錨桿在隧道支護中的應用研究

一、錨桿在隧道支護中的作用
　　在當前的隧道支護體系中，錨桿是一種十分有效的支護方式，其運用非常廣泛，類型也較多，但是錨桿在隧道支護體系中到底發揮怎樣的作用還不十分清晰。通常認為錨桿的加固效應有4種：懸吊效應、增強效應、成拱效應和內壓效應。錨桿的作用除了上述4種外，在地質條件較差的軟弱圍巖地段，還有穩定初期支護鋼拱架作用。由于錨桿的存在，不僅為鋼拱架的現場安裝提供了方便，而且在一定程度上穩定了承受較大壓力的相對較薄的初期支護，不致使其產生局部或整體失穩，同時錨桿還可以減少初期支護與圍巖之間產生的相對位移，防止初期支護產生過大的整體下沉。  
　　實際上，錨桿的加固作用是多種效應同時產生作用的結果，不同的錨桿布置方式、在不同的地質條件下，將有某一效應起主導作用，而其他效應居次要地位。對于相對完整的Ⅰ，Ⅱ級圍巖地段的局部錨桿，其主要發揮懸吊作用，以加固不穩定塊體為主；對于相對破碎的Ⅲ，Ⅳ級圍巖地段的系統錨桿，其主要作用以形成具有一定承載能力的承載拱為主；而對于十分軟弱的Ⅴ，Ⅵ級圍巖，錨桿（錨管）的主要作用則以穩定初期支護鋼拱架為主。同時，錨桿的效應與錨桿的布置方式有關，如局部錨桿主要發揮懸吊效應，而系統錨桿主要發揮成拱效應。本文的主要研究工程將結合公路隧道的設計和施工實踐，深入分析系統錨桿的工作原理及其適應性。
　　二、錨桿在隧道支護中的應用
　　（一）工程概況
　　某隧道全長1385米；為H市連接新城區和舊城區的市政公路交通隧道。進口段位于鬧市區，洞身穿越火車站站前臺階、廣場、車站、候車室、鐵路軌道、游樂園等建筑，圍巖類型主要以松散人工填土、卵礫泥結石層、泥巖層、泥質粉砂巖等為主，進口段153m在埋深10～16m的條件下，地表建筑物在施工中保還完好，不受損壞，施工難度極大，成為整個隧道控制中的難點地段。隧道是按新奧法原理設計的復合式襯砌。      
　　針對進口段的地質特點、經過認真分析和比選，我們采用了在長管棚，短管棚做超前支護的基礎上，又采用wTD25徑向錨桿系統。這是因為WTD錨桿具有以下特點：WTD錨桿配合特制的錨頭、止漿塞、墊板、螺母，采用先錨后灌法施工，在錨頭和止漿塞的共同作用下，可使水泥砂漿充填鎖孔后隨注漿汪力的升高，水泥沙漿可大量地滲透進圍巖裂縫，達到固結地層、改良圍巖的整體穩定性，將注漿錨固合二為一，徹底解決了普通砂漿錨桿和ZW藥包錨桿漿液不飽滿和注漿無壓力的根本問題，利用表面的連續螺紋可通過聯結套將錨桿加長，并且可以非常容易地將其做成預應力錨桿并施加一定噸位的預應力。  
　　（二）施工參數設計
　　在H隧道的進口段，wTD錨桿主要用來做徑向初期支護，做法是，在開挖后的輪廓面上按設計標出錨桿的位置打設錨桿孔，然后壓注水泥漿，在隧道的開挖輪廓線外目形成一整體支護結構，控制了圍巖的變形，減少圍巖的下降量,保護地表建筑的安全。
　　1、初期支護參數  
　　系統錨桿采用3m／根的WTD25型中空注漿錨桿，縱向、環向間距均為100cm，梅花型布置；拱墻設鋼格柵，間距50cm，鋼格柵每側拱腳設4m／根的WTD25中空注漿鎖口錨桿，按梅花型布置在鋼格柵的兩側，環向間距50cm；掛∮6雙層鋼筋網，網格尺寸為15cm×15cm，噴射混凝土厚25cm。      
　　2、噴射混凝土材料及機具選定    
　　（1）機具  
　　噴混凝土采用Bz―5型混凝土噴射機，壓力為0.2～0.4MPa。      
　　（2）水泥及細骨科  
　　采用425并普通硅酸鹽水泥；細骨料選用山西原平市忻口砂，砂率控制在50％，含泥量≤3％。      
　　（3）粗骨科  
　　 采用規格為7～15mm的碎石，經試驗選用石灰巖生產的各項指標均達到設計要求的碎石。  
　　（4）粘稠劑  
　　選用STC型粘稠劑，經現場試驗，最佳摻量為水泥用量的10％，3min初凝，6min終凝，而且可大量減少回彈量。      
　　（5）水灰比  
　　水灰比過大、過小都會使混凝土回彈量增加，浪費大量的材料；經現場多次試驗確定，水灰比為0.47的混凝土噴射效果最佳。  
　　3、噴射混凝土  
　　開挖后為縮短圍巖的暴露時間，防止圍巖進一步風化，必須先初噴混凝土3～5cm厚再封閉圍巖；待鋼格柵及鋼筋網安設好后，再噴混凝土10～12cm°;最后在下一循環噴射混凝土時分兩次噴射至設計厚度。(1)采用摻STC型粘稠劑半濕式噴射混凝土工藝，減小洞內粉塵污染及回彈量。(2)噴射前用高壓風將巖壁面的粉塵和雜物吹干凈，水泥、粗、細骨料加少量水，用攪拌機干拌，水量按水灰比配制混凝土應加入水總量的20％；拌好后將干料運至噴射作業點再進行人工拌和，并按水泥用量的10％摻入粘稠劑。(3)噴射作業分段、分片由下向上依次分層進行，每段長度為3m。為加快混凝土強度的增長速度及提高混凝土的噴射效果，用多盞碘鎢燈提高作業環境溫度。(4)噴頭噴射方向與巖面偏角小于10，夾角為45°；噴頭至受噴面距離在0.6～1.0m之間，噴頭呈螺旋形均勻緩慢移動，一般繞圈直徑在0.4m為宜。    
　　4、鉆孔及安裝錨桿  
　　錨桿孔位置誤差不大于±15cm，梅花形布置。錨桿孔位允許偏差為±150mm。鉆眼深度允許偏差為±50mm。錨桿應垂直于開挖巖面布設。桿孔深度大于錨桿設計長度10cm，錨桿插入孔內的長度不得短于設計長度的95%。鉆孔后，孔內石粉必須用高壓水沖洗干凈。鉆到設計深度時，若流出的巖粉呈黃色或褐色，或釬頭沖擊異常時，說明遇到較軟弱的巖石或破碎夾層，則變更錨桿深度與位置。設置墊板的錨桿，墊板應緊貼圍巖，圍巖不平時要用M10砂漿填平。錨桿孔內灌注1：1（重量比）水泥漿，錨桿孔內灌注漿液應密實飽滿。錨桿體露出巖面長度不應大于噴層的厚度。
　　5、注漿
　　注漿前，首先檢查排氣管是否暢通，若排氣管堵塞，應先將其疏通再開始注漿。注漿開始或中途停止超過30 分鐘時，應用水或稀水泥漿潤滑注漿罐及其管路。注漿時，注漿管應插入至距孔底50～100mm。先注漿的永久支護錨桿，應在孔內注滿漿后立即插入桿體；后注漿的永久支護錨桿，應在錨桿安裝后立即進行注漿。若孔口無砂漿溢出，則應及時采取措施進行補注。  
　　三、施工質量糾正和預防措施  
　　1、按照設計要求布設錨桿，用鑿巖機鉆孔，成孔后進行清孔。將安裝好錨頭的中空注漿錨桿插入孔底，安裝止漿塞、墊板、螺母，然后連接注漿管，用注漿泵通過尾部向孔內注漿，漿液采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.3～1.0MPa。注漿順序自下而上逐根進行。注漿后將止漿塞塞入鉆孔，用速凝水泥封孔。  
　　2、為防止串漿可采取跳打施工，即先施工奇數孔序，再施工偶數孔序。  
　　3、發生串漿后的處理措施：對串漿孔與注漿孔同時注漿，采用分漿器，利用一臺注漿泵同時對多根錨桿注漿。  
　　4、發生大量漏漿時，采用以下原則進行處理：采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿的方法進行灌注或注入其他充填料先堵大通道再采取第一種方法進行處理。  
　　5、涌水處理：在孔口有涌水的注漿孔段，注漿前測量記錄涌水壓力、涌水量，然后根據涌水情況選用下列綜合措施處理。第一，采用較高的壓力，自上而下分段注漿。第二，采用濃漿進行屏漿1～24h后再閉漿，并待凝。第三，采用純壓式注漿。第四，用速凝漿液處理。