自进式锚杆在东山供水工程穿河段隧洞施工中的应用

李 智谷艳春

（1.山西省东山供水工程建设管理局 山西太原030000；2.山西东山供水工程有限公司山西太原030002）

1 浅埋段隧洞情况

山西东山供水工程1#隧洞施工一标隧洞全长5.36 km，设计断面为城门洞型（3.5 m×4 m）、纵坡1/3 000，钻爆法施工，二衬采用钢筋混凝土全断面衬砌。其穿河段埋深较浅，约18.5 m。该段隧洞洞顶覆盖层自上而下依次为：地表以下1 m左右为杂填土、夹有块石和砾石；埋深2～17 m范围内为由粉砂填充的杂色砂卵石层、夹有大量砾石；埋深17～19.6 m之间为强风化褐红色泥岩层；埋深19.6～21.9 m为紫褐色砂岩层，节理发育破碎；其中洞身位于泥岩、砂岩层中，洞顶以上强风化泥岩层厚度约1.5 m，地下水位于地表以下约1～2 m，隧洞内出水量较大。

2 施工方案

隧洞自进入穿河段以来在桩号SBE4+156及SBE4+173处已发生两次塌方冒顶，分别通过旋喷桩和地表深孔注浆等措施对塌方段进行加固后重新施工顺利通过塌方段。然而后续穿河浅埋洞段地质条件与塌方洞段相同，洞顶强风化泥岩覆盖层不足1.5 m，泥岩上部砂卵石土几无自稳能力，存在发生突泥涌水地质灾害的风险。为确保后续施工进度及安全，对桩号SBE4+255～SBE4+335间穿河段采取自进式长锚杆辅以双液注浆形成管棚的超前支护结合洞内“弱爆破、短开挖、强支护”的方式通过该隧洞穿河段。

3 自进式锚杆注浆施工

3.1 自进式锚杆施工工艺

3.1.1 止浆墙施工

隧洞洞顶的强风化泥岩及洞身节理发育破碎的砂岩层，均会形成水流通道，为防止自进式锚杆注浆过程中浆液从掌子面围岩裂隙中随水流渗出，每循环管棚施工前对隧洞掌子面喷射10 cm厚C20混凝土进行封闭充当止浆墙。

3.1.2 自进式锚杆注浆超前支护

采用R51N自进式锚杆形成管棚，锚杆长9 m，环向间距20 cm，每环25根，纵向间距4.5 m（确保每个断面形成两排管棚），锚杆外插角控制在5°～10°，同时注入水泥-水玻璃双液浆，主要作用为注浆堵水并固结周边不良地层，形成较为稳固的棚状结构，确保洞内施工安全。锚杆布置如图1、图2所示。

图1 超前自进式锚杆布置示意图

图2 自进式锚杆管棚搭接布置示意图

3.1.3 自进式锚杆注浆施工工艺流程

自进式锚杆注浆施工工艺流程图见图3。

3.1.4 锚杆钻进工艺及注意事项

1）钻孔前，测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每排孔进行编号，自起拱线左侧开始编号依次为1，2，3……25。

2）严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入开挖轮廓线内，相邻的锚杆不得相撞和立交。

3）经常量测钻杆的斜度，发现误差超限及时纠正。

图3 自进式锚杆注浆施工工艺流程图

4）自进式锚杆在泥岩中钻进时，钻头的水孔易堵塞，应放慢钻进速度，多回转、少冲击。成孔过程当中，要注意观察记录钻进速度和钻头处的围岩变化以及涌水情况，为之后的注浆提供一定的数据支持。相邻钻孔之间的锚杆接头要错开，尽量减少同一断面内锚杆接头数量。

5）至设计深度后，应用高压风洗孔，检查孔是否畅通，然后卸下钎尾套，锚杆外露孔口长度为10～15 cm。

6）将止浆塞通过锚杆外露端打入孔口30 cm左右。

7）在锚杆外露端部安装止浆闸阀。

3.2 水泥-水玻璃双液注浆施工

3.2.1 注浆方案

根据地质资料揭示：隧洞拱顶部围岩为拱顶以上1.5 m范围内为强风化泥岩，岩性较软，呈泥状，岩芯呈碎块状；拱顶1.5 m以上范围内为卵石混合土、级配不良砂；地下水流量大，且流速快，为防止浆液流失、快速堵水，本方案选择水泥-水玻璃双液注浆堵水并加固围岩。

3.2.2 浆液选择

双液浆由水灰比0.4～0.6的水泥浆和35Be的水玻璃按体积比1∶1配比。

3.2.3 双液注浆方法

锚杆施工完成后注浆前将锚杆、注浆管及泵用快速接头连接好，注浆压力控制在不低于5 MPa，当观察到注浆液从孔口帽边缘流出时，即可停泵。整个过程应保持连续灌注，不停顿，一次完成。当完成一根锚杆的注浆后，应迅速卸下注浆软管与锚杆的接头，清洗并安装至另一根锚杆，然后注浆。环内注浆顺序为：自左至右（1，3，5……25），完成后再自右至左（24，22，20……），每孔间隔注浆。

3.2.4 注意事项

1）水泥浆液和水玻璃浆液比为1∶1，并随配随用，以免时间太长，使浆液在泵、管中凝结。

2）若停泵时间较长，应将前段不均匀的灰浆放掉，以免堵孔。

3）注浆过程中若出现堵管现象，应及时清理锚杆、注浆软管及泵，此时若泵的压力表显示有压，应先卸压后拆下各接头进行处理。

4）完成整个注浆后，及时封口并清洗及保养泵。

5）注浆量应满足设计要求，若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。

4 洞身开挖及支护

4.1 爆破开挖

由于洞顶岩层覆盖薄、岩层破碎，洞身爆破严格遵守“短进尺、密布眼、少药量、弱爆破”的要求，每循环进尺控制在0.5 m，在拱部增加4个周边孔，预留一些空孔，作为爆破减震孔，并严格控制单孔装药量及单段雷管爆破药量，以有效减小爆破震动对围岩的扰动并配合自进式管棚的支护效果，确保围岩稳定。

4.2 洞身初期支护

1）H14#工字钢钢拱架，间距为50 cm。拱架架设前，清除底脚处浮渣，超挖处加设混凝土块防止钢支撑悬空失稳。为增加钢拱架稳定性，两直腿间焊接横向钢支撑底梁，并用C20喷射混凝土将底梁间喷射平整。

2）钢拱架间连接筋采用Φ25钢筋，环向间距为100 cm（每环10根连接筋），隧底横向钢支撑采用2根连接筋连接。连接筋与拱架必须焊接牢固。

3）洞身采用Φ8钢筋网（15 cm×15 cm网格），洞内与钢拱架、连接筋焊接牢固。

4）锁脚锚杆采用2m长Φ25砂浆锚杆，锁脚锚杆打设在拱架直腿上，每榀拱架8根，并与拱架焊接牢固；底横梁打设2根锚杆。拱部设Φ25系统锚杆（每根2 m梅花形布置，排距2 m，4/5根间隔布置），使洞身支护与洞身周边围岩成为一体。

5）为加强初期支护强度，喷射混凝土厚度20 cm。

洞身支护示意图见图4。

图4 洞身支护示意图

5 安全监控测量

为保证洞内施工及地表构筑物结构安全，施工中加强了拱顶下沉、初支断面净空收敛变形以及地表沉降等的监控测量：1）拱顶使用精密水平仪、水平尺、钢尺和测杆分别进行净空收敛和拱顶围岩下沉监控、量测；净空收敛变形采用数显收敛变形仪监测。洞内量测断面间距为20 m，洞内监测监测点布置如图5。2）地表下沉观测点间距30 m，跨越公路处在公路两侧及中间布设观测点，间距不大于5 m，在施工期间连续观测，观测点布置如图6。

图5 洞内监测点布置图

图6 地表沉降观测点

6 小结

通过自进式锚杆结合双液浆注浆处理，较好地固结了洞顶覆盖层，提高了洞顶覆盖层的整体性及其稳定性，增加了洞顶围岩的承重能力，并有效封堵了地下水，使洞内出水量明显减少，创造了良好的洞内施工环境。结合隧洞开挖支护方式的调整及安全保证措施，最终顺利通过了该隧洞穿河段，有效地避免了地质灾害的发生。