趙千里

（中鐵二十四局集團(tuán)西南建設(shè)有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

我國(guó)的錨桿支護(hù)是在1956 年開(kāi)始研究的，主要在煤礦巷道中使用，直到20 世紀(jì)90 年代，錨桿支護(hù)才開(kāi)始得到迅速發(fā)展。近年來(lái)我國(guó)錨桿支護(hù)理論及發(fā)展，從原來(lái)的單體錨桿作業(yè)，發(fā)展到了錨桿群聯(lián)合作用，衍生出端錨固、加長(zhǎng)錨固、全長(zhǎng)錨固等多種形式，其錨固形式也從原來(lái)的水泥砂漿錨固劑發(fā)展到樹(shù)脂錨固劑、漲殼式錨固等多種錨固形式。

現(xiàn)階段，我國(guó)鐵路及公路山嶺隧道主要采用新奧法施工，以錨噴支護(hù)為主要手段，二次襯砌作為儲(chǔ)備，最大限度地緊跟開(kāi)挖作業(yè)面施工，優(yōu)先保障開(kāi)挖面的施工安全，以有限地控制支護(hù)前的圍巖變形，充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)性，阻止圍巖進(jìn)入松動(dòng)的狀態(tài)，錨桿在其中起關(guān)鍵作用。大量的工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)證明，預(yù)應(yīng)力錨桿因其快速、主動(dòng)作用的特性，其支護(hù)效果要優(yōu)于非預(yù)應(yīng)力錨桿，傳統(tǒng)的非預(yù)應(yīng)力錨桿主要被動(dòng)受力，需要較長(zhǎng)的硬化或錨固時(shí)間，既不利于隧道的快速施工，又不利于圍巖的加固穩(wěn)定，影響施工安全。另外，隨著我國(guó)鐵路公路的高速發(fā)展，建設(shè)區(qū)域不停向西部高原、南部山區(qū)擴(kuò)張，工程建設(shè)遇到的地質(zhì)條件愈加復(fù)雜多變，設(shè)計(jì)理論也由被動(dòng)支護(hù)向主動(dòng)支護(hù)轉(zhuǎn)變，隧道工程對(duì)于錨桿支護(hù)要求日益嚴(yán)格，尤其是時(shí)效性[1]。

某高原隧道穿越橫斷山脈，隧址區(qū)屬構(gòu)造剝蝕中高山地貌，地面標(biāo)高4100～4700m，最大相對(duì)高差658m，自然坡度一般10°～60°。隧道地質(zhì)主要為砂巖、砂巖夾泥巖、泥巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，局部有軟巖大變、順層、順層偏壓、巖溶、斷層、破碎帶、高地應(yīng)力及軟弱大變形帶等不良地質(zhì)。預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂錨桿有著錨固力大、易于安裝、作用時(shí)效快等優(yōu)點(diǎn)，能快速高效地控制錨桿施作區(qū)域的圍巖離層、滑動(dòng)、裂隙擴(kuò)散或產(chǎn)生新裂紋等不利影響[2]，使圍巖處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，保持圍巖的完整性，增加圍巖強(qiáng)度，能夠有效保障隧道在不良地質(zhì)段的施工安全。

2 錨桿作用原理

錨桿支護(hù)是利用人為打入圍巖內(nèi)部的桿體，通過(guò)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(xué)狀態(tài)，從而提高圍巖的強(qiáng)度，進(jìn)而使隧道周圍巖體內(nèi)形成一個(gè)完整穩(wěn)定的承載圈，承載圈與圍巖共同作用，起到維護(hù)隧道穩(wěn)定的作用。其錨桿的主要力學(xué)作用有以下4 點(diǎn)。

（1）懸吊作用：通過(guò)錨桿尾端錨固，將臨隧道面的懸空及不穩(wěn)定的巖層懸吊在堅(jiān)固巖層上，阻止懸空面巖層變形移動(dòng)，把松軟破碎或變形、彎曲的圍巖直接頂懸吊在未松動(dòng)的巖層上，以達(dá)到增強(qiáng)巖層穩(wěn)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(dāng)于對(duì)臨空圍巖增加了新的支點(diǎn)，使隧道跨度減小，減小巖體應(yīng)力，以達(dá)到降低圍巖因應(yīng)力過(guò)大進(jìn)一步發(fā)生變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)[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(dòng)，避免離層現(xiàn)象；同時(shí)，還可以增加巖體的抗剪強(qiáng)度，阻止巖層的水平錯(cuò)動(dòng)，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(yù)應(yīng)力后，其兩端附近巖體形成圓錐形壓縮區(qū)，按照一定間距排列的錨桿在預(yù)應(yīng)力作用下構(gòu)成承載環(huán)，起到整體加固巖層作用[5]，如圖4 所示。

圖4 整體加固

3 預(yù)應(yīng)力錨桿重點(diǎn)施工工藝

3.1 工程概況

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

圖5 預(yù)應(yīng)力樹(shù)脂中空注漿錨桿

3.2 施工工藝流程

錨桿施工時(shí)機(jī)的選擇，一般情況下，在開(kāi)挖完成，進(jìn)行初噴后，立即打設(shè)預(yù)應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，且錨桿安裝及預(yù)應(yīng)力施加均不受鋼架、網(wǎng)片等其他設(shè)施設(shè)備影響，能充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力錨桿作用，保障后續(xù)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(shè)備選擇

基于該隧道高海拔地區(qū)的低溫、低壓、低氧環(huán)境特征及復(fù)雜多變的地質(zhì)特征，傳統(tǒng)的人工+風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施工工效低、安全風(fēng)險(xiǎn)高，不利于隧道錨桿施工。現(xiàn)場(chǎng)主要采用錨注一體機(jī)或三臂鑿巖臺(tái)車+風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)輔助的配套設(shè)備，以上兩種大型設(shè)備均具備自動(dòng)定位、定深、定角度、鉆速快等優(yōu)點(diǎn)，但都存在需要人工送樹(shù)脂卷的缺點(diǎn)，其中錨注一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安裝錨桿、自動(dòng)注漿，而三臂鑿巖臺(tái)車可實(shí)現(xiàn)三臂同時(shí)鉆孔，成孔工效更高。該隧道在通過(guò)兩種設(shè)備使用后的分析對(duì)比，錨桿施工優(yōu)先選用三臂鑿巖臺(tái)車+風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)輔助的配置工裝。

3.4 施工扭矩?fù)Q算

現(xiàn)場(chǎng)施工采用扭力扳手施工，需對(duì)扭矩與設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行換算。根據(jù)錨桿尾部螺母承受的扭矩與錨桿預(yù)應(yīng)力的關(guān)系P=M/（K×D）可知，錨桿預(yù)應(yīng)力與扭矩成線性關(guān)系，與錨桿的材質(zhì)、桿徑等存在關(guān)系。該隧道錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)60kN，錨桿直徑25mm，通過(guò)查找K 值取0.42，對(duì)應(yīng)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(shè)定為630N·m。

3.5 樹(shù)脂卷用量計(jì)算

錨桿藥卷采用樹(shù)脂藥卷填塞，樹(shù)脂錨固劑由樹(shù)脂膠泥與固化劑兩部分分隔包裝成卷。樹(shù)脂卷用量需通過(guò)計(jì)算得出，樹(shù)脂卷體積+錨固段桿體體積=（略大于）錨固段成孔長(zhǎng)度體積，其樹(shù)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(zhì)），嚴(yán)禁采用錨桿或鋼筋同步推進(jìn)，以防提前破壞藥卷。

3.6 鉆孔

根據(jù)高原施工特點(diǎn)，該隧道錨桿施工主要采用三臂鑿巖臺(tái)車施工，以風(fēng)槍為輔助，三臂鑿巖臺(tái)車鉆頭直徑為43mm，鉆孔直徑為46～50mm，風(fēng)槍鉆頭直徑為40mm，鉆孔直徑為42～45mm。鉆孔完成后，要及時(shí)利用高壓風(fēng)對(duì)孔洞進(jìn)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(shí)心桿體與后端空心桿體用連接套進(jìn)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(xiàn)場(chǎng)安裝，也可提前安裝在錨桿上，從墊板上的預(yù)留孔穿過(guò)，插入孔內(nèi)10cm，外露15cm，固定止?jié){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(shí)間控制

樹(shù)脂卷的凝固時(shí)間受廠家及配方影響，具體凝固時(shí)間有所區(qū)別，在實(shí)際使用中需根據(jù)試驗(yàn)確定?，F(xiàn)場(chǎng)主要通過(guò)查找產(chǎn)品說(shuō)明、室外試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共同得出，通過(guò)錨桿工藝性試驗(yàn)，該隧道所使用的樹(shù)脂卷在攪拌40s 左右開(kāi)始明顯產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并發(fā)熱凝固，即樹(shù)脂卷的攪拌時(shí)間不能大于40s，為保障攪拌均勻，且又不影響錨固效果，經(jīng)多次試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)按20s 控制，攪拌工具主要采用風(fēng)槍或風(fēng)動(dòng)扳手快速旋轉(zhuǎn)推入桿體（注意旋轉(zhuǎn)方向與錨桿螺紋適配）。攪拌均勻后，樹(shù)脂卷在8min左右能夠達(dá)到錨固要求，但受圍巖、清孔及滲水情況影響，略有區(qū)別，在實(shí)際施工中，凝固時(shí)間控制在10min以上，能夠確保滿足預(yù)應(yīng)力施加要求。

3.9 錨桿注漿

現(xiàn)場(chǎng)采用錨注一體機(jī)配備自動(dòng)注漿系統(tǒng)施作，將注漿頭裝置翻轉(zhuǎn)與錨桿桿頭自動(dòng)對(duì)接，錨桿動(dòng)力頭帶動(dòng)注漿頭裝置向前推進(jìn)與錨桿連接，啟動(dòng)注漿系統(tǒng)，進(jìn)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(yīng)由低孔位到高孔位交錯(cuò)進(jìn)行，注漿強(qiáng)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(yù)應(yīng)力錨桿質(zhì)量控制重點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力錨桿施工工序復(fù)雜、技術(shù)要求高，為保障施工質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)需嚴(yán)格按工序及參數(shù)要求組織施工，否則極易發(fā)生無(wú)法施加預(yù)應(yīng)力或施加不足的現(xiàn)象，其4 個(gè)與非預(yù)應(yīng)力錨桿有區(qū)別的質(zhì)量控制重點(diǎn)如下。

（1）樹(shù)脂卷須在失效期前使用，并在過(guò)程中及時(shí)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)施工情況，當(dāng)發(fā)生同樣工藝，但仍無(wú)法錨固時(shí)，需對(duì)錨固劑進(jìn)行室外試驗(yàn)，如不能滿足要求，需及時(shí)更換。

（2）扭力扳手在使用前必須進(jìn)行標(biāo)定，且在施工過(guò)程中需加強(qiáng)保護(hù)，根據(jù)使用情況定期進(jìn)行標(biāo)定，以確保張拉精度[6]。

（3）嚴(yán)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(zhǎng)度，當(dāng)更換鉆孔設(shè)備時(shí)，需及時(shí)調(diào)整樹(shù)脂卷用量；而孔內(nèi)余渣、余水等對(duì)樹(shù)脂卷的錨固力也有較大影響，需嚴(yán)格控制清孔質(zhì)量。

（4）張拉是預(yù)應(yīng)力錨桿施工最重要的工序，其張拉效果對(duì)保障圍巖穩(wěn)定起關(guān)鍵作用，施工過(guò)程需全程監(jiān)控，并做好記錄。

5 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)階段的隧道施工中，錨桿作為一種強(qiáng)有力的支護(hù)措施，在支護(hù)體系中占據(jù)重要地位。通過(guò)錨桿的懸吊、減跨、組合梁作用，并經(jīng)施加預(yù)應(yīng)力后，讓隧道各巖層壓應(yīng)力圓錐體相互交錯(cuò)，形成一條壓縮帶即壓縮拱，形成整體加固作用，對(duì)提高圍巖強(qiáng)度，控制圍巖變形，抑制裂隙發(fā)展起到重要作用。面對(duì)高原隧道復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境，通過(guò)過(guò)程中的施工分析總結(jié)，快速、高效、規(guī)范地完成預(yù)應(yīng)力錨桿施工，能夠有效地提高圍巖穩(wěn)定性，保障隧道施工安全性。