砂浆锚杆在隧洞工程施工中的应用

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摘 要：砂浆锚杆在地下支护工程中应用广泛，玉蒙铁路隧洞工程应用此技术达到了预期目的，对施工过程及原理进行总结是必要的，对施工过程作一简单介绍。

关键词：概述；锚杆设计；布置；原理；施工；结语

1 概述

砂浆锚杆作为地下工程支护技术的应用，在国外已有半个多世纪的历史。我国施工从60年代开始推广使用，取代了原始的支护方法，玉蒙铁路隧洞工程开挖支护就采用了砂浆锚杆支护技术。

砂浆锚杆主要利用锚杆的抗拉强度，借助锚杆与砂浆之间粘结力和砂浆与孔辟之间的粘结力，把围岩连接成一个整体而起到加固围岩或把预计坍落岩体锚入不坍落岩体的一种支护技术，它有如下使用特点：

1.1 适用范围广。由于砂浆锚杆可适用于f=3～4的软弱岩层和f=12的坚硬岩层中，只在较大断层处不宜单靠锚杆而应和其它方法配合使用；砂浆锚杆锚入深度可达4～6m以上，因而可用于较大跨度的地下工程施工中；可以做为岩石支撑用，也可在软弱岩层预先加固岩层用。根据不同情况，采用了砂浆锚杆单独支护和锚杆与网喷相结合的方法进行。对不良地质段也采用了超前锚杆的开挖方法，均取得了良好的效果。

1.2 根据有关实验资料，砂浆锚杆的锚固力较大，一般直径25mm的砂浆锚杆锚固力为3d可大于13t，7d可大于15t，而且在一定条件下，随深度和龄期的增加而增长，而且可以根据实际需要调整孔径、锚杆直径、砂浆标号和凝结时间等。

1.3 由于锚杆被砂浆包裹，避免了锚杆的锈蚀，从而提高了锚杆的耐久性，与喷砼或挂网喷砼相结合可作为地下工程永久支护，砂浆锚杆亦可施加预应力。

1.4 根据以上分析，导流洞工程选用了直径为25mm的螺纹钢筋砂浆锚杆（深3～4米）的支护方法。

2 本项工程砂浆锚杆设计原理和布置

砂浆锚杆主要靠锚杆与砂浆间和砂浆与孔壁间的粘力把预计坍落岩体锚固（悬吊）于顶部稳定岩体内，因而为地下工程开挖支护围岩而使用的砂浆锚杆其计算公式应满足下列四个条件：

（1）NK=FaδT，锚杆破坏；（2）NK=πdh1τ1，锚杆与砂浆间接触层破坏；（3）NK=πDh1τ2砂浆间接触层破坏；（4）NK=Rυ-Pυ，岩体本身破坏。

岩石分子间粘结力Rυ=πRc√R2+h32，式中，h3=K1h1。破坏岩体自重P1=1/3k1h1πr2γ，R为破坏圆锥半径。坍落岩体重量P2=Fh2γ。锚杆破坏时岩体总重量Pυ=P1+P2。

式中：N—每根锚杆的设计承载力N=Fh2γ（kg）；F—每根锚杆的支承面积（m2）；γ—岩石单位体积重量（kg/m3）；K—安全系数，一般取1.5；Fa—锚杆最小截面面积（cm2）；δt—锚杆抗拉屈服强度（Mpa）；D—钻孔直径（cm）；d—锚杆直径（cm）；h1—锚杆锚入稳定岩体的实际深度（cm）；h2—计算坍落拱高h2=B/2f（cm）；B—开挖跨度（m）；f—普式岩石坚固系数，如顶板为园形则应乘以起拱系数0.7；τ1—锚杆与砂浆间粘结力（MPa）；τ2—砂浆与孔壁间粘结力（MPa）；C—岩石分子间内聚力，对于C值一般取值见表1，本工程取值为0.03 MPa；K1—和锚固深度有关的坍落园锥体深度系数如表2，本工程取0.50；r—岩石破坏园锥半径，在破坏角为45°时R=K1h1（m）=h3。

表1 C值取值表

岩 石 抗压/MPa 抗剪/MPa 抗拉/MPa 内聚力/MPa

花岗岩 156.91 12.40 4.39 0.0304

砂岩 162.59 11.17 4.72 0.053

石灰岩 86.10 9.04 5.08 0.023

表2 坍落园锥体深度系数

锚固深度h1 100 150 200 250 300 350 400

K1 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40

r（cm） 70 98 120 137 150 157 160

砂浆锚杆各项参数的选择：结合现场施工的实际条件和手段，决定选用直径为22～25mmr螺纹钢作为锚杆使用。偏于安全。

砂浆锚杆的布置：据一般资料介绍，每根砂浆锚杆承担面积以F=0.5～1.2m2为宜，在岩石较好的情况下可取F=1.2～1.5m2，布置成矩形或梅花形。砂浆锚杆的钻孔方向：在水平隧洞中，宜在垂直洞纵轴线方向上呈放射状排列；在倾斜隧洞中，宜选择倾角θ=1/2a～1/3a。

锚杆的钻进方向，应尽量垂直岩层节理方向，最重要的是应根据实际情况调整孔位、孔向、孔距及每根锚杆应承担的面积等。

边墙锚杆主要承受剪切力，为便于施工，钻孔方向略向下倾斜，一般控制在10°～15°。

3 砂浆锚杆的施工

3.1 砂浆配合比的选择原理

锚杆和孔壁之间连接，主要是靠砂浆来完成的。砂浆在锚杆受力过程中起主导作用，因而制备合格的砂浆是砂浆锚杆施工中的重要环节。砂浆应根据不同的施工方法和强度要求进行配制。它应具有便于施工、强度高、早强、微膨胀等特性。砂浆锚杆施工方法有先填法和后填法，先填法需要流动性较大的砂浆。适用于边墙下斜向孔施工，有的工地洞顶也用袋装砂浆先填入孔内再插锚杆；后填法又分喷进式和压浆（注入）式。根据经验，锚杆与砂浆间粘结力和砂浆与孔壁粘结力，粘结力和砂浆强度成正比，由另外的试验得知，粘结力与按全长计算的锚入深度成反比，因为粘结力是由锚固力被相应的锚入深度接触面积相除得来的，所以在一定锚固深度范围内，其受力图形是略呈矩形分布，超过一定深度，其锚固力就不是随深度的加大而直线上升，而是深度增加得多，锚固力增加得少，甚至锚固力不再增加，故按锚入深度平均计算的粘结力，就相应的有所减少。锚入深度60cm时的粘结力，约等于锚入深度30cm时的65%。如果锚杆与砂浆间粘结力偏小，锚杆施工我们可以选择先注浆后插锚杆的方法。

普通砂浆制备分两种情况：1、人工水泥卷注孔：水灰比控制在0.30～0.35，水泥与砂子比例1：1～1：1.2。2、注入式方法；所有砂浆水灰比控制在0.5～0.55，水泥与砂子比例1：1～1：1.2，坍落度10～14cm。水泥为525#水泥、砂子为4mm筛子筛过的砂。

掺加早强剂砂浆锚杆制备：为提高早期强度，便于进行洞挖爆破施工，我们在砂浆中掺加了1.2%的DII6早强剂和氯化钙促凝剂。这样在距离大于20m时，开挖和锚杆施工可平行作业，两工序距离为10m内时，掺加3%的氯化钙时，16h后可以放炮。

3.2 砂浆锚杆施工

钻孔：采用台车和手风钻进行砂浆锚杆钻孔，孔位根据要求布置，控制好钻孔方向。孔径为48mm和40mm两种，钻完孔后将孔内岩粉冲洗干净。

锚杆安装：锚杆使用直径25mm的螺纹钢筋，砂浆注满孔以后用台车进行安装，锚杆均深入到孔底。

4 结语

具有经济、施工方便、耐久的砂浆锚杆已被广泛的应用于地下工程支护中。除注入等施工方法外，掺加早强、膨胀剂的孔内喷浆法，可获得强度高、密实、早强、结合紧密的砂浆粘结层。砂浆锚杆和喷混凝土、挂网结合起来是地下工程临时和永久支护的较好形式之一。对于其安全性关键是要即时支护。恰甫其海导流洞开挖过程中采用不同形式的支护方法，打超前锚杆，进行锚喷和网喷施工相结合的方法，成功通过了断层和破碎带。方案和措施是切实可行的，从经济角度，还可进行优化设计。