軟巖地下工程預應力錨索支護設計及技術應用

楊曉敏

(秦皇島廣瑞工程項目管理有限公司，河北 秦皇島 066100)

1 工程概況

某隧道工程全長6.35km，最大高度9.2m，最大寬度6.1m。地質勘查結果表明，內部地質構造較為復雜，且存在軟弱圍巖、斷層破碎帶等不良地質。另外，孔隙潛水、基巖裂隙水較多，斷層含水量豐富。為防止地下施工出現(xiàn)軟巖變形問題，需要采取預應力錨索支護措施。

2 預應力錨索支護設計

2.1 長度設計

預應力錨索由3 部分組成，其結構如圖1 所示，在設計錨索長度時，應結合各分段的功能，在滿足支護要求的前提下合理調整各分段的長度。根據(jù)《巖土錨桿(索) 技術規(guī)程》CECS22-2018 中提供的計算公式：

圖1 預應力錨索結構圖

式中：L 為錨固段長度，單位為cm；N 為軸向拉力，單位為N，D 為錨索直徑，單位為mm；q 為巖層與注漿體之間的粘結強度，單位為MPa。通過上式可以得出符合施工要求的錨固段長度，在此基礎上按照3:1 的比例，劃分出內錨固段和外錨固段。在現(xiàn)有的技術規(guī)程中，沒有關于自由段長度設計的明確要求，行業(yè)內通常以“自由段整體穿過滑裂面，且露出端不低于1.5m”為宜。

2.2 間距設計

預應力錨索的密度越大，提供的支撐力也會相應的增加；但是間距太小，會導致原本就比較局促的地下施工空間變得更加狹窄，不利于機械作業(yè)的開展，而且也會相應的提高施工成本。因此，需要通過間距設計，在滿足支護要求和減少空間占用之間達到統(tǒng)籌平衡。根據(jù)壓縮拱理論，壓縮拱內徑可由公式R=r+a/2 表示。式中R 為壓縮拱內徑，r 為洞室半徑，a 為錨索橫線間距。轉化可得，錨索間距a=2(R-r)。

2.3 傾角設計

錨索在水平面上的投影，與錨桿之間的夾角，即為預應力錨索的傾角。研究表明，在施加相同預應力的情況下，在0-15°以內，隨著錨索傾角的增加，相鄰兩根錨索之間有效壓應力的疊加區(qū)域也會隨之擴大，從而提供更強的支撐力；而在15-30°之間，兩根錨索之間有效壓應力的擴散區(qū)域大于疊加區(qū)域，支撐效果反而下降。超過30°，兩根錨索的有效壓應力區(qū)域收縮，幾乎沒有重疊區(qū)域，因此支護作用被極大的削弱。基于此，在應用預應力錨索支護時，應保證其傾角在15°為宜，取得最為理想的支護作用。

2.4 錨固力設計

為了增強錨固力，施工中通常會選擇專門的錨固劑，將其與水泥砂漿混合后，形成注漿材料，使巖層與錨索之間的連接強度得到進一步提升。在錨固力設計中，選擇何種錨固劑是必須要考慮的問題。樹脂錨固及具有環(huán)境適應力強、承載力大、抗水防滲效果好等特點，是現(xiàn)階段富水地質地下工程施工中，比較常用的一種錨固劑。在鉆孔之后，將錨固劑注漿材料注入鉆孔內，插入錨索，如圖2 所示。其中，桿體插入錨固劑的長度(L)，將會直接決定錨索的抗拔力(F)。在錨固力設計時，應在桿體長度滿足現(xiàn)場施工要求的前提下，盡可能的增加L 值，以便于取得更為理想的支護效果。

圖2 錨索拉拔使錨固力受力分析圖

3 預應力錨索支護的施工技術

3.1 施工方法的選擇

預應力錨所支護技術的日益成熟，使得錨索類型也變得更加多樣。其中，自適應預應力錨索具有組裝方便、支護效果理想等特點，在復雜地質環(huán)境下的工程支護中應用優(yōu)勢明顯，其結構組成如圖3 所示。在確定支護方法后，還要編制施工方案，明確工藝流程和關鍵技術。基本流程為：(1)檢查設備、材料，無質量問題后安排進場；(2)現(xiàn)場搭設施工平臺，鉆機就位并完成鉆孔和清孔；(3)鉆孔期間，現(xiàn)場組裝錨索，將自適應裝置嵌入到錨索中，核對錨索尺寸，檢查錨索質量；(4)安裝錨索，注漿加強；(5)進行張拉鎖定，封錨。

圖3 自適應預應力錨索的結構組成

3.2 施工工藝及技術要點

3.2.1 錨索成孔

根據(jù)前期地質調查，施工現(xiàn)場圍巖裂隙發(fā)育，破碎嚴重。在施工面上進行清理、整平，露出較為堅硬的巖石后，開始布設鉆孔平臺。在巖石表面攤鋪一層20cm 后的水泥砂漿，形成平整、堅硬的地面。根據(jù)施工圖紙，標記出各個孔位點。在第一個鉆孔處布設鉆機，校正鉆頭、鉆桿、點位在一條直線上，并保證鉆頭垂直。調整鉆機參數(shù)，包括轉速、深度、進給壓力等。復核無誤后，開始鉆孔。在鉆至指定深度后，停止加壓但不停止轉動，讓鉆頭在當前深度下繼續(xù)轉動3 分鐘左右，反轉拔出，保證成孔效果，防止孔壁坍塌或開裂。

3.2.2 制作錨索

在現(xiàn)場鉆孔時，同步開展錨索的加工制作。本次工程中所用錨索，均使用φ16mm 的鋼絞線加工形成，現(xiàn)場試驗抗拉強度不低于1850MPa。鋼絞線的下料長度可略大于設計長度，這樣后期裁切端頭保證齊平后，不至于出現(xiàn)鋼絞線長度不足的情況。下料時必須采用機械切割，不得使用電弧焊燒割。檢查鋼絞線不存在銹蝕等質量問題后，安裝自適應裝置，得到自適應預應力錨索。另外，像錨索施工中使用到的注漿管、擴張環(huán)等，在該環(huán)節(jié)也要根據(jù)施工要求一并制作，并且將現(xiàn)場加工制作的各類材料分類擺放，統(tǒng)一管理，以備使用。

3.2.3 安裝錨索

理論上來說，預應力錨索應現(xiàn)制現(xiàn)用。為了保證施工進度，一次性制作完成后，盡量縮短保存時間，防止預應力錨索出現(xiàn)生銹等問題。在安裝前，應再一次核對成孔效果，孔壁無開裂、孔斜率精確，并且孔內無雜質。將準備好的自適應預應力錨索插入，在達到鉆孔底部后，施工人員使用夾具固定錨索，準備注漿。

3.2.4 灌漿加固

將摻加了錨固劑的漿液，裝入到注漿泵中。注漿泵的出口端，連接一根細導管。將導管的另一端插入鉆孔內，然后啟動注漿泵，把漿液緩緩注入鉆孔內，直到漿液溢出孔口。然后移動設備至下一個鉆孔，重復上述步驟。在所有預應力，錨索注漿完畢后，靜置一段時間，待漿液完全固結，撤去夾具。在這一環(huán)節(jié)中，關注的要點有：單孔注漿必須一次性完成，防止分次注漿出現(xiàn)分層現(xiàn)象；注漿完畢后，可立即轉動錨索，讓錨桿與漿材充分結合，提高抗拔效果。

3.2.5 預應力張拉

完成注漿加固并且養(yǎng)護結束后，開始進行預應力張拉。張拉時，要參考鋼絞線的性能參數(shù)(見表1)，特別是極限承載力和屈服強度，避免張拉力過大導致鋼絞線斷裂。基于這一方面的考慮，本次工程中，共分3 級張拉，實際施加拉力分別為設計值的60%、80%和100%。每級張拉時，必須安排專人對張拉方法、張拉力、持續(xù)荷載時間等進行現(xiàn)場監(jiān)控，并做好如實記錄，保證張拉效果。

表1 鋼絞線的性能參數(shù)

3.2.6 封錨

完成三級張拉，并且分析記錄數(shù)據(jù)滿足支護要求后，開始進行封錨。封錨防護范圍包括錨具、鋼墊板、露出鋼絞線等。使用M30 水泥砂漿作為封錨材料，噴射砂漿封錨后進行簡單養(yǎng)護。

結束語

在軟弱圍巖地質環(huán)境下開挖隧道，做好支護措施至關重要。基于自適應裝置的預應力錨桿，支護效果優(yōu)良，環(huán)境適應性強，是一種比較理想的支護方式。在實際應用時，施工單位應基于前期所得地質勘測結果，做好預應力錨索的設計方案，明確錨索間隔距離、傾斜角度和固定段長度。在施工階段，也要加強技術管控，其中成孔效果、錨索制作與安全，錨固劑漿液灌注與錨索張拉等。只有實行精細化、高標準的質量管控，才能在保障地下施工安全的前提下，切實提高隧道工程的質量。