中空注漿錨桿在隧道地表加固中的應用

高 帥，胡明香，李文彪

(1.江西省贛南公路勘察設計院 贛州市 341000； 2.贛州水務集團有限責任公司 贛州市 341000)

1 概述

近年來，我國隧道建設迅速發展，隧道設計施工經驗日益豐富，但對于洞口軟巖淺埋段的進洞問題仍未得到較好的解決。因此，研究淺埋條件下不接長隧道明洞而直接進洞的方法，對簡化隧道洞口段的施工工藝流程具有重要的現實意義。

當前，針對圍巖條件較差的洞口或洞身淺埋、偏壓地段，為防止隧道在暗挖過程中發生過大的地表沉降和土體的水平滑移，較好的解決方案是對淺埋隧道的拱頂圍巖進行地表加固。

常用的地表加固措施主要有地表砂漿錨桿和地表注漿，然而在實際應用中由于普通砂漿錨桿的局限性，地表砂漿錨桿加固措施往往達不到預期效果。考慮到中空注漿錨桿的優越性，建議采用中空注漿錨桿替代普通砂漿錨桿，并通過有限元模擬進一步說明地表中空注漿錨桿加固措施的優勢。

2 地表砂漿錨桿

目前，在地質條件較差的V、VI級軟弱和破碎圍巖中，當隧道洞口或洞身處于溝谷中的淺埋、偏斜段而無法形成“拱效應”時，為了防止隧道開挖工程中產生過大的地表沉降，確保隧道施工安全及運營期間的結構安全，在隧道暗挖前，多采用地表砂漿錨桿進行地表加固[1]。

地表砂漿錨桿是在暗挖隧道待開挖面上方，沿開挖方向，從地表向拱頂部位，按矩形或梅花形布置豎向錨桿，從而在隧道拱頂上方形成一個加固保護區，以防止隧道開挖時地表沿其滑移面發生沉降的一種預支護方案[2]。

地表砂漿錨桿的作用原理是通過對隧道拱頂圍巖進行約束，承擔隧道開挖后因巖土體變形所產生的拉應力，從而達到控制地表沉降和土層滑移、防止開挖掌子面發生坍塌的目的[2]。

圖1 地表砂漿錨桿加固示意圖

根據贛南地區公路隧道設計與施工經驗，在隧道洞口或洞身淺埋段，當拱頂地層為V、VI級軟弱破碎的全、強風化巖土體或覆蓋層，采用地表砂漿錨桿對拱頂地表進行預支護時，其加固效果往往達不到設計預期。

通過綜合分析，其主要客觀原因有以下幾點[4]：

(1)砂漿錨桿是通過圍巖變形逐漸發揮支護功能，而無法從根本上改善圍巖的物理力學性能，因此對軟弱地層的加固效果還不夠顯著。

(2)在軟弱地層中，砂漿錨桿因施工條件差而經常發生塌孔現象，造成施工不便。同時塌孔問題極大地影響和限制了錨桿的順利安設，導致錨桿施作質量達不到設計要求。

(3)對于V、VI級軟弱破碎圍巖，砂漿錨桿與圍巖的接觸條件較差，孔壁無法提供足夠的粘結力，造成砂漿錨桿無法充分地發揮加固支護作用。

3 中空注漿錨桿

中空注漿錨桿是一種采用螺紋鋼管作為桿體，通過管體注漿且注漿嚴密，來加固周邊巖土體的一種錨桿。與普通砂漿錨桿相比，中空注漿錨桿所具有的獨特結構和功能，使其具有更加顯著的優勢，主要體現在以下幾個方面[4]:

(1)與普通砂漿錨桿相比，中空注漿錨桿在注漿時不必拔出注漿管，因此不會造成漿液流失，桿體與圍巖的緊密接觸保證了錨固力的充分發揮。

(2)中空注漿錨桿采用成套的注漿設備及成熟的注漿工藝，保證了注漿的密實性，解決了砂漿錨桿注漿不飽滿的弊端。

(3)中空注漿錨桿將管式桿體作為鉆具和注漿管使用，不必在鉆孔后拔出，安設方便，從而不再受塌孔的限制，提高了錨桿對軟弱破碎圍巖的適應性，解決了普通砂漿錨桿因塌孔導致安裝不便、施工進度慢、施作質量差的技術難題。

(4)漲殼式中空注漿錨桿可施加預應力，對需要預先提供支護抗力的地層具有較好的適應性。

(5)中空注漿錨桿結合了錨桿和注漿的特點，既具有錨桿的錨固效果，又具有對圍巖的注漿加固效果。

4 地表中空注漿錨桿

在淺埋隧道拱頂圍巖預支護工程中，由于砂漿錨桿的缺陷和局限性，采用地表砂漿錨桿進行地表加固時，往往達不到預期效果。而中空注漿錨桿作為一種基于普通砂漿錨桿和注漿工藝發展而來的新型錨桿，其結合了錨桿和注漿的優勢，突出的特點就是桿體兼具錨桿和注漿的功能，能夠發揮錨桿支護以及注漿加固圍巖的作用，同時中空注漿錨桿的抗拔性能也要顯著地優于普通砂漿錨桿，對軟弱破碎圍巖具有更好的適應性[3]。

因此，建議對淺埋隧道地表加固措施中的地表砂漿錨桿，當圍巖軟弱破碎、地質條件較差，應采用中空注漿錨桿替代傳統的普通砂漿錨桿進行地表加固。

此外，采用地表中空注漿錨桿，通過桿體注漿，可以對隧道淺埋段巖土體進行局部固結，在一定程度上改良了拱頂巖土體物理性質和防止地表水大量滲入，從而具有一定的地表注漿加固效果。

5 地表加固工程案例

現通過具體的隧道地表加固工程案例，根據有限元模擬和實測數據，來進一步驗證和說明地表中空注漿錨桿的加固效果和優越性。

5.1 工程概況

坑背尾隧道左線進出口均位于溝谷之中，溝谷地勢平緩，隧道淺埋段較長，最小淺埋厚度僅5m。此外隧道進出口淺埋段地層巖性均為全風化花崗巖，巖體極破碎，巖質軟-極軟，地質條件差，若開挖不當，極易發生大規模坍塌。

為了控制隧道開挖工程中產生過大的地表沉降和變形，防止開挖掌子面發生大規模坍塌事故，確保隧道施工和運營安全，在暗挖前，采用地表中空注漿錨桿，對隧道淺埋段進行地表加固。錨桿類型采用普通中空注漿錨桿，間距為1.0m，呈梅花形布置，設計圖如圖2所示。

圖2 地表中空注漿錨桿加固設計

5.2 有限元模擬

使用有限元軟件PLAXIS，取坑背尾隧道拱頂埋深約7.0m的淺埋段作為計算剖面，分別在無地表加固措施、地表砂漿錨桿加固措施和地表中空注漿錨桿加固措施三種不同開挖條件下的拱頂圍巖位移沉降進行有限元模擬計算。

5.2.1無地表加固措施計算結果

根據有限元計算結果，計算剖面在沒有地表加固措施的情況下，隧道上、下臺階開挖完成后拱頂圍巖最大總位移分別為102mm、104mm，隧道拱頂發生坍塌的可能性極大，見圖3、圖4。

圖3 上臺階開挖完成后隧道拱頂總位移云圖

圖4 下臺階開挖完成后隧道拱頂總位移云圖

根據圖5“隧道拱頂地表總位移曲線圖”可知，隧道開挖完成后拱頂地表處最大總位移約為0.09m，表明地表產生了很大的沉降變形。

梨花和桃花捧著熱火火的骨灰盒，在黑傘下回到各自的拖拉機上，又被突突突地拉回谷村。拖拉機每到一個岔路口，桃花和梨花都要叫幾聲亡靈，叫他們跟著往這兒走，千萬別走錯了路，回不了家。梨花喊一聲：“媽，回家了！”桃花也跟著喊一聲：“方竹，回家了！”梨花在喊過母親之后，和著桃花的喊聲，也在心里喊一聲：“哥哥，回家了！”

圖5 隧道拱頂地表總位移曲線圖

由此判斷，坑背尾隧道淺埋段暗挖前若不采取地表加固措施，在開挖施工時極有可能發生較大的地表沉降和大規模坍塌事故。

5.2.2地表砂漿錨桿加固措施計算結果

根據有限元模擬結果，計算剖面在采用地表砂漿錨桿加固措施的情況下，隧道上、下臺階開挖完成后拱頂圍巖最大總位移分別為52mm、53mm，隧道拱頂發生坍塌的可能性仍然較大，見圖6、圖7。

圖6 上臺階開挖完成后隧道拱頂總位移云圖

圖7 下臺階開挖完成后隧道拱頂總位移云圖

根據圖8“隧道拱頂地表總位移曲線圖”可知，隧道開挖完成后拱頂地表處最大總位移約為0.05m，表明地表產生的沉降變形仍然很大。

圖8 隧道拱頂地表總位移曲線圖

由此判斷，相比無地表加固措施，采用地表砂漿錨桿加固措施，隧道開挖施工過程中拱頂圍巖變形位移量減小了一半，但仍有可能發生較大的地表沉降或拱頂坍塌事故。

5.2.3地表中空注漿錨桿加固措施計算結果

根據有限元模擬結果，隧道淺埋段在采用地表中空注漿錨桿加固措施的情況下，隧道上、下臺階開挖完成后拱頂圍巖最大總位移分別為23mm、25mm，隧道拱頂發生大規模坍塌的可能性減小，見圖9、圖10。

圖9 上臺階開挖完成后隧道拱頂總位移云圖

圖10 下臺階開挖完成后隧道拱頂總位移云圖

根據圖11“隧道拱頂地表總位移曲線圖”可知，隧道開挖完成后拱頂地表處最大總位移約為0.022m，表明地表沉降變形量已經在可控范圍之內。

由此判斷，相比地表砂漿錨桿加固措施，采用地表中空注漿錨桿加固措施，隧道開挖施工過程中拱頂圍巖變形位移量減小了一半以上，隧道拱頂發生大規模坍塌的可能性減小，沉降變形量也處在控制范圍以內。

此外，根據表1隧道拱頂地表沉降現場測量結果可知，有限元計算結果與現場測量結果吻合性較好，表明以上有限元模擬結果與判斷具有一定的可靠性。

圖11 隧道拱頂地表總位移曲線圖

表1 隧道拱頂地表沉降現場測量結果(單位：mm)

6 結語

(1)對圍巖松散破碎的隧道淺埋段，采用地表砂漿錨桿對拱頂地表進行預支護時，由于普通砂漿錨桿的局限性等客觀原因，其加固效果往往達不到設計預期。

(2)采用中空注漿錨桿替代普通砂漿錨桿進行地表加固，可以解決砂漿錨桿的技術缺陷和弊端，充分發揮地表錨桿的錨固效果。

(3)采用地表中空注漿錨桿，通過桿體注漿，可以對隧道淺埋段巖土體進行局部固結，在一定程度上改良了拱頂巖土體物理性質和防止地表水大量滲入，從而具有一定的地表注漿加固效果。

(4)地表中空注漿錨桿的加固效果大約是地表砂漿錨桿的兩倍以上，而中空注漿錨桿的施工成本約為砂漿錨桿的1.5倍，所以地表中空注漿錨桿不僅加固效果顯著，同時也具有較好的經濟效益。