R51N自鉆式螺旋錨管在穿越花崗巖蝕變巖體中的應用

朱超

（中鐵二十四局集團新余工程有限公司 江西新余 338000）

0 前言

新建大理至臨滄鐵路（以下簡稱大臨鐵路）新民隧道位于臨滄-勐海花崗巖體西部，處于三江經向構造體系之云縣—螞蟻堆帶，經歷多次構造變動，構造形跡復雜，巖漿活動、變質作用都相當強烈。隧址巖性為混合花崗巖、花崗巖，花崗巖在成巖過程中及多期構造擠壓過程中巖體蝕變。本隧道自開工以來，多次揭示蝕變帶、蝕變囊，大部分節理面均存在蝕變現象。蝕變體圍巖自穩性差，掉塊或滑塌現象嚴重，在地下水的作用下塌方變形現象尤為突出，嚴重影響施工安全及進度。為減少施工中的塌方變形病害采取R51自鉆式螺旋錨管的施工措施，順利通過了花崗巖蝕變巖體，確保了施工安全及進度。

1 工程概況

新建大理至臨滄鐵路站前六標線路全長34km，其中隧道長度28km，主要為單線隧道。新民隧道全長8287m，是本標段重點控制性工程。地質為易風化混合花崗巖。全隧除明洞段采用明挖法施工外，其余各段均按新奧法原理組織施工，分進口工區、斜井工區、出口工區共三個工區4個掌子面組織施工。施工中多次揭示蝕變型花崗巖巖體，據統計新民隧道在近3年的施工過程中共生28次塌方變形換拱病害（其中進口12次、斜井8次、出口8次），影響施工567d（其中進口355d、斜井73d、出口139d），嚴重影響施工安全及進度。

2 花崗巖蝕變巖體超前預判

通過TSP203超前地質預報，配合超前探孔、加深炮眼、瞬變電磁等地質手段，以掌握掌子面前方圍巖情況及花崗巖蝕變巖體位置及規模，根據花崗巖蝕變體分布位置、范圍大小以及與隧道的相對關系提前采取R51N自鉆式螺旋錨管加固措施。

3 R51N自鉆式螺旋錨管簡介

R51N自鉆式螺旋錨管是一種將鉆進、安裝、注漿、錨固等施工步驟合而為一的錨管。具有可靠、高效、施工方便的特點[3]。R51N自鉆式螺旋錨管由錨管體、鉆頭、錨管連接套、墊板、螺母、止漿塞組成。特點是采用鉆進、注漿、錨固一體化設計，錨管外表面采用全螺紋結構，采用中空管體設計，采用有壓注漿，安裝方法簡便。

4 R51N自鉆式螺旋錨管的應用

4.1 R51N自鉆式螺旋錨管作為超前支護

新民隧道設計采用φ42超前小導管超前支護，在施工過程中，由于超前支護長度短，支護強度弱，在花崗巖蝕變巖體中掌子面自穩性極差，極易發生塌方，安全風險極高，施工進度緩慢。采用φ89及以上管棚作為超前支護，在鉆進過程中漏風，排渣困難，塌孔卡鉆頻繁，需采用跟管鉆進工藝，施工成本高，每循環施作周期長（根據以往施工數據現場每月僅能完成1.5個管棚循環），嚴重制約施工進度。

根據穿越花崗巖蝕變巖體主要病害情況，采用一個可靠、高效的超前支護加固系統，是解決目前施工難題的關鍵。通過多方咨詢和調研，針對花崗巖蝕變巖體開展了鉆進、注漿、支護一體的R51N自鉆式螺旋錨管作為超前支護。

每循環R51N自鉆式螺旋錨管長度為21m，環向間距0.3m，每環26根，相鄰兩環搭接5m。R51N自鉆式螺旋錨管鉆進到位后封孔，采用孔底返漿高壓注漿，固結松散巖體（自鉆式錨管通過采用止漿塞止漿措施，實現有壓注漿，擴大注漿范圍，在中等發育裂隙的巖層中注漿擴散范圍可達到60～70cm，可在一定程度上改良圍巖。注漿宜采用純水泥漿，水灰比應控制在0.38～0.45，注漿壓力一般可達到3.5～5.0MPa）。R51N自鉆式螺旋錨管有效解決了在破碎巖體中管棚的效率問題，實現快速施工，同時做到超前預注漿加固松散巖體，封堵地下水的效果，從而保證隧道施工安全，加快施工進度，見表1、圖1。

表1 R51N自鉆式錨管與φ89管棚參數比較

根據現場實際施工數據統計，施工一環R51N自鉆式螺旋錨管加注漿周期為3d左右（單根長21m，每節為3m，施工時間約為2h），比施工一環φ89中管棚周期減少約4d時間，考慮循環搭接可以正常施工16m再施工下一循環，從掌子面開挖的有效施工時間上看是有利的。從超前支護效果看，R51N自鉆式螺旋錨管一次支護長度為21m，掌子面每循環開挖為1.6m，超前支護錨管懸挑外露長度只占其總長的7.6%，相比采用小導管超前長度、支護長度、剛度與防止超挖效果更好。

圖1 R51N自鉆式螺旋錨管超前支護施工

在花崗巖蝕變巖體范圍較大區域內，每循環開挖在錨管間隙中配合施作φ42小導管加密處理能有效起到防止拱部大面積掉塊或滑塌現象發生，同時能有效控制超挖量，從而減少噴射混凝土量，加快工序循環時間。

自2019年5月份新民隧道進口工區采用R51N自鉆式螺旋錨管超前支護以來，在穿越花崗巖蝕變巖層中，每月能施工3個循環R51N自鉆式螺旋錨管長度，月進度能達到50m以上，較之前的月進度約29m有很大提升。同時有效防止施工過程中掌子面塌方的發生，確保了施工安全。

圖2 R51N自鉆式螺旋錨管超前支護施工完成

圖3 R51N自鉆式螺旋錨管施工后掉塊較少

4.2 R51N自鉆式螺旋錨管作為鎖腳

根據新民隧道已施工段落情況，花崗巖蝕變巖體開挖至仰拱封閉期間，圍巖逐漸松裂崩解，松動圈范圍可達5m以上，注漿加固鉆孔卡鉆嚴重，施工難度大，且原設計長度為3.5m的φ42鎖腳錨管位于松動圈內，難以控制初支變形，引起變形侵限，導致施工現場頻繁換拱，加大了施工風險。現場根據超前探測和開挖揭示出的花崗巖蝕變段落，采用6～9m的R51N自鉆式螺旋錨管作為鎖腳錨桿，采用鉆進、注漿、錨固一體施工工藝，錨管間采用工字鋼連接在初期支護型鋼鋼架上，聯合受力，能有效抑制初期支護變形侵限，確保施工進度。

4.3 R51N自鉆式螺旋錨管作為徑向加固

2019年5月25日新民隧道進口DK190+445掌子面開挖時，DK190+415～+430段監控量測報警，現場排查發現DK190+415～+430中、下臺階拱架左側B、C單元連接板處以及C單元范圍內發生不同程度開裂現象，裂縫寬度在1～4cm之間，噴設混凝土局部鼓包嚴重。開裂變形前，監控量測數據無異常，亦未發現初支開裂等異常。

原因分析：DK190+415～+430段初期支護背后局部分布的花崗巖蝕變囊以及蝕變條帶發育，遇水軟化，局部圍巖強度降低，導致應力集中，致使部分初支變形加劇。

處理措施：

（1）暫停掌子面施工，噴射10cm厚C25混凝土封閉掌子面。

（2）監控量測數據穩定后，現場對DK190+415～+430段增設I18工字鋼臨時橫撐，間距為每榀設置。

（3）橫撐安設完成后現場對DK190+415～+430段中臺階B單元、下臺階C單元范圍采用R51N自鉆式錨管（鎖住A、B單元連接處），縱向間距1m，采用工字鋼連接。同時對此段邊墻及拱部增設R51N自鉆式錨管進行徑向注漿加固，每根長6m，縱向間距1m，環向間距1.2m，梅花形布置。

對于DK190+415～+430段的開裂變形，現場及時采取6m長的R51N自鉆式錨管進行徑向加固及注漿處理，通過監控量測數據顯示，初期支護變形未侵限，及時仰拱封閉成環，盡早施作二次襯砌確保了安全。

采用R51N自鉆式螺旋錨管作為徑向加固相比傳統采用φ42錨管加固優勢如下：

（1）加固初期支護背后松動圈范圍更廣，R51N自鉆式螺旋錨管一節3m，最長能12m。傳統采用φ42錨管一般加固范圍3.5～4m。

（2）加固效率更高，R51N自鉆式螺旋錨管機械采用自行式履帶，電力驅動，施工角度可任意調整，跟管作業成孔率100%。傳統采用鉆機鉆孔送管，前期準備工作較長（需作業平臺，高壓風水），且在花崗巖蝕變圍巖中鉆孔極易引起塌孔，造成后續送管困難，效率較低。

圖4 R51N自鉆式錨管施工

圖5 R51N自鉆式錨管間采用工字鋼連接

5 施工注意事項

（1）隧道開挖前，采用多種方式的超前地質預報盡可能準確探明掌子面前方情況，以便采取相應的支護措施。

（2）隧道穿越花崗巖蝕變巖體中，工法宜采用三臺階預留核心土開挖，開挖時應盡量采用機械開挖或控制爆破規模，減少對圍巖的擾動。

（3）嚴格要求進行超前支護及超前預注漿，加強對初期支護各環節的質量控制。

（4）加強隧道內拱頂下沉及凈空收斂監測，施工中發現異常應盡快采取適當的加固措施，并及時上報以便處理。

（5）當隧道穿越花崗巖蝕變巖體中地下水豐富時，應在蝕變體揭示前鉆孔泄水。

（6）初期支護盡早封閉成環，步距緊跟，盡早施作二次襯砌。

6 結論

（1）隧道開挖中，超前支護效果直接關系到掌子面開挖安全，特別在穿越花崗巖蝕變巖體中，如果掌子面上方超前支護不到位，造成掉塊嚴重，極易發生塌方現象。提前做好超前支護措施在穿越花崗巖蝕變巖體中尤為重要。

（2）相比傳統中大管棚超前支護，在效率、成本、效果上R51N自鉆式螺旋錨管有獨特的優勢。能在較短的時間內一定范圍內加固松散巖體，防止在地下水的作用下形成松動圈，減少安全風險。

（3）在穿越花崗巖蝕變巖體中，隧道開挖后，圍巖應力重新分布，引起兩側邊墻發生較大的收斂變形，采用R51N自鉆式螺旋錨管加長鎖腳打入基巖控制初期支護變形，全螺紋結構增加了錨管體與注漿材料的粘接面積從而提高了錨固力，同時錨管間采用工字鋼連接在初期支護型鋼鋼架上，聯合受力，能有效防止初期支護出現開裂、變形、擠出等影響施工安全的情況發生。

（4）對花崗巖蝕變巖體初期支護背后松動圈的整體加固，采取R51N自鉆式螺旋錨管進行徑向加固措施，相比傳統小導管加固方式在加固范圍及效率上有明顯優勢，能快速抑制開挖變形，迅速恢復應力平衡，使圍巖盡快達到穩定狀態。并盡早仰拱封閉成環，確保了安全。