(huán)向間距30 cm，縱向每三榀打設(shè)一環(huán)，外插角10°～15°，注漿壓力1.0～1.5 MPa，注漿漿液采用水泥漿（質(zhì)量比水∶水泥=1∶1）”進(jìn)行超前支護(hù)施工時，拱頂最大沉降最終穩(wěn)定在8 mm左右，周邊最大收斂最終穩(wěn)定在7～8 mm，圍巖加固效果良好（見圖12）。根據(jù)施工段統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到平均每10延米塌方量的實際控制值為6.9 m3低于預(yù)期目標(biāo)值的10 m3，符合控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 自進(jìn)式錨桿開挖實施效果圖

改進(jìn)方案實施前后隧道施工塌方量差異明顯，由最初的平均每10延米塌方32.3 m3降低至6.9 m3，由此可知采用自進(jìn)式錨桿可以有效加固前方圍巖，降低施工風(fēng)險。綜上所述，玉渡山隧道斷層角礫巖段采用自進(jìn)式錨桿超前支護(hù)參數(shù)合理可行，達(dá)到了預(yù)期的圍巖控制目的與施工要求。

4 結(jié)論

（1）通過對斷層角礫巖隧道塑性區(qū)分析得到：斷層角礫巖隧道塑性區(qū)半徑隨隧道初始支護(hù)強(qiáng)度與初始原巖應(yīng)力比值的增加而逐漸減低，且減低幅度隨比值的增大逐漸減小并最終趨于平穩(wěn)。合理地增加斷層角礫巖隧道支護(hù)強(qiáng)度可以有效抑制隧道塑性區(qū)擴(kuò)展，保證施工安全。

（2）經(jīng)工程實踐，對于粒徑范圍5～60 mm的強(qiáng)風(fēng)化斷層角礫巖隧道，采用自進(jìn)式錨桿代替超前小導(dǎo)管進(jìn)行超期支護(hù)，可以有效解決超前小導(dǎo)管塌孔，插桿困難、無法對隧道前方圍巖進(jìn)行有效注漿加固等難題。突顯自進(jìn)式錨桿的優(yōu)越性，保證了隧道工程本身質(zhì)量及安全。

（3）通過玉渡山斷層角礫巖隧道實驗段施工效果對比，在粒徑在5～60 mm的斷層角礫巖隧道施工中，采用長4 m、直徑φ32 mm的自進(jìn)式錨桿，環(huán)向間距30 cm，縱向間距1.5 m，注漿漿液選用水泥漿，注漿壓力選用1.0～1.5 MPa，進(jìn)行施工最為合適。此方案能夠有效減少隧道塌方，控制隧道圍巖變形，為同類條件隧道超前支護(hù)方案提供參考。