軟弱圍巖隧道錨桿施工技術(shù)優(yōu)化分析

李 偉

(龍建路橋股份有限公司第七分公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

1 隧道錨噴支護(hù)作用機(jī)理

隧道施工中一般包括拱架、錨桿、網(wǎng)片、濕噴混凝土等，通常被稱為初期支護(hù)。錨桿施工時分兩種機(jī)器鉆孔，隧道拱部施工采用錨桿機(jī)鉆孔，其他部位施工采用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔。

軟弱圍巖段落通常采用鋼拱架加密設(shè)置，加強(qiáng)圍巖限制變形，可以作為錨桿的作用支點(diǎn)，承受圍巖松弛荷載，承擔(dān)被動支撐作用。

1.1 錨桿的作用機(jī)理

錨桿是伸入到圍巖內(nèi)部，阻止巖土體產(chǎn)生相對位移，利用圍巖自承載能力實(shí)現(xiàn)圍巖整體穩(wěn)定，承擔(dān)隧道主動支護(hù)加強(qiáng)的作用。錨桿的作用原理是改善巖土體的力學(xué)性狀，錨桿作錨固巖土體的承力層，錨桿與巖土體產(chǎn)生抗拉應(yīng)力和抗剪應(yīng)力，從而達(dá)到力學(xué)性能。在錨桿施工時，錨桿深入巖體的一端是錨固端，錨固端深入到承力層才能夠發(fā)揮作用，錨桿才能承受抗拉應(yīng)力和抗剪應(yīng)力。

對于軟弱圍巖土體，土體之間只存在重力作用向心移動傾向，力的方向平行于錨桿方向，對錨桿產(chǎn)生壓應(yīng)力的效果，所以錨桿無法發(fā)揮有效作用。懸置于軟弱土體中的錨桿，只有通過錨桿注漿，使得錨固段巖土體板結(jié)、固化和形成較大土體，錨桿才能發(fā)揮作用。由于軟弱圍巖土體松軟、塑性強(qiáng)、自由間隙較大，容易被壓縮，此時錨桿對隧道輪廓抑制收斂作用不大。

1.2 錨桿的作用形式

隧道支護(hù)錨桿按照作用形式一般有鎖腳錨桿、超前錨桿、系統(tǒng)錨桿等，在軟弱圍巖段落，通常情況超前錨桿、系統(tǒng)錨桿都需要中空注漿。注漿錨桿與土體采用水泥砂漿或藥卷式錨固劑黏結(jié)效果都不太理想，拉拔阻力很小，往往只有20～30 KN，無法滿足規(guī)范要求。

軟弱圍巖隧道洞體外側(cè)土體分成松動區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)(見圖1)，淺埋隧道可能只有松動區(qū)，深埋隧道，開挖后土體產(chǎn)生較大塑性區(qū)。目前規(guī)范要求以“短而密”為設(shè)置原則采用的系統(tǒng)錨桿(如IV級圍巖錨桿長3 m)，并未穿過塑性區(qū)，錨桿亦不存在錨固段(見圖2)。在初期支護(hù)施作后，巖土體會發(fā)生后續(xù)變形，錨桿不發(fā)生變形，固定不動，在淺埋軟弱圍巖隧道中，隧道拱部系統(tǒng)受到巖土體向下的壓力，拱部系統(tǒng)錨桿對巖土體向下產(chǎn)生摩擦阻力。

圖1 軟弱圍巖隧道土體分布圖

圖2 軟弱圍巖隧道錨桿受力示意圖

1.3 錨桿作用力學(xué)分析

錨桿的作用主要是抑制開挖土體變形，按照設(shè)計規(guī)范要求布置施工。隧道開挖洞室通過鋼架、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土約束巖土體收斂和沉降；錨桿是錨固到巖土體中，提高巖體的整體性，提高巖體的穩(wěn)定性，約束巖體發(fā)生變形。鋼架、錨桿系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土共同約束巖土體的變形。隧道開挖為巖土體形變是不可避免，形變量隨著初期支護(hù)的加強(qiáng)會逐漸變?nèi)?、變小，直至達(dá)到規(guī)范要求后方可進(jìn)行二次襯砌。

2 錨桿施工優(yōu)化

錨桿支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)在不同圍巖條件下隧道施工中的選擇和確定，一直是設(shè)計和施工中的難題，通過隧道錨桿系統(tǒng)受力分析，優(yōu)化調(diào)整軟弱圍巖隧道、泥土隧道錨桿系統(tǒng)支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)。

(1)隧道圍巖等級越差，錨桿長度考慮增加。長度通常控制在2.5～5 m左右。對于開挖斷面較大隧道錨桿，根據(jù)受力分析和設(shè)計要求，錨桿長度在6～18 m。

(2)隧道圍巖等級越差，錨桿間距應(yīng)縮小。通常控制在1.0×1.0 m(環(huán)×縱)～1.5×1.5 m(環(huán)×縱)。

(3)圍巖等級Ⅱ～Ⅲ級時通常考慮預(yù)應(yīng)力錨桿，圍巖等級Ⅳ～Ⅴ級采用砂漿錨桿，泥土隧道施工減少錨桿數(shù)量改換其他支護(hù)方式。

(4)軟弱圍巖系統(tǒng)錨桿施作時間要及時，通常安排在初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后開始施工。預(yù)應(yīng)力錨桿錨固強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后張拉，注漿錨桿必須保證注漿壓力超過規(guī)范值、分階段多次間隔注漿。

(5)為提高泥土隧道施工安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少施工工序，縮短初期支護(hù)封閉成環(huán)時間，考慮取消錨桿系統(tǒng)施工。

3 質(zhì)量控制注意事項(xiàng)

隧道洞體產(chǎn)生沉降和收斂是不可避免的，目前的施工技術(shù)只能盡量減少沉降量和收斂量。錨桿系統(tǒng)支護(hù)施工目的是通過錨桿伸入巖土體，使圍巖與錨桿形成整體，改變圍巖的整體性，提高圍巖的穩(wěn)定性，減少巖土體的沉降量。

(1)選擇確定符合圍巖實(shí)際穩(wěn)定性情況的施作方案。

(2)控制施工工序和施工節(jié)點(diǎn)，保證錨桿支護(hù)相關(guān)要素共同發(fā)揮作用。

(3)定期對隧道進(jìn)行檢查，做好檢查記錄，定期進(jìn)行對比分析，根據(jù)分析結(jié)果對施工作出改進(jìn)。隧道施工是先對巖土體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，再通過施工建立隧道圍巖穩(wěn)定的過程，應(yīng)力的釋放和土體擾動引起的彈性、塑性和松動變形不可避免，通過錨桿支護(hù)施工只是建立力的再平衡方式之一。錨桿施工優(yōu)化分析，選擇合適技術(shù)方案，能夠在確保安全的前提下加快了施工進(jìn)度，提升經(jīng)濟(jì)效益。