自進式錨桿在隧道不良地質段施工中的應用

崔 博

（山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012）

1 工程簡介

火燒庵隧道位于國家重點工程杭州—蘭州高速公路重慶巫山至奉節段A1合同段，隧道起訖樁號左 幅 ZK0+012.093—ZK2+837， 右 幅 YK0+011—YK2+895，為一座上下分離式四車道高速公路長隧道。隧址山體位于泥質、砂質碎屑巖分布區，地下水豐富。組成山體的巖層為粉砂質巖、夾泥巖，薄至中厚層狀，該段受地質構造影響重，節理裂隙發育，將巖體切割成塊狀結構，同時地下水豐富，拱部出現大量滲水，局部出現線狀和股狀水，將泥巖軟化，致使圍巖穩定性極差。

2 施工及塌方狀況

2013年1月16日火燒庵隧道左線開挖至ZK1+960時，拱部出現坍塌、掉塊，掌子面前進方向左側拱部坍塌較大，高度約2 m，有股狀水從塌腔中流出，不時有塊石從拱頂墜落，圍巖一直處于未穩定狀態，至1月18日晚，ZK1+960掌子面拱頂突然大面積坍塌，坍體將掌子面封閉，坍方量400～500 m3，塌方縱向長度約12 m，高度6～8 m。

3 塌方成因分析

火燒庵隧道塌方前施工段地質及地質超前預報資料，經初步分析，認為隧道周邊圍巖屬砂質巖，地質構造影響嚴重，節理裂隙發育，巖石切割嚴重，主要由強風化砂巖塊狀堆積而成，節理間含5～30 mm厚的泥化夾層，黏結力小，在未擾動的情況下處于平衡狀態，開挖后新的臨空面形成，應力重新分布，初期支護施做不及時造成圍巖失穩塌方，形成多米諾效應而產生大規模坍塌；其次是地下水豐富，通過裂隙進入巖體，在地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解下加劇了巖體失穩，加速了層間移動，最終形成大面積坍塌。

4 施工方案比選

4.1 普通大管棚

根據現場坍塌實際情況來看，坍塌體主要由切割整齊大小不等的塊石及強風化砂質巖組成，中間夾雜少許松碴，且局部間隙較大。而常規大管棚施工時需要先用潛孔鉆成孔，之后安裝鋼管，在鉆孔過程中由于巖體節理裂隙發育，鉆頭在坍塌體中鉆進時，由于裂隙等原因會使鉆桿偏離鉆孔中心，造成孔體不順直，或者由于塌腔體較為松散，孔體內容易坍塌而致使塌孔，從而給鋼管的安裝帶來困難，或者鋼管安裝過程中卡管而致使該孔體報廢，需重新鉆孔。大面積的鉆孔會導致本來松散的塌腔體更加破碎而增加鋼管安裝的難度，從而導致工期的延長。

4.2 自進式錨桿

自進式錨桿注漿思想于20世紀70年代末80年代初發軔于奧地利，它的設計思想符合新奧地利隧道施工法（NATM）的理論，且適應能力強，可保證在軟弱、破碎圍巖地層中的錨固效果。該系統于20世紀90年代初引入中國后在水利、水電、公路、鐵路、城市地鐵等多個行業的巖土工程中投入應用，現已成為處理隧道塌方、冒頂、大變形等地質災害的一種行之有效的常用工法。

自進式錨桿是一種集鉆進、注漿、錨固功能為一體的錨桿，能夠在軟弱、破碎、松散巖層中形成較好的注漿錨固效果，具有操作簡單、錨固高效等特點，其構造如圖1所示。鉆頭形式有多種，可適應于不同巖層中的鉆進；桿體為中空厚壁全螺紋型，并配有連接套，便于錨桿連接和加長及施加錨桿墊板；小直徑自進式錨桿只須用氣腿風鉆即可實現錨桿的安裝；專用止漿塞和注漿接頭，可實現高壓注漿，保證注漿效果，并方便操作，實現快速注漿[1]。具體工藝如下：

a）鉆孔時只需調整好鉆機的鉆進角度，套上專用的纖尾套，將錨桿與纖尾套連接牢固，并在第一節錨桿的前端套上鉆頭即可鉆進，并可現場拼接錨桿，當一節錨桿鉆進后，在前一節錨桿的尾部套上帶有人工涂抹潤滑劑的連接套后再連接好后一節錨桿，直到每根錨桿鉆到需要長度。

b）注漿作業與常規壓漿作業相同，只需保持壓漿高壓管順直，保持穩定壓力將漿液注入。壓漿量根據壓漿泵壓力的大小或根據灰漿攪拌機的消耗速度確定，但必須要有回漿。壓漿完畢后，立即安裝好止漿塞，再進行錨固，將墊板套在錨桿外露部分，與地表或巖層密貼，在墊板外上好球形螺母。

c）由于自進式錨桿的溢漿孔在鉆頭處，更容易將漿體通過穩定壓力輸送到破碎巖層、軟弱巖層、節理發育巖層的裂隙中，從而起到牢固膠結的作用。當將鉆頭前方的漿液飽和后自然返漿，使整個塌腔體的漿體飽和。但必須通過試驗控制漿體的凝固時間，避免漿液在未注滿的情況下初凝而導致注漿效果不理想。

圖1 自進式錨桿結構示意圖

4.3 方案比選

如上所述，大管棚支護由于鉆孔和安裝管體較為困難而致使工期較長，雖注漿擴散效果較好，但在隧道洞內不宜操作。自進式錨桿施工簡便、速度快，又能保證注漿效果。綜合兩種方案的優劣，該段塌腔決定采用自進式錨桿注漿后使其塌體得到一定的穩固作用，再在自進式錨桿中間施作超前小導管注漿，從而達到整體的注漿效果，之后按照三步臺階法人工開挖塌體，以減小爆破對塌腔體的擾動，從而安全渡過塌方段。

5 自進式錨桿施工

5.1 施工參數和工藝流程

根據地質超前探孔數據顯示，塌方區縱向長度10 m，再結合現場實際情況，以采用長12 m T60自進式錨桿對拱部120°范圍坍塌體先期注雙液漿加固，同時為φ42小導管成孔創造條件，以便對塌腔第二次補漿，進一步對塌腔進行加固，φ42小導管與T60自進式錨桿交叉布設，具體參數見圖2、圖3。

工作面噴混凝土封閉→施工平臺→錨桿布眼→錨桿鉆進→安裝止漿塞→錨固劑孔口周邊堵20 cm深→連接好注漿設備→壓注水泥漿液→檢查注漿效果→三臺階開挖→初期支護→二次襯砌[1]。

圖2 塌方處理立面圖

圖3 塌方處理剖面圖

5.2 施工平臺

考慮平臺穩定性和以后三臺階開挖，施工平臺采用石碴回填，平臺修筑成梯形狀 (見圖4虛線部分)，以方便潛孔鉆的施工和減少修整平臺的時間。平臺最高處距離拱頂2 m，寬度3 m，縱向長度5 m。

圖4 施工平臺立面圖（單位：cm）

5.3 錨桿鉆進

錨孔位置按設計環向間距精確布點，并明確標識后即可開始鉆進作業，鉆機定位要調整好鉆進角度，瞄準孔位，啟動鉆機，緩慢移動機頭，開始鉆速不宜過快，等鉆進50 cm以上深度方可轉入正常轉速鉆進。

5.4 注漿加固

經試驗表明，水泥、水玻璃雙液漿的結石強度和水泥漿濃度、水玻璃濃度、水泥液和水玻璃液的體積比有關，根據膠結要求，雙液注漿質量配比為水∶水泥∶水玻璃 =（0.8～1）∶1∶（0.08～0.20），水玻璃波美度為38～43°Bé，模數為2.4～3.0[2],施工時根據現場試驗確定比例。

注漿參數根據圍巖的工程地質和水文地質（如圍巖孔隙率、裂隙率、滲透系數、涌水量、水壓等）并結合實驗來選擇確定，并需滿足施工要求和環境保護要求。

注漿壓力和擴散半徑采用經驗值低壓注漿和擴散半徑，壓力范圍0.6～1.5 MPa，采用ZTG-60/120型雙液注漿泵注漿，壓注順序自下而上，注漿前應先用純水泥漿試壓約1 min，無問題后按照設計配比進行注漿，擴散半徑為0.6～0.8 m。

壓漿漿液必須按配合比拌漿，不得私自任意更改。漿液應易于泵送且在輸送過程中不離析、不沉淀。

5.5 超前小導管補注漿

自進式錨桿注漿結束后，待漿液終凝且有一定強度后方可施工超前小導管，小導管注漿采用隔孔注漿法進行灌注。

5.6 頂水注漿

在自進式錨桿或小導管施工過程中出現局部大面積滲水或股狀涌水時，采用膠凝時間較短的水泥、水玻璃雙液漿在涌水點附近2 m范圍內頂水注漿。注漿時應從出水量較小的地方開始，依次封堵出水量較大的孔，最后對出水量大的孔進行頂水注漿，直至達到注漿結束標準。

6 開挖作業

在超前注漿支護完成后按照三步臺階法進行開挖，斷面開挖盡量采用人工風鎬鑿出的方法進行，在遇到較大、較硬的圍巖時可采用局部小藥量預裂爆破法進行爆破。開挖作業到超過塌方段10 m范圍后，開挖工藝改為上下臺階法施工。

7 效果分析

a）施工速度快。鉆進安裝T60 mm/12 m長自進式錨桿，平均施工時間在1 h左右，縮短了塌方處理時間，加快了工程進度，也滿足塌方處理的基本原則。

b）自進式錨桿的結構桿體可以任意切割和延長，方便了錨桿長度的調整，使在狹窄的場地安裝長錨桿變得容易。自進式錨桿桿體外表面為全長標準波形螺紋結構，與光滑桿體相比增加了錨桿體與注漿材料的黏結面積，從而提高了錨固力。

c）施工安全可靠。從掌子面開挖效果看，自進式錨桿跨越塌方區，形成超前支護，錨桿體形成混凝土柱體，相互連接，形成棚體承載拱，取得很好的管棚效應；坍塌體松散石碴通過大量注漿，石碴之間空隙被填充，并把砂巖石塊和土粒連結在一起，從而加強了松散體的整體性，避免了拱部再次坍塌，保證了施工安全。

d）自進式錨桿施工工藝簡單，解決了隧道管棚施工卡鉆的問題，省去隧道管棚支護必須在洞內先行施工套拱的難度，比管棚超前支護具有一定的優越性。

e）自進式錨桿超前施工缺點是工程造價相比管棚支護有所提高，制備水泥水玻璃漿液必須做好工人勞保防護，要求必須佩帶防風眼睛和橡膠手套，全身衣服密封，防止水玻璃灼傷肌膚。水泥水玻璃要求攪拌均勻，注漿工作要求熟練工操作，動作要迅速，防止漿液凝固。注完漿液要及時清洗注漿設備及管道。

8 結束語

通過采用自進式錨桿結合小導管超前注漿的處理，火燒庵隧道左線順利通過塌方段，施工中充分發揮新材料、新工藝的作用，合理利用現有配置資源，節省了處理時間，提高了工效，確保了施工安全，對類似的隧道塌方處理有很高的借鑒意義。