隧道洞口巨型危岩贯通裂缝的预应力加固施工技术

2012-07-26王法来

铁道建筑 2012年2期

王法来

(中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安 271000)

1 危岩状况

宜昌至巴东高速公路是《国家高速公路网规划》中上海至成都高速公路重要组成部分。易家坝隧道位于宜昌市夷陵区黄花乡，隧道走向约332°，呈南东～北西向展布，为分离式隧道，最大埋深约190 m。

易家坝隧道位于雾渡河断裂带附近，该断裂带规模较大，次级断层发育。线路段为一单斜构造，地层倾向南东，产状平缓，变化不大，断裂构造欠发育。隧道出口端至左侧百余米以陡壁为界，下方均为岩堆。岩堆有一定程度的胶结，目前处于稳定状态。左、右幅出口各20 m棚洞，端墙式洞门设计。

施工过程中发现隧道左洞出口位置有一块高约50 m，宽约45 m，厚度15～25 m巨型危岩体，与崖面间存在约30 cm宽横向俯斜贯通裂缝，且危岩体下部成倒削角构造，溶蚀严重，节理裂隙发育。

在地质条件如此复杂的情况下，如不采取有效措施，洞口开挖势必切割危岩体下部，引起失稳坍塌。如采用爆破清除危岩体，对山体扰动极大，且清除后形成的倒角形山体崖面对运行安全影响严重。经过专家论证，针对本工程复杂的地质条件，需要探索解决的技术难题是避免爆破危岩体造成对山体的扰动，确定合理可行的危岩体加固方案，有效解决出洞施工引起危岩体坍塌的难题。

考虑原危岩体处于稳定状态，隧道施工后顶部危岩体重力估算达275 MN。最终确定的加固方案为:采用70束锚索施加预应力，每束锚索6根钢绞线，锚固体截面积为0.058 4 m2。洞口上部为7排预应力锚索及下部2排锚杆结构加固危岩体及岩面，横向、竖向间距3 m网格形布置，见图1，锚索具体数量如表1。

图1 危岩体锚索布置示意

表1 锚索布置

2 施工

2.1 工艺流程图(见图2)

2.2 施工方法

1)脚手架搭设、封闭裂缝

图2 工艺流程

搭设脚手架之前先对地面进行处理，该处为坡积岩堆，且级配较好，用压路机在整个支撑地面上碾压密实，沉降部分用碎石补平，直至不发生明显沉降方可停止。在支架四周开挖底宽30 cm的排水沟引至场外排水系统内，以防地基被雨水浸泡。在地面设测量标志点，每次雨后，观测其沉降量。

采用6 m长钢管搭设双排脚手架，钢管外径φ48 mm，壁厚δ=3 mm。横向步距及竖向步距均为1.5 m，2排脚手架间距2 m，确保相邻立杆接头不在同一步距内。立杆采用对接方式连接，纵横杆与岩面顶紧，立面设剪刀撑落地。脚手架每隔2层步距满铺脚手板，脚手板用10#钢丝绑牢，脚手架外侧满布密目安全网。

支架搭设好后，首先采用φ42 mm注浆小导管将M30水泥浆注入裂缝土石填充物内，小导管插入填充物深度不小于1 m，注浆压力控制在0.4 MPa。顶面采用M30水泥砂浆封闭裂缝，防止雨水渗入，导致裂隙继续发育。

2)钻孔

钻孔顺序自上而下进行，即先钻孔第九排。该危岩体为白云岩，溶蚀孔洞较发育，为确保钻孔效率和保证钻孔质量，钻孔设备选用潜孔冲击式钻机，跟管钻进工艺。钻机钻孔时，按锚索或锚杆设计长度将钻孔所需钻管摆放整齐，钻管用完，孔深也恰好到位，钻孔深度要超出设计长度0.5 m左右。

钻孔结束，首先拔出离心钻头和钻杆，跟进钻管暂不拔出。用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹干净，且孔深不少于锚索设计长度时，拔出聚乙烯管，塞好孔口。

特殊情况的处理:①渗水的处理，从孔中吹出的都是一些小石粒和团粒而无粉尘，说明孔内有渗水，岩粉多贴附于管壁。这时，若孔深已够，则注入清水，以高压风吹净，直至吹出清水;若孔深不够，虽钻机工作，仍有进尺，也必须立即停钻，拔出钻具，洗孔后再继续钻进，如此循环，直至结束。有时孔内渗水量大，有积水，吹出的是泥浆和碎石，这种情况岩粉不会糊住孔壁，只要钻机工作，就可继续钻进。如果渗水量太大，以至淹没了冲击器，冲击器会自动停止工作，用高压风吹出孔内积水后，再继续钻进。②塌孔、卡钻的处理，当钻孔穿越强风化岩层或岩体破碎带时，往往发生塌孔。塌孔的主要标志是从孔中吹出黄色岩粉，夹杂一些原状的(非钻头碎的、非新鲜的、无光泽的)石块，这时，不管钻进深度如何，都要及时进行跟管作业，跟管紧跟钻头。

3)锚索、锚杆制作

锚索的制作:预应力锚索采用1 860 MPa级高强度低松弛钢绞线。锚固长度9 m，分3段组成复合型锚索的锚固段。锚索在钻孔的同时于现场进行编制，钢绞线下料长度为锚索设计长度、锚头高度、千斤顶长度、工具锚和工作锚的厚度以及张拉操作余量的总和。钢绞线截断余量取100 mm。将截好的钢绞线平顺地放在作业台架上，量出内锚固段和锚索设计长度，分别作出标记。在锚固段的范围内穿对中隔离环，间距2 m一个，最后，在锚索端头套上导向帽，见图3。

图3 预应力锚索示意

锚杆的制作:锚杆采用 φ32高强精轧螺纹钢筋，锚固长度5 m，在锚杆锚固段每隔2 m设置一处钢筋支架作为定中件。锚杆应伸出钢垫板50 mm以上，见图4。锚杆的连接采用连接器接长(不得焊接)。

4)锚索安装、锚固段注浆及锚墩

向锚索孔装索前，要核对锚索编号是否与孔号一致，确认无误后，再以高压风清孔一次，即可着手安装锚索。锚杆自由段采用杆体表面除锈、刷沥青船底漆二度后绕扎塑料布，在塑料布上再涂润滑油，最后装入PVC管中，形成双层防腐。

图4 锚杆构造示意

注浆采用排气注浆法施工。注浆材料用水泥砂浆，水灰比 0.45 ～ 0.50，灰砂比 1∶1，砂浆强度≥40 MPa，注浆压力不低于 0.6～0.8 MPa。锚索在孔中心处设φ25 PVC注浆管，插至孔底，砂浆由孔底注入，空气由锚索孔排出。锚杆注浆通过锚头处φ20钢管注浆孔注入，通过φ50 PVC管外侧流入孔底。为避免浆液渗入自由段，自由段PVC管端部用沥青麻絮封闭。

注浆后，立即利用孔口安装的反向千斤顶将钻孔时跟进钢管拔出，并及时补浆，如发现孔内漏浆，可采取多次延时的方法进行补浆，并适当将水泥砂浆浓度调高，直至锚固段注浆密实为止。

锚墩的作用是把锚具的集中荷载传递到岩面并调整岩面受力方向。锚索张拉端钢质承载板采用45号钢材加工制作，厚度为2 cm，其后浇筑锚墩混凝土。注浆及浇筑锚墩混凝土时制作试块，以确定张拉时间。

5)锚索的张拉

待砂浆体及锚索锚墩混凝土达到设计强度后方可进行锚索拉张，设计张拉力为800 kN，张拉锚索前需对张拉设备进行标定。预应力锚索施工时，施加预应力值为设计值的1.1倍，依次按中、上、下的次序(两根锚索则先上后下)分两次进行张拉。每次张拉值为总张拉值的一半，必须待每根锚索张拉完第一次后，再依次按中、上、下的次序进行第二次张拉，且每次张拉应分级进行。

6)封孔注浆及封端

补偿张拉后，立即进行封孔注浆。注浆管从预留孔插入，直至管口进到锚固段顶面约50 cm，孔中的空气经由设在定位止浆环处的排气管排出。

封孔注浆后，从锚具量起留100 mm钢绞线，其余的部分截去，在其外部包覆封锚混凝土，锚索封闭保护层厚度不小于20 cm。