涨壳式让压中空锚杆在高地应力软弱围岩隧道施工中的应用
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摘要：在高地应力软弱围岩隧道施工中，仅采用普通支护技术不能满足围岩的支护需求。大梁隧道斜井辅助正洞采用涨壳式让压中空锚杆进行施工，通过研究涨壳式让压中空锚杆和普通砂浆锚杆在锚固时间、锚固效果、控制围岩位移变化的对比分析，说明了涨壳式让压中空锚杆具有更大的优势。
中图分类号：U45文献标识码： A
1前言
宜昌至巴东高速公路第十七合同段峡口隧道穿越碳质页岩、灰岩、板岩，砂岩，地质构造复杂，新构造运动强烈，且经历了多次构造变形，褶皱、断裂发育。开挖后在地下水作用下工程性质不断恶化，奥陶系中统板岩全强风化，受构造应力作用强烈，成岩性差，围岩大变形明显。经科研单位对大梁隧道斜井和进口两个工区分别做地应力测试判断大梁隧道斜井工区为极高地应力，出口工区为高地应力。在高地应力作用下，2010年10月11日在施工YK105+100～YK105+102段上台阶初期支护时，发现YK105+094～+100段拱顶左侧喷射砼出现开裂，2010年11月5日，掌子面施工至YK105+137时，监控量测显示已经临时加固的YK105+076～YK105+100段初期支护出现快速下沉现象，掌子面被迫停工，且严重危及施工安全及工程质量、进度，引起上级部门、专家的高度关注。
2工程概况
宜巴十七标峡口复杂地质隧道进口段左线（ZK104+214）长3163m、右线（YK104+223）长3177m，最大埋深1480m，围岩以Ⅲ、Ⅳ级为主，复合式衬砌，洞口处于高岚河河谷绝壁上，施工困难，唯有经山体侧面“v”型峡谷开辟绕行便道，通过施工横洞进入正洞施工。隧道正洞正常涌水量8900m3/d，最大涌水量120000m3/d。
2.1高地应力特征
施工期间，出现了初支混凝土开裂、混凝土脱落，钢架扭曲变形，拱顶、边墙混凝土开裂，二衬开裂等现象。中科院武汉岩土力学研究所于2010年10月份对峡口隧道采用水压致裂法，测试埋深在240米时的地应力，同时对斜向上150孔及铅直孔水压致裂法测试地应力，通过对所有测试结果的分析研究，得到如下结论：
实测深度范围内,隧道边墙围岩最大水平主应力最大值为8.75MPa、最小主应力值最大值为6.07MPa；铅直孔最大水平主应力最大值为13.06MPa、最小水平主应力值最大值为7.18MPa；隧道区铅直孔的最大水平主应力方向基本为NE150；结果表明:在隧道区范围内，侧压系数均大于1，隧道区的水平地应力以构造应力为主，同时表明地应力场以水平应力为主导；最大水平主应力与隧道轴线交角较大（斜向上150钻孔的最大水平主应力方向为NW2740左右，铅直钻孔最大水平主应力方向为NE150左右），对隧道围岩的稳定性不利。隧道掌子面岩层的小褶皱也表明了该隧道区内是以构造应力场为主导，且与隧道轴线交角较大；本次测试的隧道部位埋深仅240m，地应力量值对碳质页岩而言为极高应力。
2.2软岩特征
受地质构造作用严重，板理发育，多呈薄层状，且褶曲发育，易污手，属炭质板岩，岩质软弱且致密，隧道开挖后多呈塑性流动状，如图1所示。
图1峡口隧道斜井工区正洞掌子面褶曲
节理切割形成大量松散小块体，结构松散破碎，全强风化。节理裂隙发育，延展性差，微张，泥化物及石英、石膏充填；局部软泥夹层及破碎带发育，整体性差，如图2所示。
图2节理切割形成大量松散小块体，结构松散破碎，全强风化，易污手
通过开展室内岩石力学试验，围岩单轴抗压强度为14-20Mpa之间，属于软岩～较软岩，岩层面泥质胶结，结合差，板状结构，中薄层状发育。
3施工情况
3.1施工参数及材料
选择隧道斜井辅助正洞进口方向YK105+094～+134段（总长40m）进行涨壳式让压中空锚杆代替普通砂浆锚杆试验段施工。该段设计为Ⅴ级围岩，采用Ⅴb-2衬砌支护类型，初期支护设置系统锚杆，拱部采用Φ22组合中空锚杆L=4m，间距1.2×1.0m（环×纵），边墙采用Φ22普通砂浆锚杆L=4m，间距1.2×1.0m（环×纵）。
试验段前20m，即YK105+094～+114段，涨壳式让压中空锚杆单根长L=6m，环纵间距1.0×1.0m。选用的Φ32mm涨壳式让压中空锚杆采用50mm钻头钻孔，经过试验，水泥纯浆采用P.O 42.5 R水泥，减水剂掺量为0.7%，水灰比为0.45。锚固剂选用郑州兰瑞MJSK2型锚固剂，规格为32×225mm。锚杆密实度检测采用中空杆体注浆，孔口PVC软管进行排气的方式。
3.2施工工艺流程
施工工艺流程为：施工准备测量放线风枪钻孔孔道清理砂浆孔口找平涨壳式让压中空锚杆插入、涨开锚具安装及施加预应力从注浆管灌注水泥纯浆密实度无损检测。
3.3施工方法
3.3.1钻孔。Φ32mm涨壳式让压中空锚杆采用Φ50mm钻头钻孔，钻孔深度6.1m。空位偏差不大于100mm。
3.3.2孔道清洗与验收。钻孔完毕后，用压力水将孔道清洗干净，经检验合格后，临时封堵孔口。
3.3.3锚杆安装与张拉。为确保锚杆垫板与锚杆垂直，使预应力沿锚杆轴线施加，对孔口范围局部凹凸不平处采用高标号砂浆抹平，为使砂浆能够迅速达到强度，可在砂浆中加入适当的早强剂，待找平层强度达到20MPa后，安装锚杆张拉；锚杆由厂家定尺制作，采用风枪配合，人工将锚杆体送入孔内，确保涨壳头已送至孔底，使用厂家配置专用连接套筒转动锚杆杆体涨开钢质锚头，使锚头涨开与岩壁紧密接触以达到锚固的目的；放入止浆塞和锚垫板，安装排气管，旋上螺母，并使锚杆位于锚杆孔中部，拧紧螺母；使用扭力扳手施加预应力40KN。安装及成形后的照片分别见图3、4所示。
图3涨壳式让压中空锚杆安装 图4成形后的涨壳式让压中空锚杆
3.3.4注浆。采用水灰比0.4水泥纯浆（或1:1水泥砂浆）作为注浆材料，采用专用注浆泵灌注，灌浆前采用通风或水检查杆体、排气管是否畅通。灌浆时孔口下倾的锚杆宜从杆体进浆，孔口排气管排气；孔口水平或上仰的锚杆宜从孔口排气管进浆，杆体排气。待出浆浓度与进浆浓度一致后，封堵排气管，并继续灌注至预定压力后停止灌注，以保证注浆饱满且压力达到设计值，注浆压力控制在0.4～0.8MPa。
3.3.5砂浆密实度检测。涨壳式让压中空锚杆注浆完成7d后，采用物探对中空锚杆砂浆密实度进行检测，砂浆密实度均不小于95%，全部合格。
4施工效果
4.1监控量测数据对比
试验段后20m，即YK105+094～+114段，涨壳式让压中空锚杆单根长L=6m，环纵间距1.2×1.2m。自2010年12月13日至2011年1月5日，共施做涨壳式中空锚杆618根，共埋深孔口压力盒（200KN）三个断面，其中YK105+094～+114一个断面，YK105+114～+134两个断面，每个断面选一根锚杆安装两个压力盒，初测日期2010年12月23日，监测最大受力2.5t。普通砂浆锚杆段落及让压中空涨壳式锚杆试验段落围岩监控量测数据对比情况见表一。
表一涨壳式让压中空锚杆与普通砂浆监控量测数据对比情况（单位：mm）
4.2时间-变形关系曲线图及分析结论
4.2.1涨壳式锚杆段时间-变形关系曲线图
图5YK105+94 A测线涨壳式让压中空锚杆时间-变形关系曲线图
图6YK105+130 3号线涨壳式让压中空锚杆时间-变形关系曲线图
4.2.2 普通砂浆锚杆段时间-变形关系曲线图
图7YK105+134 A测线普通砂浆锚杆时间-变形关系曲线图
图8YK105+134 3号点普通砂浆锚杆时间-变形关系曲线图
5分析结论
5.1涨壳式锚杆段初支变形收敛小于普通砂浆锚杆段。初步统计累计最大沉降量减小153mm、最大沉降速率减小10.8mm/天、最大收敛速率减小12.6mm/天、累计收敛量减小98.1mm。
5.2仰拱成环段（YK105+136断面），围岩变形趋于收敛，初支变形速率小于5mm/d；在中、下台阶开挖时曲线有明显波动，左侧变形量较大，仰拱未成环前，沉降大于收敛；成环后，沉降不明显，收敛持续较长。
5.3围岩呈全强风化状，层面泥炭质胶结，结合差，总体走向与洞身的夹角35°左右，由左侧斜向右侧，45°～65°的倾角倾向于左侧及小里程，左硬右软，偏压明显。最大沉降速率、最大累计沉降量均出现在线右（3号点），较线左有沉降量大、沉降速率高、持续时间长特点，偏压明显。
5.4安装涨壳式让压中空锚杆后较普通砂浆锚杆相比，能迅速形成锚杆支护锚固力，控制岩体变形；能通过可靠的注浆使锚杆具永久支护力和耐久性；能通过预应力使锚杆注浆体处于零应力或注浆体不出现开裂，防止锚杆长期使用下锈蚀；施工工艺简单可靠。
参考文献
1、《高速铁路隧道工程施工技术指南》―中国铁道出版社中铁二局集团有限公司[2010]
2、《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》―中国铁道出版社中铁一局集团有限公司[2010]
3、《高地应力下特大异形断面隧道塌方处理技术》―铁道建筑雷升祥 高波 肖清华[2008]
4、《隧道工程施工要点集》―人民交通出版社关宝树[2003]