软弱围岩隧道锚杆施工技术优化分析

李 伟

(龙建路桥股份有限公司第七分公司，黑龙江 哈尔滨 150090)

1 隧道锚喷支护作用机理

隧道施工中一般包括拱架、锚杆、网片、湿喷混凝土等，通常被称为初期支护。锚杆施工时分两种机器钻孔，隧道拱部施工采用锚杆机钻孔，其他部位施工采用风动凿岩机钻孔。

软弱围岩段落通常采用钢拱架加密设置，加强围岩限制变形，可以作为锚杆的作用支点，承受围岩松弛荷载，承担被动支撑作用。

1.1 锚杆的作用机理

锚杆是伸入到围岩内部，阻止岩土体产生相对位移，利用围岩自承载能力实现围岩整体稳定，承担隧道主动支护加强的作用。锚杆的作用原理是改善岩土体的力学性状，锚杆作锚固岩土体的承力层，锚杆与岩土体产生抗拉应力和抗剪应力，从而达到力学性能。在锚杆施工时，锚杆深入岩体的一端是锚固端，锚固端深入到承力层才能够发挥作用，锚杆才能承受抗拉应力和抗剪应力。

对于软弱围岩土体，土体之间只存在重力作用向心移动倾向，力的方向平行于锚杆方向，对锚杆产生压应力的效果，所以锚杆无法发挥有效作用。悬置于软弱土体中的锚杆，只有通过锚杆注浆，使得锚固段岩土体板结、固化和形成较大土体，锚杆才能发挥作用。由于软弱围岩土体松软、塑性强、自由间隙较大，容易被压缩，此时锚杆对隧道轮廓抑制收敛作用不大。

1.2 锚杆的作用形式

隧道支护锚杆按照作用形式一般有锁脚锚杆、超前锚杆、系统锚杆等，在软弱围岩段落，通常情况超前锚杆、系统锚杆都需要中空注浆。注浆锚杆与土体采用水泥砂浆或药卷式锚固剂黏结效果都不太理想，拉拔阻力很小，往往只有20～30 KN，无法满足规范要求。

软弱围岩隧道洞体外侧土体分成松动区、塑性区和弹性区(见图1)，浅埋隧道可能只有松动区，深埋隧道，开挖后土体产生较大塑性区。目前规范要求以“短而密”为设置原则采用的系统锚杆(如IV级围岩锚杆长3 m)，并未穿过塑性区，锚杆亦不存在锚固段(见图2)。在初期支护施作后，岩土体会发生后续变形，锚杆不发生变形，固定不动，在浅埋软弱围岩隧道中，隧道拱部系统受到岩土体向下的压力，拱部系统锚杆对岩土体向下产生摩擦阻力。

图1 软弱围岩隧道土体分布图

图2 软弱围岩隧道锚杆受力示意图

1.3 锚杆作用力学分析

锚杆的作用主要是抑制开挖土体变形，按照设计规范要求布置施工。隧道开挖洞室通过钢架、钢筋网片、喷射混凝土约束岩土体收敛和沉降；锚杆是锚固到岩土体中，提高岩体的整体性，提高岩体的稳定性，约束岩体发生变形。钢架、锚杆系统、钢筋网片、喷射混凝土共同约束岩土体的变形。隧道开挖为岩土体形变是不可避免，形变量随着初期支护的加强会逐渐变弱、变小，直至达到规范要求后方可进行二次衬砌。

2 锚杆施工优化

锚杆支护形式和支护参数在不同围岩条件下隧道施工中的选择和确定，一直是设计和施工中的难题，通过隧道锚杆系统受力分析，优化调整软弱围岩隧道、泥土隧道锚杆系统支护形式和支护参数。

(1)隧道围岩等级越差，锚杆长度考虑增加。长度通常控制在2.5～5 m左右。对于开挖断面较大隧道锚杆，根据受力分析和设计要求，锚杆长度在6～18 m。

(2)隧道围岩等级越差，锚杆间距应缩小。通常控制在1.0×1.0 m(环×纵)～1.5×1.5 m(环×纵)。

(3)围岩等级Ⅱ～Ⅲ级时通常考虑预应力锚杆，围岩等级Ⅳ～Ⅴ级采用砂浆锚杆，泥土隧道施工减少锚杆数量改换其他支护方式。

(4)软弱围岩系统锚杆施作时间要及时，通常安排在初期支护混凝土强度达到80%后开始施工。预应力锚杆锚固强度达到规范要求后张拉，注浆锚杆必须保证注浆压力超过规范值、分阶段多次间隔注浆。

(5)为提高泥土隧道施工安全性和结构稳定性，应尽量减少施工工序，缩短初期支护封闭成环时间，考虑取消锚杆系统施工。

3 质量控制注意事项

隧道洞体产生沉降和收敛是不可避免的，目前的施工技术只能尽量减少沉降量和收敛量。锚杆系统支护施工目的是通过锚杆伸入岩土体，使围岩与锚杆形成整体，改变围岩的整体性，提高围岩的稳定性，减少岩土体的沉降量。

(1)选择确定符合围岩实际稳定性情况的施作方案。

(2)控制施工工序和施工节点，保证锚杆支护相关要素共同发挥作用。

(3)定期对隧道进行检查，做好检查记录，定期进行对比分析，根据分析结果对施工作出改进。隧道施工是先对岩土体的结构产生破坏，再通过施工建立隧道围岩稳定的过程，应力的释放和土体扰动引起的弹性、塑性和松动变形不可避免，通过锚杆支护施工只是建立力的再平衡方式之一。锚杆施工优化分析，选择合适技术方案，能够在确保安全的前提下加快了施工进度，提升经济效益。