大變形隧道長(zhǎng)錨桿雙球閥桿外注漿施工技術(shù)研究

崔 磊

（中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司 山東青島 266555）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

新建成蘭鐵路CLZQ-7標(biāo)，正線長(zhǎng)度7.317 km，位于茂縣光明鄉(xiāng)境內(nèi)。

茂縣隧道起訖里程D8K125＋250～D8K135＋163，按左線拉通，全長(zhǎng)9 913 m，標(biāo)段施工進(jìn)口段6 110 m。

茂縣隧道穿越龍門(mén)山后山茂汶活動(dòng)斷裂帶，地層產(chǎn)狀紊亂多變，背斜向斜發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

1.2 地質(zhì)概況

茂汶活動(dòng)斷裂帶（龍門(mén)山后山斷裂）為一條北東向的壓扭性大斷裂，斷層走向N40°E，傾向NW，傾角70～80°，龍門(mén)山目前以0.3～0.4 mm/年的速率持續(xù)隆升［1-2］。根據(jù)地勘資料及平行導(dǎo)坑開(kāi)挖揭示確定茂汶活動(dòng)斷層與茂縣隧道相交里程為D8K128＋080～D8K127＋687、YD8K128＋084～YD8K127＋691，該段存在嚴(yán)重大變形風(fēng)險(xiǎn)。

茂縣隧道最大埋深1 646 m，根據(jù)應(yīng)力解除法測(cè)試，最大主應(yīng)力 27.51 MPa［3］，最小主應(yīng)力 16.35 MPa。

茂縣隧道大變形段開(kāi)挖揭示圍巖為志留系茂縣群炭質(zhì)千枚巖，局部夾石英脈，灰黑色，弱風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，碎裂狀構(gòu)造。受斷層構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙極發(fā)育，圍巖極破碎，整體濕潤(rùn)，圍巖穩(wěn)定性極差。

利用中國(guó)科學(xué)院武漢中研科技股份有限公司研制的RSM-RCT（B）聲波探測(cè)儀測(cè)試茂縣隧道大變形段松動(dòng)圈范圍為8 m［4］。

2 施工難點(diǎn)

隧道支護(hù)中，錨桿與鋼架網(wǎng)噴形成支護(hù)體系，控制圍巖的塑性變形，減少坍塌風(fēng)險(xiǎn)［5］。錨桿施工質(zhì)量控制主要存在以下難點(diǎn)：

（1）軟弱圍巖、斷層破碎帶使得鉆孔極易坍塌，普通鉆桿剛度小，鉆孔順直度差，砂漿錨桿施工困難。

（2）煤礦氣腿式鑿巖機(jī)施工長(zhǎng)錨桿存在局限性，打設(shè)成功率低、時(shí)間長(zhǎng)。

（3）高地應(yīng)力下炭質(zhì)千枚巖軟巖大變形地段其圍巖遇水泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，注漿過(guò)程易堵孔。

（4）拱部自進(jìn)式錨桿桿體作為注漿通道，長(zhǎng)度為10 m，由于排氣管難以插入錨桿孔底，漿液倒流至排氣管高度即溢漿，排氣管至孔底部分漿液不飽滿。

（5）采用單球閥注漿時(shí)，先拔掉注漿管再封堵注漿孔，由于孔內(nèi)壓力的存在，漿液回流導(dǎo)致錨桿孔內(nèi)漿液飽滿度下降。

（6）現(xiàn)場(chǎng)自進(jìn)式錨桿注漿施工普遍做法為將止?jié){閥焊接在自進(jìn)式錨桿尾部，注漿結(jié)束后難以重復(fù)利用，造成材料浪費(fèi)，焊接過(guò)程增加了工序時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 錨桿施工

3.1 錨桿選型

根據(jù)松動(dòng)圈測(cè)試結(jié)果，錨桿長(zhǎng)度確定為10 m。軟巖大變形段落給砂漿錨桿施工帶來(lái)了極大的困難。首先，軟弱圍巖、斷層破碎帶使得鉆孔極易坍塌，難以保證錨桿孔的通暢；其次，目前鉆桿剛度小，很難保證錨桿孔的順直，而錨桿的剛度大于鉆桿，插桿困難；最后，采用三臺(tái)階法施工，上臺(tái)階核心土的阻擋對(duì)于單根長(zhǎng)10 m的錨桿安裝存在困難。自進(jìn)式錨桿為分節(jié)鉆進(jìn)，集鉆桿、錨桿、注漿管三體合一［6］，成功解決了普通砂漿錨桿的施工難題。

3.2 設(shè)備選型

（1）煤礦氣腿式鑿巖機(jī)打設(shè)能力不足

隧道錨桿施工常用的鉆孔設(shè)備為煤礦氣腿式鑿巖機(jī)。在之前茂縣隧道一號(hào)斜井施工過(guò)程中，為有效控制斜井變形，初期支護(hù)中采用自進(jìn)式錨桿，打設(shè)長(zhǎng)度為8 m，打設(shè)方案及時(shí)間見(jiàn)表1、表2。

表1 自進(jìn)式錨桿打設(shè)時(shí)間（方案一） min

表2 自進(jìn)式錨桿打設(shè)時(shí)間（方案二） min

理論上，在每種方案上加設(shè)一根2 m自進(jìn)式錨桿即可滿足左線小里程自進(jìn)式錨桿施工。但是在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用煤礦氣腿式鑿巖機(jī)打設(shè)自進(jìn)式錨桿長(zhǎng)度達(dá)到8 m后接長(zhǎng)至10 m時(shí)，自進(jìn)式錨桿存在只旋轉(zhuǎn)而難以繼續(xù)鉆入的情況，雖然有些自進(jìn)式錨桿能夠鉆入10 m長(zhǎng)度，但是最后一根2 m錨桿鉆入時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，達(dá)到20～30 min。將錨桿取出后發(fā)現(xiàn)鉆頭端部被磨平，說(shuō)明對(duì)于煤礦氣腿式鑿巖機(jī)而言，從打設(shè)能力來(lái)說(shuō)，打設(shè)8 m及以下自進(jìn)式錨桿是可行的，超過(guò)8 m自進(jìn)式錨桿打設(shè)成功率比較低且時(shí)間長(zhǎng)。

（2）施工現(xiàn)場(chǎng)限制

按2 m的自進(jìn)式錨桿接長(zhǎng)方案施工而言，桿體長(zhǎng)2 m，風(fēng)鉆正常工作氣腿到風(fēng)鉆頭垂直距離為1.2 m，也就是煤礦氣腿式鑿巖機(jī)正常工作的空間是3.2 m。上臺(tái)階高度僅3.14 m，要求垂直于初支面打設(shè)是難以實(shí)現(xiàn)的。因此選擇合適的機(jī)具打設(shè)自進(jìn)式錨桿十分必要。

（3）DCM2-90液壓錨桿鉆車

茂縣隧道一號(hào)斜井與茂縣隧道左線線間距30 m，斜井的圍巖情況在一定程度上反映了左線的圍巖情況，根據(jù)已開(kāi)挖的左線段落揭示得以證實(shí)。因此，液壓錨桿鉆車進(jìn)場(chǎng)后，為不耽誤左線施工，首先就打設(shè)能力在一號(hào)斜井對(duì)應(yīng)段落進(jìn)行試驗(yàn)，錨桿每根長(zhǎng)度2 m。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鉆機(jī)打設(shè)錨桿用時(shí)min

實(shí)際上第8根即14 m以后成功率在40%以下，因此試驗(yàn)以打設(shè)14 m為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，打設(shè)14m時(shí)間平均在26.8min，而打設(shè)10m平均時(shí)間在15.4 min。

液壓錨桿鉆車要求作業(yè)空間為2.8 m左右，且可以調(diào)整位置和角度以按要求打設(shè)自進(jìn)式錨桿。

3.3 施工準(zhǔn)備

（1）場(chǎng)地平整

出渣完成后即對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，平整范圍為掌子面向后8 m，要求場(chǎng)地盡量水平，以保持錨桿鉆機(jī)整體穩(wěn)定。在隧道離拱腳1.5 m處沿隧道縱向挖一條水溝，將水引流至集水坑，用水泵抽離掌子面，防止打設(shè)錨桿的施工用水浸泡拱腳或者在掌子面漫流。

（2）動(dòng)力

液壓錨桿鉆車為發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力切換，行走動(dòng)力源為發(fā)動(dòng)機(jī)，工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力源為電動(dòng)機(jī)。供電電壓為交流三相380 V，電動(dòng)機(jī)功率為55 kW，功率較大，因此要提前準(zhǔn)備專用配電箱。

3.4 錨桿打設(shè)

在初期支護(hù)混凝土上按設(shè)計(jì)要求的縱向和環(huán)向間距標(biāo)記自進(jìn)式錨桿的孔位［7］。

（1）連接鉆頭和自進(jìn)式錨桿、風(fēng)鉆和釬尾、鉆車釬尾套和釬尾等。

（2）錨桿對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的孔位位置，先通水再旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，慢慢推進(jìn)，直到設(shè)計(jì)深度。

（3）自進(jìn)式錨桿鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)要求的深度后，液壓錨桿鉆車自動(dòng)卸桿，使桿體尾部和釬尾脫離，完成自進(jìn)式錨桿打設(shè)。

（4）將排氣管穿過(guò)止?jié){塞的排氣孔，并盡量將排氣管深入錨桿孔內(nèi)［8-9］，用鋼管將止?jié){塞通過(guò)錨桿外露端打入孔口100 mm左右封孔進(jìn)行注漿。如注漿壓力較大或圍巖較為破碎，也可采用錨固劑封孔。

3.5 自進(jìn)式錨桿注漿工藝

（1）自進(jìn)式錨桿吹孔

吹孔的目的是將孔壁及孔內(nèi)殘留的碎渣清除，提高漿液與圍巖的黏結(jié)性，從而提高錨桿錨固力［10］。

利用錨桿鉆機(jī)臺(tái)車將自進(jìn)式錨桿外拔5 cm，防止孔底淤泥將自進(jìn)式錨桿鉆頭上設(shè)置的注漿孔堵塞導(dǎo)致注漿不暢。

組合接頭（見(jiàn)圖1）采用自進(jìn)式錨桿連接套和DN20鍍鋅鋼管焊接而成，該組合接頭可實(shí)現(xiàn)兩用。組合接頭一端連接自進(jìn)式錨桿，另一端連接高壓風(fēng)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)自進(jìn)式錨桿孔吹孔的作用；二是桿外注漿時(shí)作為排氣管的止?jié){閥。

圖1 組合接頭

將自進(jìn)式錨桿與組合接頭連接，緩緩打開(kāi)球閥，高壓風(fēng)（最大到1.5 MPa）進(jìn)入錨桿中心孔，吹孔3～5 min，直至吹出物為粉末狀，至此吹孔工作完成。為節(jié)約工序時(shí)間，吹孔作業(yè)可采用風(fēng)包分接多條風(fēng)管同時(shí)吹孔。

（2）錨桿注漿方式的選擇

注漿方式分為雙球閥桿外注漿及桿內(nèi)注漿兩種。對(duì)于拱部向上的錨桿，必須采用桿外注漿，對(duì)于邊墻水平或向下的錨桿，可采用桿內(nèi)注漿方式。

桿內(nèi)注漿（見(jiàn)圖2）時(shí)，漿液通過(guò)中空桿體進(jìn)入錨桿孔，從錨孔底部開(kāi)始向孔口灌漿，從排氣管返漿，返漿后先關(guān)閉排氣管球閥，然后關(guān)閉中空錨桿兩個(gè)球閥。

桿外注漿（見(jiàn)圖3）時(shí)，漿液通過(guò)注漿管進(jìn)入錨桿孔，從孔口開(kāi)始向錨孔底部灌漿，待底部充滿漿液后從中空桿體返漿，返漿后先關(guān)閉中空錨桿球閥，然后關(guān)閉注漿管兩個(gè)球閥。

圖2 桿內(nèi)注漿示意

圖3 桿外注漿示意

圖2～圖3中，1為隧道圍巖；2為注漿彎管；3為注漿彎管車絲端；4為注漿球閥；5為變徑接頭；6為注漿管；7為組合接頭；8為封口錨固劑；9為自進(jìn)式錨桿桿體；10為鉆頭。

采用雙球閥的目的是確保注漿飽滿，防止?jié){液回流。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用一般的方式，先拔掉注漿管再封堵注漿孔，由于孔內(nèi)壓力的存在，漿液回流會(huì)導(dǎo)致飽滿度由100%迅速降低至70%。

拱部錨桿將直徑為5 mm的排氣管換成直徑為20 mm的PVC排氣管或鍍鋅鋼管（見(jiàn)圖4）。采用排氣管注漿，桿體排氣的方式注漿［11-12］。

圖4 兩種排氣管照片

拱部打設(shè)10根自進(jìn)式錨桿，使用改進(jìn)后的φ20 mm PVC排氣管作為注漿管注漿，28 d后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)測(cè)定其飽滿度，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 改進(jìn)前后自進(jìn)式錨桿飽滿度對(duì)比

拱部錨桿改變注漿方式后，注漿量和飽滿度都有顯著提高，提高了錨桿與圍巖的錨固效果。

（3）注漿配合比

綜合考慮注漿體強(qiáng)度、漿液凝固后的收縮率及堵管風(fēng)險(xiǎn)等因素，經(jīng)多次試驗(yàn)，確定施工采用的配合比為水泥∶水∶減水劑 ＝1∶0.375∶0.005（質(zhì)量比）。

（4）注漿泵選型

目前注漿泵有擠壓式注漿泵、螺桿式注漿泵及活塞式注漿泵［13］。

活塞式注漿泵注漿壓力為正弦式，注漿壓力峰值和低值差距較大。在壓力峰值時(shí)容易對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行加壓，導(dǎo)致裂隙張開(kāi)，注漿量增大。因而活塞式注漿泵既適用于壓力不高的填充注漿，也適用于高壓力的劈裂注漿。

螺桿泵注漿壓力平順，不存在峰值和低值，但需密切注意壓力變化，壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)需停止注漿，否則壓力上升較快，因?yàn)槁輻U泵不會(huì)回漿。

擠壓泵與螺桿泵一樣具備注漿壓力平順的特點(diǎn)，孔內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定壓力后漿液不再注入，且可以回漿。

螺桿泵和擠壓泵適用于壓力不高的填充注漿。對(duì)于錨桿注漿，注漿泵的選用次序依次為擠壓泵、螺桿泵、活塞泵。

（5）注漿

檢查確認(rèn)注漿泵狀態(tài)良好，配置的漿液符合圍巖情況及設(shè)計(jì)要求。

將排氣管或注漿管插入孔內(nèi)，利用錨固劑封堵孔口，錨固劑浸泡時(shí)間以手捏感覺(jué)變軟為宜，孔口附近混凝土用水打濕。對(duì)拱部錨桿孔，可適當(dāng)多塞入一點(diǎn)錨固劑，使孔口封堵效果更佳。

漿液中添加減水劑來(lái)增加流動(dòng)度，流動(dòng)度的判定標(biāo)準(zhǔn)為：手指插入漿液取出后手指垂直向下，漿液順手指緩慢下流，漿液在手指上流動(dòng)時(shí)間一般在3 s左右，達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)則為流動(dòng)度合格。流動(dòng)度小時(shí)應(yīng)增加減水劑，流動(dòng)度過(guò)大時(shí)需調(diào)整水灰比或減水劑摻量。

將錨桿和注漿管及注漿泵用組合接頭連接好，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。開(kāi)動(dòng)注漿泵注漿，整個(gè)過(guò)程應(yīng)連續(xù)，待注漿壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，暫停注漿15 s，然后繼續(xù)注漿，重復(fù)幾次直至注漿機(jī)開(kāi)機(jī)壓力達(dá)到0.8～1.0 MPa。觀察漿液從排氣管溢漿狀態(tài)，若溢漿呈泡沫狀，說(shuō)明錨桿孔內(nèi)漿液未填充飽滿；當(dāng)持續(xù)流出的水泥漿無(wú)泡沫時(shí)說(shuō)明注漿飽滿。

4 結(jié)束語(yǔ)

DCM2-90液壓錨桿鉆車的使用解決了隧道長(zhǎng)錨桿打設(shè)及施工效率低的問(wèn)題；桿外注漿工藝及雙球閥的使用提高了拱部錨桿的注漿飽滿度；利用自進(jìn)式錨桿連接套與鍍鋅鋼管制作的可循環(huán)使用的接頭，節(jié)約了人力及物力。