公路隧道普通预应力锚索施工技术及监理要点

杨 鑫 李 鑫

（四川省公路院工程监理有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

兰州至海口国家高速公路（G75）渭源至武都段木寨岭特长隧道施工中钢拱架扭曲变形并侵限，施工进度缓慢。引入了普通预应力锚索替代中空锚杆来控制隧道大变形，减少了初期支护变形侵限和拱架拆换，保证了工程进度，取得显著成效。本文就普通预应力锚索施工质量控制要点，结合工程实例，从锚索加工、成孔、安装、张拉、试验检测等方面总结监理经验。

1 普通预应力锚索施作方法与设计参数

隧道锚索是一种设置于钻孔内，前端嵌入稳定岩层中的钢绞线与尾端夹具固定形成受拉杆体，前端锚固段采用树脂锚固剂快速锚固，中部为自由端，采用黄油及橡胶包裹以防腐，尾端通过钢带、钢垫板、锚夹具实施锚固，作用在围岩临空面上，协同钢拱架及喷射混凝土等结构组成初期支护结构。通过施加高预紧力，对围岩进行反向约束，能够在隧道围岩发生大变形时控制沉降、收敛变形，改善围岩受力状态，实现隧道软岩大变形可控的目标，锚索工作示意图如图1所示。

图1 锚索工作示意图

普通预应力锚索施工技术主要设计参数为：锚索用普通防腐锚索，钢绞线直径为21.8 mm，强度等级1 860 MPa;钻孔直径为32 mm，锚索长度分为5 m和10 m两种，间排布设，环向间距为100 cm,纵向间距为160 cm，正常断面每环25根，紧急停车带断面每环29根，采用树脂锚固剂进行端头锚固，5 m锚索锚固端长度不小于1.2 m，10 m锚索锚固端长度不小于1.5 m；W型钢带材质为Q235，宽280 mm、厚2.8 mm,锚垫板为钢板，尺寸为300 mm×300 mm×16 mm；锚索张拉力不小于300 kN，锚索抗拔力不小于350 kN。

2 项目概述

渭源至武都高速公路定西段木寨岭特长隧道全长15.2 km，设计有3个斜井，为全国在建第三长公路隧道，位于甘肃省定西市岷县与彰县交界，与兰渝铁路木寨岭隧道平行距离约750～1 150 m，木寨岭铁路隧道有8个斜井，全长19 km，因地质条件复杂，施工难度大，耗时近9年。木寨岭公路隧道区域水文地质条件复杂，最大埋深为629.1 m，全隧V级围岩，褶皱带活动强烈，近东西走向断层发育；3个背斜、3个向斜、6处褶皱、12条断层；地应力主方向为N34°E，最大水平主应力为18.86 MPa。Rc∕σmax值均小于4，属极高应力区；隧道存在构造交汇部位地应力高度集中、活动断层、强震活动、深埋非均质软岩大变形等各类风险。围岩主要是薄层状灰黑色炭质板岩，大部分围岩扭曲严重。围岩破碎，节理裂隙发育，层理呈压扭性不规则状；整体性差，自稳能力弱，易掉块坍塌，易发生顺层滑塌。

木寨岭公路隧道支护方案原按新奥法支护理论进行设计，衬砌结构支护方案主要为SVc、SVf型[1]，参数设计分别为：

（1）SVc型衬砌类型：HW175型钢拱架，间距为80 cm∕榀（仰拱处未封闭）；Ф42超前注浆小导管，L=4.5 m，环向间距为40 cm；径向设Ф25中空注浆锚杆，长4.0 m，间距为100 cm×80 cm(环×纵)；Ф8钢筋网；C25早强喷射混凝土，厚25 cm；二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度为50 cm；预留变形量为20 cm。

（2）SVf型衬砌类型：HW175型钢拱架，间距为50 cm∕榀（仰拱封闭）；Ф42超前注浆小导管，L=4.5 m，环向间距为40 cm；径向分别设Ф42径向注浆导管（长4.0 m）及φ25自进式锚杆（长5.0 m），间距为100 cm×150 cm(环×纵)，交错布置；φ8钢筋网；C25 早强喷射混凝土，厚28 cm；二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度为55 cm。上中台阶、中下台阶之间各设一道临时仰拱，I18工字钢架间距为50 cm，C25早强喷射混凝土，厚18cm；预留变形量为35cm。

3 存在的问题与对策

项目于2016年5月开工，采用台阶法开挖，围岩破碎松散，支护变形剥落，钢拱架扭曲变形并侵限，施工进度缓慢。其中2#和3#斜井总长3 078 m，施工期间共发生14处大变形，长度为997 m，占总长度32.4%，初期支护拱架拆换率分别达到30%和36%。其中2#斜井月最小进尺仅为9 m。隧道最大拱顶沉降为214～513 mm，最大累计水平收敛值为637～1 224 mm。施工难度大、风险高，高频拆换也存在一定的安全隐患。

项目于2019年初引进预应力锚索施工工艺，是以应力补偿为出发点，基于主动支护和被动支护相协调的高预紧力锚索支护方案。通过爆破后及时施作高预紧力锚索主动技护体系，尽快恢复围岩开挖前的三向应力状态，补偿围岩表面应力缺失。高预紧力锚索支护体系基于悬吊、组合梁及承载拱理论，通过短锚索预应力挤压作用，使软弱破碎岩体形成组合梁和承载拱，利用长锚索将组合梁和承载拱悬吊在稳定的岩体上，提升或恢复围岩的自承载能力，分散周围不均布围岩荷载，控制围岩层间不均匀错动，减少初期支护钢架承受的围岩压力，控制变形。

锚索设计方案取消环向Ф25 中空注浆锚杆，替换为普通预应力锚索。施作锚索后初期支护变形绝大部分均控制在300 mm以内，极少数位于300～500 mm，极大地改善了原来初期支护拆换频率过高问题，各作业面月平均进尺约为45～60 m。预应力锚索的使用有效地控制了隧道围岩变形，并保证了工程进度。

4 普通预应力锚索施工工艺流程及质量控制监理要点

4.1 普通预应力锚索的施工工艺流程

普通预应力锚索的施工工艺流程：开挖后进行必要的安全防护（如初喷、采用液压支柱对掌子面进行临时支撑等）→确定锚索位置→钻机就位，进行钻孔→清孔→安装锚固剂→插入锚索→搅拌锚固→固定W型钢带→放置钢垫板→安装锚具→张拉锚固→切割外露端锚索[2]。

4.2 监理质量控制要点

（1）材料准备：锚索规格型号、物理性能指标外委检测合格后，即可进行锚索加工，按设计长度加上锚固端长度进行下料，考虑到锚索张拉时千斤顶需要的自由工作长度，下料长度增加30 cm，即5 m锚索下料长度为5.3 m，10 m锚索下料长度为10.3 m。钢绞线的切割必须用砂轮切割机，不得采用电焊或用氧炔焰切割，且保证端头平整，不得松散和滑丝。因锚索中间端为自由端，且没有注浆，为了保证钢绞线的耐久性，设计要求锚索厂家对钢绞线进行防腐处理，即对钢绞线采用先黄油包裹然后加橡胶套进行保护的防腐工艺。为保证锚固质量，减少油脂对锚固剂和钢绞线连接的影响，在下料切割后需对锚固端和张拉端进行剥橡胶皮和除黄油工作，5 m锚索剥除胶套长度1.2 m，10 m锚索剥除胶套长度1.6 m，剥除端长度与设计的锚固端长度相符。随后采用油脂浸泡和纱布擦除的方式去掉黄油，黄油清理干净是保证锚固剂与钢绞线粘合质量的关键。采用纸张擦拭钢绞线，无明显黄油为合格，监理人员应按批次进行检查验收。监理人员需要对下料长度、锚索外观质量（橡胶套及钢绞线有无破损）、锚固端及张拉端剥皮长度、锚固端黄油去除质量进行尺量和目测验收。

（2）开挖后岩面存在部分松动，易掉块伤人，需要对岩面进行观察并排危，确保作业人员安全。对于围岩松散易掉块地段，采取必要的安全防护措施，如木支撑、挂网等，监理人员应同时要求安全员加强观察和警戒。隧道施工属地下高危作业，一切的作业必须以保证安全为前堤，当发现测量数据有不正常变化或突变，洞内或地表位移值大于允许位移值，洞内或地面出现裂缝以及喷层出现异常裂缝时，均应视为危险信号，必须立即通知作业人员撤离现场，待制定处理方案后才能继续施工。

（3）初喷混凝土后，技术人员根据设计要求选择钻孔点位，并用红油漆进行标注。为使锚索更好地发挥锚固作用，钻孔时应对岩层走向进行判断，使锚索的打设方向尽量与岩面垂直或与岩层大角度相交。对于钻孔深度，允许误差范围为±100 mm，钻孔直径为32 mm，钻孔结束应进行清孔，用风枪吹掉浮渣和孔内明水，如果遇到股状或者线状出水，也可以将该钻孔作为引水孔，在旁边补打锚孔。锚固剂的安装由2～3人配合，用偏硬的塑料圆管将锚固剂缓缓送入锚孔内，注意不能反复抽拉锚索划破锚固剂，确保锚固剂全部送到孔底。需注意锚固段长度和锚固剂数量关系，本项目1.2 m锚固段使用2360型锚固剂2支，1.5 m锚固段使用2360型锚固剂3支，然后用锚杆钻机，边推锚索边旋转搅拌，搅拌时间控制在30～50 s，需保证锚固剂搅拌均匀。搅拌过程中不能停顿，不能反复间歇搅拌，否则会破坏已开始聚合反应的树脂分子链，导致锚固剂失效。停止搅拌后，但继续保持锚杆钻机的推力约2～3 min，并在搅拌完成15 min 后安装托板和锚具。

根据设计要求，5 m锚索锚固长度不小于1.2 m，10 m锚索锚固长度不小于1.5 m，有效的锚固长度和锚固质量是确保锚索达到设计张拉力值的保证，在钻孔阶段，监理人员主要是检查钻孔方向、现场清点锚索数量、钻孔深度、尺量锚索下料长度、锚固剂数量是否符合设计要求；孔口岩面平整，有助于钢垫板和岩面紧贴。当遇围岩有塌腔，打孔困难，或者孔位塌孔导致穿锚不成功，应要求施工单位在具备作业条件时进行补打孔，保证锚索施工数量与设计相符。同时监理人员要检查锚固剂质量和数量，锚固剂应选择凝结时间为91～180 s的中速锚固剂，以使搅拌结束时，锚固剂能有效工作；凝结时间太短（低于90 s）的锚固剂使得工人的操作时间紧张，存在搅拌不充分时锚固剂已经使开始凝结的情况，达不到锚固效果。严禁使用破损和超过质保期3个月的锚固剂。锚固剂质量验收及检测标准为《树脂锚杆第1部分：锚固剂》（MT 146.1-2011）。

（4）张拉阶段：本项目设计锚索张拉力为300 kN，采用MQ22-500∕60型矿用锚索张拉机，配合穿心式千斤顶使用，设备最大张拉力为600 kN，动力源为风动。监理工程师在设备查验时应要求张拉力在设备最大量程的20%～80%之间，锚索与锚索间每三个或两个采用W型钢带串联；W型钢带布置与隧道掘进方向垂直。安装时钢带、钢板尽量与岩面紧贴，使用张拉设备对锚索进行预紧和张拉时，应预留出足够的锚固剂凝结时间，本项目在搅拌结束15 min后安装钢带、锚垫板，然后再张拉锚索；张拉时，对钢绞线进行先预紧再张拉（因为千斤顶行程及钢绞线有松弛度），直至张拉到大于设计值并记录。设计预紧力为300 kN，钢绞线出现位移和松动时应记录和补打，或者重新清孔穿索。本阶段监理要点是等待锚固剂凝结时间达到要求后，对锚索进行张拉，张拉力必须要大于设计值（5～25 kN），张拉到设计值后需稳张拉约10 s，保证张拉效果。

施工完成后按规范频率进行锚索抗拔力检测，锚索抗拔力检测可以在张拉后立即进行，也可以在初喷混凝土后预留一定数量锚索进行检测，检测数量按锚杆总数1%且不少于3根。抗拔力检测不合格视为锚索质量不合格，应总结原因，并补打锚索直至检测合格。检测结束用切割机切除锚固端多余钢绞线。

张拉力值和抗拔力符合设计要求是锚索对围岩主动防护的关键，根据验收标准，监理人员和技术人员需逐根记录张拉力值，对张拉力值不够、张拉时锚索移位失效的，必须及时补张拉，可在附近补打锚索，或者用张拉器将不合格的锚索拔出，对原孔清孔后重新安装锚索。对出现的问题要分析原因并及时总结，必须确保锚索施工数量和质量满足设计要求。

5 锚索施工准备阶段监理控制要点

（1）收集监理依据，熟悉并掌握工程建设技术标准、规程、规范和质量检验评定标准。

（2）研究并熟悉锚索施工设计图、地质资料和相关施工作业规范、规程，特别是设计说明。

（3）参加施工图设计交底，监理工程师要正确领会设计意图，认真记录。

（4）核查现场技术管理人员、施工队伍及人员素质，特殊工种持证上岗，核查技术交底、安全教育培训实施情况是否满足要求。

（5）督促施工单位建立健全质量安全保证体系，核查运行状况，并确保正常运作。

（6）检查进场施工设备是否完好、齐备，张拉设备含油表及千斤顶需进行配套标定，施工所用的钻孔机具必须满足锚索钻孔相关要求。

（7）核查测量仪器出厂合格证和检定证书，确保检定证书在有效期限内，要求机证相符。

（8）检查钢绞线、锚固剂、锚具等材料的出厂合格证或质量保证书，并按规范频率要求对材料见证取样送检，检验合格后方可使用。

（9）审查施工单位提交的锚索专项施工技术方案，并在开工前进行批复。

（10）开展锚索工艺试验段总结，对现场施工组织、施工质量管控进行总结和优化。

6 结束语

复杂地质条件下的隧道施工面临诸多问题，合适的支护方案和严格监理工作是确保安全施工的重中之重，亦能有效提升施工效率。本文依托木寨岭公路隧道，简要介绍了预应力锚索施工技术，实践表明预应力锚索技术能有效控制软岩大变形，提高施工效率。对预应力锚索施工全过程进行严格的监理，确保锚索施工数量和质量满足设计要求，是预应力锚索有效发挥作用的关键。