TBM组装洞室加固支护中锚杆类型的选择

徐虎城，史晋华，白立强

(1.新疆额河建管局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.山西省水利建筑工程局，山西 太原 030000)

地下洞室的开挖使围岩应力按区域重新分布，若其周边岩体的强度不足以承受作用在上面的荷载，围岩就会失稳。锚杆支护是一种常规的地下洞室围岩支护手段，它是一种柔性支护，能够与围岩共同变形[1- 2]。锚杆类型选择的不同，对洞室稳定具有不同的影响效果，在施工现场通过对锚杆施工工艺的试验，既确保了锚杆类型的选择对支护效果的导向，又选择了安全、经济的锚杆类型达到支护效果，满足了洞室围岩的稳定。

1 概况

新疆某隧洞长度为47.5km，采用TBM法与钻爆法施工相结合的施工方案，其中TBM法施工40.967km，钻爆法施工6.553km。TBM施工采用2台全新开敞式硬岩掘进机掘进，开挖直径均为8.0m，从支洞进入主洞后分别向上下游同时掘进施工。“一洞双机”2台TBM均在洞内组装，TBM辅助洞室包括安装洞、附属设备服务洞、步进洞、始发洞等，工程整体分段平面图如图1所示。

图1 工程整体分段平面图

图2 TBM组装洞室结构支护图

2 TBM组装洞室加固锚杆支护的原则

2.1 TBM组装洞室地质条件

该段岩性为华力西期花岗岩，岩体完整、新鲜，呈块状，围岩稳定条件较好，石英含量20%～30%，该段无区域性大断裂及次级断裂通过，隧洞理深在375～395m，均处在新鲜基岩内，为坚硬岩，围岩整体稳定性好，以Ⅱ类围岩为主，局部夹Ⅳ、Ⅴ围岩。

2.2 TBM组装洞室锚杆支护

TBM组装洞段采用钻爆法施工，长度为194m，结构尺寸为11m×17.7m。组装洞室拱顶结构为蘑菇头，锚喷支护设计为3种锚杆，分别为φ25中空注浆锚杆、φ25、φ28砂浆锚杆，边墙部位为φ22砂浆锚杆，注浆材料均为M20水泥砂浆。φ25中空锚杆材质为Q420，壁厚6mm，低合金高强度钢，长度L=5.0m；φ25/φ28/φ22砂浆锚杆材质为HRB400热轧低碳钢筋，长度L=5.0m/6.0m/4.0m。TBM组装洞室结构支护如图2所示。

3 锚杆类型的试验分析

锚喷支护是通过调动和增加岩体自身强度实现岩体自身支撑的稳定，锚杆是高抗拉性能材料制作的一种杆状结构，通过机械装置、粘结介质将其埋入洞室围岩内，形成承受荷载，阻止围岩变形，加固洞室结构，改善围岩周边应力状态[3- 5]。通过现场试验，选取锚杆类型，实现锚杆支护作用，达到稳定洞室的目的。

3.1 锚杆施工工艺现场试验

现场对中空注浆锚杆进行工艺试验，以检验中空注浆锚杆施工的可行性、工艺的可操作性及浆液饱满度等，为TBM组装洞室加固支护锚杆类型选择提供科学依据[6- 7]。

3.2 试验准备材料

中空注浆锚杆：Q420，壁厚6mm，L=5.0m/3.0m，Φ25实心锚杆，L=5.0m；水泥砂浆(水灰比0.42/0.6)、纯水泥浆(水灰比0.6)；止浆塞；6mm橡胶排气管；φ45硬质PVC管；P.O425普通硅酸盐水泥(袋装)；经过筛分的细砂。

3.3 试验设备

3.4 试验过程

中空注浆锚杆试验一共进行了5次试验，具体试验内容详见表1。

表1 中空注浆锚杆工艺试验内容

3.5 通浆试验

中空注浆锚杆施工时必须使砂浆顺利通过锚杆杆体，才能填充锚杆杆体与孔壁之间的空隙。为验证锚杆注浆砂浆能否顺利通过中空杆体，进行了2组通浆试验，分别采用砂浆和纯水泥浆液，选用的中空注浆锚杆长度均为5m。

严格按照砂浆配合比和水灰比进行砂浆浆液调制，注浆管与中空注浆锚杆的端头采用胶带密封，确保注浆开始时不在端头发生漏浆现象。

注浆开始后，随螺杆注浆机启动，浆斗内的砂浆开始缓慢压入注浆管内，在10s后，浆斗内的砂浆不再下沉，注浆机压力迅速上升，中空注浆锚杆另一端头未出现砂浆流出。为防止爆管，随即关闭了注浆机，将注浆管与中空注浆锚杆连接处分离。经检查，中空注浆锚杆杆体内有35cm长度充填有砂浆，其余杆体内均无砂浆。

鉴于上述试验结果，现场立即对砂浆进行稀释，水灰比调整为0.6，再进行通浆试验。砂浆压入中空注浆锚杆内的长度增大至1.2m。其余与采用水灰比为0.42的通砂浆试验相同。

两次试验结果显示，砂浆在试验过程中易发生堵塞现象，导致浆斗内的砂浆在充填满注浆管和中空注浆锚杆一定长度后即不再流动。试验说明采用正常施工时锚杆砂浆配合比(水灰比为0.42/0.6)均不能有效穿过中空注浆锚杆的杆体。

鉴于通砂浆试验过程中砂浆不能有效穿过锚杆杆体，将砂浆调整为纯水泥浆，水灰比采用0.6。试验开始前，将注浆机及注浆管进行了清理，调配好了符合要求的纯水泥浆液，并将注浆管与中空注浆锚杆端头进行了密封连接。试验开始后，纯水泥浆液快速地从中空注浆锚杆的另一端流出，且流速较为稳定和连续。

试验结果说明Φ25、L=5m中空注浆锚杆(壁厚δ=6mm)可以有效通过纯水泥浆液。

主要包括广东沿阶草(Ophiopogon reversus)、地菍(Melastoma dodecandrum)、马蹄金(Dichondra repens)、肥肉草、禺毛茛(Ranunculus cantoniensis)、鸭儿芹(Cryptotaenia japonica)、蔓茎堇菜(Viola diffusa)等，适于阴湿林下和林间隙地等环境覆盖地面，同时也有一定的观赏价值。

3.6 饱满度试验

施工过程中，纯水泥浆液(水灰比0.6)经注浆机推进后通过中空注浆锚杆杆体进入到杆体与孔壁之间的空隙，能否将空隙全部填满，以及填满空隙后的结石率，需要在施工前进行工艺性试验，以确定能否满足中空注浆锚杆的施作质量。试验选用Φ25、L=3m的中空注浆锚杆(壁厚δ=6mm)。

为模拟围岩注浆环境，试验采用1根φ50，L=3.0mPVC管模拟锚杆孔，PVC管两个端头的一端进行了封闭处理。试验时，将绑有排气管(橡胶管，内径6mm，超出锚杆端3cm)的中空注浆锚杆放置在PVC管内，锚杆端头距离PVC管封闭端5cm，锚杆入管端采用止浆塞封闭，同时将排气管通过止浆塞延伸至外部，中空注浆锚杆安装示意图如图3所示。

图3 中空注浆锚杆安装示意图

为提高采用PVC管模拟中空注浆锚杆施工工艺的仿真度，将安装好中空注浆锚杆的PVC管按450角固定在岩臂上，并做好了相应的安全控制措施。

试验开始时，随着注浆机的启动，置于水内的橡胶排气管开始急促地冒出气泡，说明纯水泥浆在进入中空注浆锚杆杆体，8s后，气泡开始停止，注浆机浆斗内的纯水泥浆液不再减少，且注浆机压力立即上升。试验人员立即中止试验，并将注浆管与锚杆连接处分离。

经量测PVC管端头35cm范围内锚杆与PVC管之间充填着水泥浆，饱满度为11.7%。试验人员将锚杆从PVC管内抽出，发现排气管已完全被纯水泥浆堵塞。

试验结果表明，在注浆的开始阶段，由于绑定在锚杆杆体上的排气管排气通畅，在注浆机的压力下，纯水泥浆能顺利地通过锚杆杆体，并能进入到锚杆杆体与PVC管的空隙中。随着注浆的继续进行，排气管内开始进入浆液，发生堵塞，导致密封的PVC管内气压直线升高，阻碍了水泥浆的持续进入，浆液饱满度达不到要求。

3.7 普通砂浆锚杆工艺试验

因采用中空注浆锚杆工艺未达到注浆饱满度的要求，现场试验人员采用普通砂浆锚杆工艺做了一组钢筋材质和中空材质的锚杆对比试验。

砂浆使用批复的配合比进行拌制，水灰比为0.42，采用“先注浆后插杆”的施工方法。试验结果表明，钢筋材质锚杆孔内砂浆饱满、充填密实，而中空材质锚杆孔内砂浆也非常饱满，但杆体中空内无砂浆填充。

3.8 试验结论

根据上述多次试验结果，中空注浆锚杆工艺试验可以得出以下结论[8- 9]：

(1)中空注浆锚杆(Φ25，壁厚δ=6mm)采用水灰比为0.42/0.6的砂浆均不能完全通过锚杆杆体，最大通过长度仅为1.2m，不能满足设计支护要求。

(2)采用水灰比为0.6的纯水泥浆可以顺利地通过中空注浆锚杆，但纯水泥浆在进入到锚杆杆体与PVC管之间空隙的同时，也较容易进入到排气管中，导致排气管堵塞、注浆中断，进而不能较好地充填满锚杆杆体与孔壁之间的空隙。试验得出的充填饱满度仅为11.7%，锚杆的注浆密实度远达不到设计要求。

(3)采用砂浆锚杆工艺(先注浆再插杆)施作中空注浆锚杆可保证孔内饱满，但中空杆体仍无浆填充，所施作的中空注浆锚杆仍存在较大的缺陷。

(4)通过对Φ25普通砂浆锚杆后期做5组拉拔试验，拉拔力均大于设计值13t，普通砂浆锚杆满足设计要求。

4 结语

综上所述，TBM组装洞室加固支护锚杆选择通过现场试验最终确定了合理的类型及施工工艺，将目前设计的中空注浆锚杆调整为钢筋材质的砂浆锚杆，节省投资约2.3万元，并且在施工中应做到“先注浆后插杆”，插入时宜对中微旋转，不能随意敲击杆体从而影响砂浆锚固力[10]。当下洞室锚喷支护新技术、新材料、新工艺不断涌现，锚杆选择可根据不同施工手段进行现场试验达到支护效果，针对不同的洞室围岩结构，结合设计参数选择安全、经济、便于施工的锚杆类型，依然需要深入研究、相互学习借鉴，确保TBM组装洞室施工安全有序进行。