预应力树脂锚杆软岩大变形控制效果试验研究

张敏银 马建华 王众乐

[摘  要]：软岩大变形问题一直是隧道工程界的头号难题，为了研究预应力树脂锚杆对于隧道软岩大变形控制效果，文章依托白石头隧道工程开展现场对比试验。为了减小其他变量干扰，选取试验条件基本相同的大变形里程段开展试验，试验段揭示岩性基本为薄层绢云片岩、炭质片岩。试验段基本设置为无树脂锚杆段100 m，有树脂锚杆钢架不同段442 m。试验段对选定断面的拱顶沉降、水平收敛、围岩压力、钢架应力和锚杆轴力等进行监测。试验结果表明：施作预应力树脂锚杆对于降低钢拱架应力、拱顶沉降变形速率与变形值均有明显作用;在钢架强度较弱工况下，对于水平收敛变形的控制效果很差。预应力树脂锚杆施作3 h后即可达到设计强度要求，整体受拉，在17～20天内能起到很好的变形控制作用，之后存在失效现象。预应力树脂锚杆在薄层绢云片岩、炭质片岩地层条件下的适应性有待进一步研究。

[关键词]：预应力树脂锚杆; 铁路隧道; 软岩大变形; 三台阶法; 对比试验

U455.7+1B

预应力树脂锚杆支护技术较早应用在煤炭巷道中，因其施工快捷、支护效果好、成本低等特点，已经成为国内外矿井开采的主要支护方式。而由于变形控制效果不明确、施工工艺不成熟等原因，隧道工程中树脂锚杆的使用率较低，传统的砂浆锚杆往往成为主导锚杆支护方式。一方面，大量的工程经验证明，预应力锚杆支护[1-3]效果要明显优于非预应力锚杆，传统砂浆锚杆需要较长的硬化时间才能施加预应力，很大程度上阻碍了施工的快速展开，不利于围岩变形的控制，影响施工安全。另外，随着我国铁路公路网络的不断发展扩张，工程建设遇到的地质条件愈发复杂多变，加之设计观念由被动支护向主动支护转变[4-5]，隧道工程对于锚杆支护要求日益严格，尤其是时效性。

开展现场试验是检验锚杆作用效果最有说服力的方式之一。南昆铁路家竹箐隧道[6]DIK579+429～+450段，在施作锚杆15天后，围岩收敛速度由原来的4.36～7.00 mm/d降低到了0.27～1.27 mm/d，变形控制效果十分明显。日本惠娜山隧道[7]为双洞公路隧道全长8.3 km，受软弱变质角页岩影响，隧道收敛变形速度快且变形量大，通过9～13.5 m长砂浆锚杆，钢纤维喷混凝土等支护措施，将初期支护位移总体控制在较低水平。奥地利Arlberg隧道[8]在增加9～12 m长锚杆支护后，通过了岩层走向与隧道平行的富存地下水段落。王志坚在研究乌鞘岭隧道软岩大变形问题时，认为柔性（管式）锚杆在围岩极其破碎软弱条件下，主要起对初支的补强作用，有利于抑制局部变形和侧向变形，解决快速施工问题。谭忠盛等[9]依托郑西客运专线大断面深埋黄土隧道开展有无系统锚杆对比试验，认为该工况下锚杆施工增加了隧道断面的封闭时间，且拱部锚杆受力较小，作用不大。周跃峰[10]在成兰线茂县隧道1号斜井（地应力15～35MPa）进行了长短锚杆与不同型号钢架对挤压性软岩大变形控制效果试验，结果表明采用全环HW175钢架，拱部树脂锚杆（3 m）和边墙自进式锚杆（8 m）变形控制效果最佳。广州地铁6号线东湖车站存车线渡线段隧道[11]，采用了悬臂掘进机加高强度树脂锚杆的施工措施，控制沉降要求的前提下提升了成隧效率和施工空间。

综上，锚杆支护[12-14]是应对软岩大变形问题的一种有效方式，人们对于树脂锚杆在隧道与地下工程中的应用逐渐重视[15-17]。为完善预应力树脂锚杆在高地应力软岩大变形隧道应用技术，本文依托大临铁路白石头隧道工程，对比砂浆锚杆支护段与预应力树脂锚杆支护段隧道洞周收敛变形与初支结构内力等，综合分析预应力树脂锚杆的作用效果。

1 试验工点概况

1.1 试验段设计

选取大临铁路白石头隧道为试验工点，本隧位于云县站—头道水站区间，进口里程为DK157+680，出口里程为DK167+055，全长9 375 m。隧道线路纵坡为单面上坡。头道水车站伸入隧道出口端，结合救援站设371 m双线车站衬砌。隧道洞身最大埋深约310 m，最小埋深约8 m。

隧址区属构造侵蚀、剥蚀低中山地貌，冲沟发育，隧道洞身分布长坡岭河、头道水河及其支流山间沟槽，为常年流水沟谷。穿越澜沧江与怒江水系地表水分水岭。主要围岩为冲洪积（Q4al+pl）粉质黏土、卵石土、漂石土，坡洪积（Q4dl+pl）粉质黏土;第四系更新统（Qp）粗、细圆砾土、卵石土、漂石土;三叠系印支期（γ51）花岗岩、黑云花岗岩、黑云二长花岗岩;三叠系中统忙怀组（T2m1）凝灰岩、泥质板岩;下古生界澜沧群（Pz1ln）绢云片岩夹炭质片岩等。发育3条断层，地处临沧复式花岗岩基西缘，穿越花岗岩挟持地段，长坡岭断层与线路近于平行，距线路400～800 m。隧道围岩受多期地震作用及构造应力影响，岩体破碎—极破碎，节理裂隙较发育，局部发育节理密集带，岩性极为复杂，变化频繁，地层接触关系复杂。其中澜沧群以薄层极软岩为主，岩体强度低，耐崩解性差，遇水易軟化，岩体受构造影响剧烈，局部揉皱发育，岩体破碎，局部极破碎，围岩自稳性极差，局部地下水较发育，围岩自稳性差。

白石头隧道分为进口、1号斜井、2号斜井、3号斜井（变更增加）、出口五个工区组织施工（图1）。

隧道洞身及进出口处均存在断层，施工过程中易出现塌方，地表塌陷，挤压变形等问题。隧道大变形段掌子面揭示岩性为薄层绢云片岩、炭质片岩，岩体受构造影响强烈，揉皱发育，岩质松软，耐崩解性差，节理裂隙发育，岩体破碎呈片状及角砾状，围岩整体性差，自稳性差，掌子面潮湿，局部有渗水。洞内围岩情况见图2。

试验段里程位于DK163+058～DK163+600，该段岩性以薄层炭质片岩、绢云片岩为主，岩质松软，岩体强度应力比0.103～0.176。分为无树脂锚杆段、树脂锚杆+I25b钢架段、树脂锚杆+Hw175钢架段，各段主要支护参数见表1。

试验段均采用三台阶预留核心土法施工（图3），上台阶高度控制在3 m左右，长度控制在3～5 m，留少量核心土，中、下台阶高度控制在3.5 m左右，长度3～5 m，降低上台阶的高度（即减小矢跨比），可有效控制减小掌子面溜塌范围或避免溜塌，对上台阶拱脚的变形起到了抑制作用;同时，短台阶也为仰拱、二衬紧跟提供了条件。各台阶每处钢架拱脚均设4根4 m长42 mm锁脚锚管，每榀共计设置24根。超前支护采用42 mm小导管，纵向间距1.8 m，环向间距0.3 m，每循环35根，每根长3.5 m。拱墙纵向22 mm连接筋调整全环I25b钢架，25mm预应力树脂锚杆，上台阶采用3.5m长树脂锚杆，中下台阶采用5m和3.5m长树脂锚杆交替施工

与拱架内侧，间距加密为0.5 m/根，“Z”字型布置。各台阶拱脚处增加一道I14（试验段1为I18）工字钢纵向连接，每榀共计6处。树脂锚杆杆体采用R25L中空自钻式锚杆，公称直径25 mm，锚固剂类型为中速Z（白色，凝胶时间91-180 s，等待安装时间480 s，搅拌应在锚固剂凝胶之前完成），采用端头锚固，锚固长度1.8 m（锚固剂规格：钻孔为35 mm，采用锚固剂直径28 mm）;锚杆托盘尺寸为250 mm×250 mm×12 mm。衬砌断面见图4。

3 监测断面及测点布置

3.1 监测断面布置

试验段共布设有7个监测断面进行拱顶沉降及水平收敛变形监测，无树脂锚杆段在DK163+600和DK163+550断面布设，树脂锚杆段分别在DK163+110、DK163+060、DK163+050和DK163+040布设。并在DK163+600、DK163+060及DK163+050断面埋设压力盒、钢筋计等对围岩与初期支护接触压力、拱架应力进行监测。

3.2 监测点布置

3.2.1 拱顶沉降和水平收敛测点布置

共监测上、中、下台阶水平收敛变形与拱顶沉降4处，测点布置见图5。

3.2.2 初支结构测点布置

应力监测断面分别在拱顶、拱脚、边墙布置共5处测点，每处测点布设1个压力盒、2个钢架应变计（在拱架两侧各布置一个）及1个混凝土应变计，详见图 6 。

3.2.3 锚杆轴力测点布置

测量锚杆选用6.5 m长锚杆，每根锚杆上等距离（距孔口1.5 m、2.5 m、3.5 m、4.5 m处）布置4个钢筋计，如图7所示。

4 试验数据分析

4.1 监测数据汇总

各试验段的7个监测断面结果见表 2 ，表中数据为收集日期截止时各断面施工过程中最大值。

4.2 拱顶沉降对比分析

I25钢架断面、I25（b）钢架+预应力树脂锚杆断面、Hw175钢架+预应力树脂锚杆断面拱顶沉降时程曲线见图8。由试验结果可以得到：

（1）同为I25（b）钢架条件下，施作预应力树脂锚杆对于拱顶沉降变形速率与变形最终稳定值均有明显降低，最终拱顶沉降值约降低25.4%～63.5%。

（2）同为预应力树脂锚杆条件下，施作I25（b）钢架较Hw175型钢架对拱顶沉降变形速率与变形最终稳定值有明显降低。

4.3 水平收敛对比分析

I25钢架断面、I25（b）钢架+预应力树脂锚杆断面、Hw175钢架+预应力树脂锚杆断面水平收敛时程曲线见图 8 。由试验结果可以得到：

（1）同为I25（b）钢架条件下，施作预应力树脂锚杆较只施作钢架洞室两侧水平收敛并未降低，相反，上中下3个台阶均存在变形过大侵限情况，说明预应力树脂锚杆在此工况下起到的变形控制作用有限。

（2）同为施作预应力树脂锚杆工况下，呈现随着钢架强度的增加洞周水平收敛变形速率和变形值减小规律（图9）。

4.4 围岩压力对比分析

不同支护参数试验段围岩初支接触压力如图 10所示由试验结果得到：

（1）围岩压力整体均较大，且受近隧道断层影响，一侧压力明显高于异侧。

（2）围岩压力分布较为均匀，支护参数变化对围岩压力变化影响不大。

4.5 钢拱架应力对比分析

不同支护参数钢拱架应力分布如图11、图12所示，由试验结果得到：

（1）钢拱架内外侧翼缘均受压，边墙部位压力最大，无树脂锚杆断面左右拱脚，Hw175型钢断面拱顶、拱脚和边墙钢拱架压力均大于抗压强度设计值。说明应采用Hw175型钢强度不够，应提高钢拱架强度。

（2）同为I25（b）型钢条件下，施作预应力树脂锚杆断面型钢压力为较无预应力树脂锚杆断面拱顶降低约11.7%～19.6%，拱腰降低约20.4%～32.2%，拱脚降低约10.1%～34.5%。说明预应力树脂锚杆承担了一部分荷载，减小了钢架应力。

（3）同样施作预应力树脂锚杆情况下，施作I25（b）型钢断面较Hw175型钢断面拱顶降低约5.6%～43%，拱腰约降低22.9%～45.1%，拱脚约降低11.9%～ 41.6%。

4.6 锚杆轴力分布

为了解预应力树脂锚杆拉拔力（锚固力）与龄期关系，在现场打入锚杆30 min后，进行了3根拉拔力测试，打设完成3 h后测试3根，之后在锚杆打设1 d、3 d、5 d、10 d、15 d、17 d后均对同一根锚杆进行了拉拔测试得到锚杆拉拔力与龄期散点关系如图13所示。试验结果表明：树脂锚杆施作后约在第3天拉拔力最大，达到195.2 kN，且锚杆拉拔力在前3个小时提升迅速，并超过了设计锚固力151 kN的要求;但是从5 d后拉拔力明显下降，第10 d锚杆拉拔力远低于设计值，几乎失效。推测可能是由于锚杆钻孔内水环境改变导致围岩软化，或松动圈发育与应力释放导致围岩变得松散，以至树脂锚杆锚固力下降。

锚杆的轴力时程曲线与空间分布分别如图14、图15所示，从试验结果可以看出：

（1）锚杆整体受拉，其中最大轴力位于隧洞近断层一侧，中台阶与下台阶最大锚杆轴力分别为179 MPa、175 MPa。從锚杆的受力情况看，锚杆对增强岩体整体性和承载力、减小围岩作用在初支结构上的荷载方面有一定效果。

（2）从时程曲线可以看出，树脂锚杆轴力约在施作5 d后成稳定增长状态，在施作约17～20天后轴力开始下降，直至基本失去作用，这也解释了为什么施作预应力树脂锚杆断面较未施作断面变形反而增加。

5 结 论

本文依托大临铁路白石头隧道开展预应力树脂锚杆软岩大变形控制效果试验，分析数据后得到初步结论：

（1）同为I25（b）钢架条件下，施作预应力树脂锚杆对于降低拱顶沉降变形速率与变形值均有明显作用，本次试验变形值降低25.4%～63.5%;在钢架强度较弱工况下，预应力树脂锚杆对于水平收敛变形的控制能力十分有限。在本次工程背景下与I25b型钢配合使用的变形控制效果较为理想。

（2）施作预应力树脂锚杆能降低约10%～30%的钢拱架应力，有利于提高钢架安全性。

（3）预应力树脂锚杆施作3 h后即可达到设计强度要求，有利于后续施工的快速展开，保障施工安全。

（4）预应力树脂锚杆存在在施作17～20天后轴力下降，直至基本失去作用的现象，推断其原因是由于锚杆钻孔内水环境改变导致围岩软化，或松动圈发育与应力释放导致围岩变得松散，锚固体失效。预应力树脂锚杆在薄层绢云片岩、炭质片岩地层条件下的适应性有待进一步研究。

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