预应力锚杆在TBM组装洞室的应用

李鹏

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁沈阳110003）

0 前言

在隧洞施工中，新奥法已经成为一种主流方法，喷锚支护为其三大支柱之一，作为一种可以充分利用围岩自承能力、变荷载体为承载机构的支护方式得到广泛应用，而锚杆施工则是其中重要一个环节。锚杆种类相当繁多，有砂浆锚杆、树脂锚杆、水胀式锚杆等，文中在此介绍一种已在工程中广泛运用的锚杆形式——涨壳式中空预应力锚杆。

1 工程及地质概况

某大型引水隧洞，采用3台TBM同时作业，其中2台采用洞内组装方式，其TBM组装洞室长80 m、高17 m、宽13.9 m，洞顶为蘑菇头断面。组装洞室段埋深250～270 m，围岩岩性为新太古代混合花岗岩，灰黑色，主要矿物成分为长石、石英、黑云母等，中粗粒结构，块状构造，微风化，坚硬岩。正洞室发育3条岩脉，彼此平行、贯穿洞室，为陡倾角。周围节理较发育，节理面主要呈微张状，部分呈闭合状，无充填或岩屑充填，起伏光滑或平直光滑。岩脉及节理交错导致成洞条件差，边墙易出现片帮、拱顶易掉块，岩体较完整～完整性差。地下水发育轻微，呈潮湿～滴水状态。开挖采用光面爆破，预留岩台梁，其作为TBM桥吊行走轨道基础，为了保证岩台梁的稳定，对其采用涨壳式中空预应力锚杆加固。涨壳式预应力锚杆可以通过施加预应力，从而减小或消除拱顶及侧墙的拉应力，弥补岩体抗拉强度低的弱点，通过与喷混，挂钢筋网联合的支护形式对岩体的稳定性起到了至关重要的作用。

2 预应力锚杆构造原理及工作特性

2.1 涨壳式中空预应力锚杆构造原理

涨壳式中空预应力锚杆由涨壳锚固件、中空杆体、垫板、螺母等组成。涨壳锚头：用高强度钢材制成，通过内榫，把涨壳夹片涨开成锚杆预应力内部承载体，是机械点锚式锚固体系。中空杆体：为全螺纹中空锚杆体，具有注浆和排气的功能。垫板、螺母：预应力外部锁定固件和传递荷载构件，垫板上带有灌浆孔。其主要作用原理为：锚杆杆体插入锚杆孔后，在外力作用下转动杆体，涨壳锚固件在杆体锥形体作用下张开，与岩壁紧密接触，与锚杆孔壁产生摩擦阻力，从而形成支护锚固力，达到及时锚固的效果。

2.2 预应力锚杆工作特性

1）锚杆采用先插入中空杆体，后在中空杆体的孔腔内由内向外灌注水泥浆，并保证锚孔外端口有止浆塞和托板，能有效地防止浆液的外漏，确保杆身与孔壁间的水泥浆液饱满，这样就可以沿锚杆全长传递剪应力和拉应力，确保锚杆加固的范围内的岩体能起到固定作用．必要时，还可以增加注浆的压力，使水泥浆液可以向周边岩体的裂隙内扩散，使锚固范围内的岩体得到进一步加固。

2）注浆凝固后，用配备的扭力扳手拧紧锚杆的螺母，为锚杆端头提供10 kN左右的托板抗力，形成具有与机械式锚杆类似的球形压力区，从而可对开挖后岩体的初期变形形成控制，有效阻止破碎岩块的掉落。

3）通过使用扭力扳手对螺母或张拉装置施加预应力，主动地将张拉荷载传递给锚杆加固的岩体，锚杆端部的锥形或球形压力区明显增大，并能提高潜在滑移面或软弱结构面的抗剪强度。按一定组合排列方式的涨壳式中空预应力锚杆，可使锚固范围内的岩体形成压应力拱带，显著增强扩大洞室的稳定性。

4）中空锚杆不仅可确保锚杆与孔壁间的缝隙注浆饱满，而且由于配置了锚头、止浆塞及连接套，可使杆体在锚孔内居中，从而使杆体可以获得均匀的保护层厚度，大大提高了锚杆的耐久性。

3 涨壳式中空预应力锚杆现场施工

3.1 工艺流程

3.2 施工工序

1）钻孔。用全站仪对目标进行自动放点，在岩面上用红色喷漆做标记，作为钻孔依据。根据孔位放样的位置用阿特拉斯353E三臂台车钻孔，本洞室使用锚杆直径为ϕ28，因此钻孔孔径为50 mm，孔位偏差小于10 cm，钻孔孔深±5 cm。

钻孔完成后，用压力水枪对所有钻孔依次进行冲洗。工作面较大，可一边钻孔一边洗孔。当孔内不再有浊水流出时，结束冲洗，然后用压力风枪将孔内积水吹出孔外。为保证锚杆与垫板垂直，使锚杆轴向受力，对孔口范围内局部参差不平的岩面，使用快速水泥砂浆找平，待找平层强度达到20 MPa后，安装锚杆。

2）安装锚杆。安装锚杆之前应先检查孔深，清除钻孔内的石屑和岩粉，将安装好涨壳锚头的锚杆，插入孔道并确保顶紧孔底，利用扭力扳手顺时针转动，涨开锚头。锚头用扎丝绑扎，防止在插锚杆的过程中被卡住，导致锚头提前打开。用锚固剂封堵孔口。

3）附件安装。按照锚杆与岩面的角度，安装止浆塞、垫板，垫块及螺母，使锚杆杆体位于锚孔中部，并使用六角扳手预紧。

4）施加预应力。施加预应力采用扭矩扳手，在外露锚杆上套上钢垫板，钢垫板紧贴孔口抹平的砂浆，并在杆体上安装止浆带，用扭矩扳手，扭紧钢垫板上的六角螺母，将配套加工的套筒与六角螺母相连，扭力扳手与套管相连。将扭力扳手的扭力值旋转至预定的预应力值上，可多人共同扭动扭力扳手，当预应力值较高时，可增加加力杆，增加力臂。当扭力扳手发出“咔咔”声响，或者指针到达提前设定好的预应力值时，说明预应力已经达到了设计值。扭力扳手设定的预应力值可根据厂家提供的扭矩与锚杆预紧力关系确定。需要注意孔口处如有不平整岩面，应先采用早强砂浆找平处理，砂浆强度必须保证承受锚杆张拉的最大荷载。然后安装螺母和垫板。

5）注浆。注浆采用水泥净浆，采用P.O42.5水泥，注浆前通过试验确定水灰比为0.45∶1。采用螺旋砂浆泵注浆，螺旋砂浆泵的优点：压力脉动小、流量和注浆压力可调节、流量和注浆压力均匀。利用中空锚杆底部注浆管进行注浆时，中空锚杆内排净气体，直至杆体中部孔洞流出浆液方可停止注浆。注浆时应注意控制注浆压力，防止注浆管因压力过大爆裂。

6）试验检测。砂浆密实度检测：中空预应力锚杆注浆完成7天后，可采用物探的方法对中空预应力锚杆的砂浆密实度进行检测，砂浆密实度应在85%以上，并满足相关技术要求。

3.3 注意事项

1）施工中一定要选用合理的水灰比，若为了方便注浆选用较大水灰比，会使粘结材料收缩太大影响注浆的饱满度，同时粘结材料的收缩会影响到锚杆预应力的加固强度。如果水灰比小了，则会出现堵塞注浆管路的现象，浆液就达不到向周边岩体的裂缝扩散的效果。

2）注浆时的止浆和注浆设备的选用，注浆设备因采用中空锚杆专用的注浆泵（D M L30型，压力为1～1.5 MPa），目前中空锚杆止浆塞大多数为橡胶锥形塞，通过施加预应力使止浆塞挤压在孔口，但是由于施工的地点不同有时止浆塞和孔口不能紧密贴合，或者注浆压力过大时都会出现漏浆的情况，可以通过再杆体内安装止浆带来达到止浆的效果。

3）锚杆和岩体承受面的垂直度，保证钢垫板的正确安装，钢垫板是涨壳式中空预应力锚杆的关键，在施工中涨壳式中空预应力锚杆的预应力是通过拧紧螺母由垫板传递的，这样不仅可以有效的防止围岩的松动变形，同时通过钢垫板把预应力扩散到接触岩面。

4）保证成孔质量，钻孔操作不规范或使用不合适的钻头，会造成孔道孔径不准，孔道不直，直接影响到锚杆的安装和施加预应力。

5）预应力的施加，应严格按照扭矩G与预应力P相对应值进行预应力。在用扭力扳手施加预应力的时，在达到预设值前，螺母和锚杆的咬合部位应涂上黄油，以利于螺母扭紧时应力的有效传递。

4 结语

涨壳式中空预应力锚杆在该工程TBM组装洞室得到了较好的应用，其不仅充分发挥锚杆的锚固效应，同时在岩体开挖后能立即提供支护力(托板力或预应力)，有效地保护岩体的固有强度，阻止围岩的松动和变形，增强了岩台梁及周围岩体的稳定性。涨壳式中空预应力锚杆结构新颖、技术先进、质量可靠，耐久性好，具有广阔的发展前景。它的出现和发展为地下隧洞，特别是地下特大洞室等的支护提供了可靠保证。