迈式锚杆大隧道初期和超前预支护中的应用

迈式锚杆在隧道初期和超前预支护中的应用谢晋水郭信君李春清孙德新摘 要 在砍碎、松散、富水的软弱围岩条件下施工的隧道，有效的支护是一个非常关键的施工环节，而在支护体系中，特别是在采用复合衬砌的隧道的初期支护体系中，锚杆的施作效果及作用显得更为突出。因此，采用施作简易、锚固质量高的新型锚杆系统是非常必要的。本文介绍了朔黄线东风隧道施工中应用该项技术的情况。关键词 迈式锚杆；支护；围岩变形；隧道；超前预支护我们在朔黄线的东风隧道施工中，为确保II类泥岩段的掘进过程中开挖面稳定及有效地控制围岩变形，采用了迈式注浆钻进锚杆施作初期支护和超前预支护，取得了非常好的效果。为了使同行们对迈式锚杆及其应用的有关情况有较全面了解，为以后应用该锚杆系统提供经验，现将东风隧道II类泥岩中施作辽式锚杆情况作一简要介绍。1东风隧道工程地质情况东风隧道全长3290m，为朔黄铁路地质结构较为复杂的隧道之一。该隧道位于晋陕断块，祁吕贺兰“山”字形构造体系在左翼反射弧的吕梁山皱带的北南凹陷区。洞身主要穿行于第四系上新统洪积层，奥陶系地层中统的泥质灰岩、下统的板状泥质灰岩，寒武系的紫红色的泥质页岩、泥质灰岩，以及太古界五台群变质岩。2施作迈式锚杆方案的确定经过认真分析和比选，我们对支护方案进行了优化，确定支护采用迈式锚杆系统，这是因为迈式锚杆具有以下优点：集钻、注、锚于一体，解决了常规锚杆钻锚时的塌孔问题，能够保证复杂地质条件下的锚固质量；在抗弯、抗剪强度和表面粘结等方面优于截面积相同的常规锚杆，且可根据需要对之进行切割或接长、施加预应力或释放荷载。2.1迈式锚杆的构造和性能迈式锚杆的构造如图1所示，现有产品的规格的性能参数见表1。表1迈式锚杆的规格及性能参数表项 目不同规格锚杆的性能参数R25NR32NR32SR38N内（外）直径/mm14(25)20(32)15(32)14(38)每m重量/kg2.53.63.96.4极限抗拉力/kN200280360500屈服点抗拉力/kN130220280430注：表中规格R表示国际标准波形螺纹，N表示普通厚度型，S表示加厚型；锚杆长度不2m,3m,4m,6m四种，最大钻进长度可达12m以上。2.2.2锚杆可接长锚杆的标准长度为2m、3m、4m、6m四种，并配有连接套，故可根据需要接长，达到钻进一段接长一段，在施作空间有限的情况下使用较为方便。2.2.3与截面积相同的实心锚杆相比有更大的抗剪、抗弯的粘结能力。2.2.4可通过锚杆进行注浆浆液通过锚杆的中空部分注到前端，然后沿周围空隙倒流回杆尾，故能完全充填锚杆周围的空隙，保证注浆质量。2.2.5可施加预应力配有拱形垫板及螺母，可施加预应力。2.2.6可使用一般钻具可利用一般的钻孔机械（如手持风枪）钻进。2.3迈式锚杆的施作2.3.1 迈式锚杆初期支护的施作东风隧道初期支护的做法是：开挖后先施喷3-5cm砼对拱部进行封闭并架好钢支撑，然后在拱部范围内沿法线方向打设锚杆、压注水泥水玻璃双液浆，喷射初期支护砼，在隧道的拱部形成整体支护结构的保护下进行开挖。其施工工艺流程见图2。2.3.2迈式锚杆初期支护设计参数本隧道使用迈式R25N型锚杆施作初期支护，使用于拱部与原系统锚杆一并使用，设计参数见表2。表2R25N型锚杆初期支护设计参数表序号项目设计参数1锚杆长度/m42每循环数量/根（仅用于拱部）16-183锚杆钻进兴度/m3.84注浆终压/MPa1-25浆液扩散半径/m0.452.3.3超前预支护的施作（特软弱围岩地段使用）本隧道超前支护的做法是：在开挖前沿拱部开挖轮廓线纵向打一圈锚杆，然后压注水泥水玻璃双液浆，在隧道的拱部形成超前支护结构，在其保护下进行开挖。其施工工艺流程见图3。2.3.4迈式锚杆超前预支护设计参数本隧道使用迈式R25N型锚杆作超前支护，设计参数见表3。表3R25N型锚杆超前预支护设计参数表序号项目设计参数1锚杆长度/m42每循环数量/根33-343纵向间距（开挖长度）/m2.64外插角/度6-12.55锚杆钻进深度/m3.86注浆终压/MPa1-27浆液扩散半径/m0.452.3.5锚杆的安装（1）按设计位置沿拱部开挖轮廓上标出锚杆位置；（2）连接锚杆做法是，先检查钻头，锚杆中孔有无异物堵塞，如有则清理干净，然后将钻头发安装在锚杆一端，再将凿岩机（7656风枪）以套管连接在另一端；（3）将锚杆的钻头对准掌子面上标出的钻位，对凿岩机供风供水，开始钻进，钻进应以多回转，少冲击的原则进行，以免钻碴堵塞凿岩机的水孔；（4）钻至设计浓度后，用水或高压风清孔，确认畅通后卸下钻杆连接套，保持锚杆的外露长度10-15cm；（5）用孔帽装配套将孔口帽（止浆塞）通过锚杆外露端打入孔口30cm左右；（6）若锚杆需要加长，则用锚杆连接套将打入的锚杆与待接锚杆连在一起，然后继续钻进，直到设计深度。2.3.6注浆为了保证注浆不停顿进行，注浆前应认真检查注浆泵的状况是否良好，配件是否备齐；检查制浆的原材料是否备齐，质量是否合格。东风隧道采用的是水泥水玻璃双液浆，用525#普通硅酸盐水泥和浓度为34Be的水玻璃配制，前掺加2%的缓凝剂，水灰比为1.25:1-0.8:1，初凝时间为1-2min。检查都无问题后，即可开始按以下程度注浆；（1）迅速将锚杆、注浆管及注浆泵用快速接头连接好。（2）开动注浆泵注浆，直至浆液从孔口周边溢出或压力表达到设计压力值为止。应注意，每根锚杆必须“一气呵成”。（3）一根锚杆完成后，应迅速卸下注浆软管和锚杆接头，清洗后移至下一根锚杆使用。若停泵时间较长，则在下根锚杆注浆前要放掉注浆管内残留的灰浆。（4）注浆过程中，每次移位前应及时清洗快速接头， 保证注浆连接进行。2.4施作初期支护和超前预支护时应注意的问题（1）在施工过程中，钻机需隔开一定距离，否则因向岩体注水太多可能导致围岩塌滑。（2）在钻进过程中，最重要的保证锚杆及钻头水孔的畅通，为此，需要注意水从钻孔中流出的情况，如发现水孔有堵塞 的迹象，则将锚杆后撤50cm左右，经反复扫孔使水孔畅通，然后慢慢进尺，直至达到设计深度。（3）双浆液应严格按配合比配制，并随配随用，以免浆液在注浆管、泵中凝结。（4）注浆过程中若出现堵管现象，则应及时清理锚杆，注浆软管和注浆泵；如果当时注浆泵的压力表显示有压，则就卸压后再拆接头进行处理。（5）为保证注浆效果，橡胶止浆塞打入孔口不应小于30cm，而且要待排完气之后立即用快凝水泥砂浆封闭止浆塞以外的钻孔，这样才能保证在1.0MPa的压力下浆液不致窜出。表4用迈式锚杆施作初期支护作业时间表序号工序名称时间/h备注1钻进万式锚杆2共计16根，每7.5min作1根2注水泥一水玻璃浆1.6每6min注1根合计3.6表5使用迈式锚杆施作超前支护作业时间表序号工序名称时间/h备注1钻进万式锚杆4.4共计33根，每8min作1根2注水泥一水玻璃浆3.3每6min注1根合计7.73使用效果3.1施工进度东风隧道II类围岩段采用迈式注浆锚杆施作初期支护和超前预支护（软弱地段使用）的进度见表4和表5。采用这种支护技术施工的273mII类围岩地段用了6个月，平均月成洞45.5m。3.2浆液扩散半径锚杆注浆的浆液固结半径可达26.5cm。3.3与其它支护的技术经济比较我们将迈式注浆锚杆与普通砂浆锚杆（22mm）的运用效果比较,发现抗拔力几乎是普通砂浆锚杆的2倍;将迈式注浆锚杆作超前预支护与用普通砂浆锚杆和超前小管棚的效果作了比较结果见表6。表6迈式锚杆注浆锚杆与其它超前支护的技术经济比较表序号比较项目普通砂浆超前锚杆超前小导管管棚迈式注浆锚杆超前支护1直径/mm2242252每m质量/kg2.983.352.503环向间距/cm3030304长度/m4.04.04.05施工机具常规钻具和注浆泵常规钻具和注浆泵常规钻具和注浆泵6施工工艺及成孔情况钻孔、清孔注浆及插杆，围岩破碎时易塌孔钻孔、清孔，插管，围岩破碎时易塌孔钻、注、锚一次适合成孔差的地层7注浆效果注浆仅能充填钻孔几乎不扩散低压压浆，浆液能充填较大的裂隙高压注浆，将液在围岩中扩散半径较大8锚固效果与水泥浆粘结较好，但由于注浆不饱满，导致粘结力下降对周围局部岩体进行固结，常用作围岩顶注浆，但孔口易跑浆波形螺纹与水泥浆粘结良好，锚固效果明显9每根锚杆工料费/元156.00208.00440.0010总工料费/元514.80686.401100.0011综合技术效果评估2.02.55.012价格性能比257.40274.56220.00从表6可以看出,迈式注浆锚杆的总工料费最贵,普通砂浆锚杆最小;但从价格性能比较来看,迈式注浆锚杆最小,小导管最大,所以,综合技术、经济比较,以迈式锚杆最为优越。4结束语通过东风隧道II类泥质围岩段的施工，可以得到以下的结论：（1）在围岩为泥质软岩隧道中，使用迈式注浆钻进锚杆作拱部初期支护和超前支护能够有效地控制掌子面围岩和拱部围岩的变形，使之保持稳定。（2）就价格性能比来看，迈式注浆钻进锚杆是目前几种超前支护措施中较优越的一种。（3）迈式锚杆对材料和机具设备没有特殊要求，工艺简单，易于推广。