高应力软岩隧道锚杆支护技术研究

(河南理工大学能源科学与工程学院 河南 焦作 454000)

高应力软岩隧道锚杆支护技术研究

马朝超孙伯建张琦

(河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作454000)

为了解决高应力软岩隧道围岩变形严重问题，确定合理的支护体系。对具体的地质情况进行了分析，阐述了软岩隧道锚杆支护设计原则。确定了在不同情况下的支护形式和参数。

在隧道内布置测站。现场监测结果表明：隧道监测初期支护体应力有一定波动，随着观测时间的增加而增大，但在50d内开始趋于稳定，左右拱腰收敛应力分布为45MPa和35MPa左右。说明此支护方案效果良好，能够有效控制围岩变形。

软岩隧道；围岩变形；监测；围岩控制

一、隧道变形的地质特征与危害

发生大变形的隧道一般具有以下地质特征：(1)隧道围岩条件。发生大变形的围岩主要有：①显著变质的岩类，如片岩、千枚岩等；②膨胀性凝灰岩；③软质粘土层和强风化的凝灰岩；④凝灰岩和泥岩分互层；⑤泥岩破碎带和矿化变质粘土等。这类围岩的凝聚强度c值较低，内摩擦角值很小，单轴抗压强度较低。(2)隧道处于高应力区，且大变形地段的隧道一般埋深在100m以上。(3)隧道围岩的天然含水量大。深埋隧道通过软岩和断层带时，在高的地应力和富水条件下通常产生大变形。这种隧道围岩变形量大，而且位移速度也很大，一般可以达到数十厘米到数米，如果不支护或支护不当，收敛的最终趋势是隧道将被完全封死，如果发生在永久衬砌构筑以前，往往表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界。这种大变形危害巨大，严重影响施工工期或者线路正常运营，而且整治费用高昂。

二、软岩隧道锚杆支护设计原则

(一)一次支护原则。锚杆支护要避免二次或多次支护，应尽可能一次支护就能有效控制围岩变形。这是实现矿井高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。

(二)高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。

(三)“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度(如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度)、刚度(提高锚杆预应力、全长锚固)，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。

(四)临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度和刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，巷道围岩变形和破坏得不到很好的控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应高于临界值。

(五)相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数和力学性能应该相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

(六)可操作性原则。锚杆支护设计方案应该有可操作性，有利于施工管理和掘进速度的提高。

(七)安全经济原则。在保证巷道围岩支护效果与安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件前提下，尽量做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

三、高应力软岩隧道支护参数

(一)锚杆支护参数。型号为Ø20mm×2000mm左旋螺纹钢高强的锚杆，匹配150mm×150mm×10mm高强拱形托盘与高强螺母，是配套产品。加长树脂锚固，钻孔直径≤30mm，K2335和Z2360各一支用作为锚固剂的规格，锚杆预紧力矩不低于300N·m，锚杆锚固力不低于100KN。

辅助支护：顶板配以钢筋网作为辅助支护，钢筋网采用Ф6mm的钢筋焊接而成的经纬网，经纬网网格大小为100mm×100mm，钢筋网尺寸为2880mm×1100mm，相邻网搭接约100mm，铁丝钮扣联结，联结距离不大于200mm。

(二)锚索支护参数。使用直径是17.8mm，长为7300mm，有效长度7000mm左右的1×7股高强度且低松弛钢绞线制，锚索一排一根，排距2000mm，并且紧跟掘进迎头来施工。锚索钻孔直径≤30mm，锚索用3卷树脂锚固剂锚固型号分别为一支K2335与两支Z2360，理论锚固长度约1400mm左右，并在锚索锚固端1300mm处施加挡圈。用型号为250mm×250mm×12mm的高强球型锚索托盘，锚索的预紧力应该≥200KN。锚索锚固力不低于300KN。

遇地质变化较大的地段，锚索长度可根据需要调整，锚索应深入稳定顶板2～3m。

(三)表面喷浆。设计方案中喷射混凝土强度是C20，喷射混凝土配比为：水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2。刚开始喷时可适度减少石子掺量。水灰比为0.4～0.5。原材料按照重量计，称量的允许偏差值：水泥和速凝剂均为2%，砂子和石子均为3%。设计方案中喷浆厚度为150mm，一次喷射混凝土厚度为50～70mm，并要及时复喷，复喷间隔时间不得超过2个小时。否则应用高压水重新冲洗受喷面。

四、支护效果监测分析

通过对隧道断面支护应力变化曲线及锚杆轴力变化曲线可知，隧道监测初期支护体应力有一定波动，随着观测时间的增加而增大，但在50d内开始趋于稳定，左右拱腰收敛应力分布为45MPa和35MPa左右。锚杆轴力在监测初期也出现一定程度的波动，90d后趋于收敛。对比数值模拟结果图1为未支护毛洞拱顶沉降，拱顶沉降值为28cm,图2为经过锚杆支护设计后拱顶沉降，降值为21cm，减少7cm。说明此支护方式能够有效控制隧道围岩变形，工程实践表明，该区域支护效果较好，保证了公路隧道车辆安全通行。

图1 毛洞拱顶沉降量

图2 锚杆支护后拱顶沉降量

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[3]邹育麟,何川,周艺,等.强震区软弱破碎千枚岩隧道系统锚杆支护作用效果分析[J].岩土力学,2013,34(7):2000-2008.

马朝超(1995-)，男，汉族，河南西平人，河南理工大学能源科学与工程学院交通工程专业。

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