高原隧道预应力树脂卷锚杆施工技术

赵千里

（中铁二十四局集团西南建设有限公司，四川 成都 610000）

1 概述

我国的锚杆支护是在1956 年开始研究的，主要在煤矿巷道中使用，直到20 世纪90 年代，锚杆支护才开始得到迅速发展。近年来我国锚杆支护理论及发展，从原来的单体锚杆作业，发展到了锚杆群联合作用，衍生出端锚固、加长锚固、全长锚固等多种形式，其锚固形式也从原来的水泥砂浆锚固剂发展到树脂锚固剂、涨壳式锚固等多种锚固形式。

现阶段，我国铁路及公路山岭隧道主要采用新奥法施工，以锚喷支护为主要手段，二次衬砌作为储备，最大限度地紧跟开挖作业面施工，优先保障开挖面的施工安全，以有限地控制支护前的围岩变形，充分发挥围岩的自稳性，阻止围岩进入松动的状态，锚杆在其中起关键作用。大量的工程经验及试验证明，预应力锚杆因其快速、主动作用的特性，其支护效果要优于非预应力锚杆，传统的非预应力锚杆主要被动受力，需要较长的硬化或锚固时间，既不利于隧道的快速施工，又不利于围岩的加固稳定，影响施工安全。另外，随着我国铁路公路的高速发展，建设区域不停向西部高原、南部山区扩张，工程建设遇到的地质条件愈加复杂多变，设计理论也由被动支护向主动支护转变，隧道工程对于锚杆支护要求日益严格，尤其是时效性[1]。

某高原隧道穿越横断山脉，隧址区属构造剥蚀中高山地貌，地面标高4100～4700m，最大相对高差658m，自然坡度一般10°～60°。隧道地质主要为砂岩、砂岩夹泥岩、泥岩夹炭质页岩，局部有软岩大变、顺层、顺层偏压、岩溶、断层、破碎带、高地应力及软弱大变形带等不良地质。预应力树脂锚杆有着锚固力大、易于安装、作用时效快等优点，能快速高效地控制锚杆施作区域的围岩离层、滑动、裂隙扩散或产生新裂纹等不利影响[2]，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，保持围岩的完整性，增加围岩强度，能够有效保障隧道在不良地质段的施工安全。

2 锚杆作用原理

锚杆支护是利用人为打入围岩内部的杆体，通过杆体、注浆材料与围岩之间的相互作用，改变围岩本身的力学状态，从而提高围岩的强度，进而使隧道周围岩体内形成一个完整稳定的承载圈，承载圈与围岩共同作用，起到维护隧道稳定的作用。其锚杆的主要力学作用有以下4 点。

（1）悬吊作用：通过锚杆尾端锚固，将临隧道面的悬空及不稳定的岩层悬吊在坚固岩层上，阻止悬空面岩层变形移动，把松软破碎或变形、弯曲的围岩直接顶悬吊在未松动的岩层上，以达到增强岩层稳定性的目的[3]，如图1 所示。

图1 悬吊作用

（2）减跨作用：在隧道周边中打入锚杆后，相当于对临空围岩增加了新的支点，使隧道跨度减小，减小岩体应力，以达到降低围岩因应力过大进一步发生变形破坏的风险[3]，如图2 所示。

图2 减跨作用

（3）组合梁作用：在岩层中打入锚杆，将若干薄弱岩层锚固在一起，类似将叠合的板梁变成组合梁，增加各岩层的摩擦力，防止岩石沿层面滑动，避免离层现象；同时，还可以增加岩体的抗剪强度，阻止岩层的水平错动，起到提高岩层的承载力的作用[4]，如图3 所示。

图3 组合梁作用

（4）整体加固作用：锚杆群锚入围岩，并施加预应力后，其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照一定间距排列的锚杆在预应力作用下构成承载环，起到整体加固岩层作用[5]，如图4 所示。

图4 整体加固

3 预应力锚杆重点施工工艺

3.1 工程概况

该隧道拱墙采用φ25 低应力树脂卷中空注浆锚杆，锚杆型号YR25-5，锚杆体公称直径25mm，壁厚5mm，预张拉力60kN。端头采用树脂卷作为锚固剂，锚固长度1m，锚杆杆体与孔壁间采用水泥砂浆填充。预应力树脂中空注浆锚杆如图5 所示。

图5 预应力树脂中空注浆锚杆

3.2 施工工艺流程

锚杆施工时机的选择，一般情况下，在开挖完成，进行初喷后，立即打设预应力锚杆，初喷混凝土能够保证施工面大致平整，又能减少掉块风险，且锚杆安装及预应力施加均不受钢架、网片等其他设施设备影响，能充分发挥预应力锚杆作用，保障后续施工安全。

其主要施工流程如图6 所示。

图6 施工流程

3.3 施工设备选择

基于该隧道高海拔地区的低温、低压、低氧环境特征及复杂多变的地质特征，传统的人工+风动凿岩机施工工效低、安全风险高，不利于隧道锚杆施工。现场主要采用锚注一体机或三臂凿岩台车+风动凿岩机辅助的配套设备，以上两种大型设备均具备自动定位、定深、定角度、钻速快等优点，但都存在需要人工送树脂卷的缺点，其中锚注一体机可实现自动安装锚杆、自动注浆，而三臂凿岩台车可实现三臂同时钻孔，成孔工效更高。该隧道在通过两种设备使用后的分析对比，锚杆施工优先选用三臂凿岩台车+风动凿岩机辅助的配置工装。

3.4 施工扭矩换算

现场施工采用扭力扳手施工，需对扭矩与设计预应力进行换算。根据锚杆尾部螺母承受的扭矩与锚杆预应力的关系P=M/（K×D）可知，锚杆预应力与扭矩成线性关系，与锚杆的材质、杆径等存在关系。该隧道锚杆预应力设计60kN，锚杆直径25mm，通过查找K 值取0.42，对应扭力扳手扭力值M=P×K×D=60×103×0.42×25×10-3=630N·m，即扭力扳手扭力值设定为630N·m。

3.5 树脂卷用量计算

锚杆药卷采用树脂药卷填塞，树脂锚固剂由树脂胶泥与固化剂两部分分隔包装成卷。树脂卷用量需通过计算得出，树脂卷体积+锚固段杆体体积=（略大于）锚固段成孔长度体积，其树脂卷可以按要求尺寸定制或采用小药卷捆绑代替的方式。药卷送入需采用炮棍（PVC 管等柔性材质），严禁采用锚杆或钢筋同步推进，以防提前破坏药卷。

3.6 钻孔

根据高原施工特点，该隧道锚杆施工主要采用三臂凿岩台车施工，以风枪为辅助，三臂凿岩台车钻头直径为43mm，钻孔直径为46～50mm，风枪钻头直径为40mm，钻孔直径为42～45mm。钻孔完成后，要及时利用高压风对孔洞进行清孔，避免余水、钻渣等影响锚固效果。

3.7 锚杆组装

提前将中空锚杆前端实心杆体与后端空心杆体用连接套进行连接，检查垫板、螺母、排气管等配件，提前松装至锚杆上，排气管可现场安装，也可提前安装在锚杆上，从垫板上的预留孔穿过，插入孔内10cm，外露15cm，固定止浆塞、锚垫板及螺母，并使锚杆杆体位于锚杆孔的中部。

3.8 搅拌及凝固时间控制

树脂卷的凝固时间受厂家及配方影响，具体凝固时间有所区别，在实际使用中需根据试验确定。现场主要通过查找产品说明、室外试验、现场试验共同得出，通过锚杆工艺性试验，该隧道所使用的树脂卷在搅拌40s 左右开始明显产生化学反应，并发热凝固，即树脂卷的搅拌时间不能大于40s，为保障搅拌均匀，且又不影响锚固效果，经多次试验，现场按20s 控制，搅拌工具主要采用风枪或风动扳手快速旋转推入杆体（注意旋转方向与锚杆螺纹适配）。搅拌均匀后，树脂卷在8min左右能够达到锚固要求，但受围岩、清孔及渗水情况影响，略有区别，在实际施工中，凝固时间控制在10min以上，能够确保满足预应力施加要求。

3.9 锚杆注浆

现场采用锚注一体机配备自动注浆系统施作，将注浆头装置翻转与锚杆杆头自动对接，锚杆动力头带动注浆头装置向前推进与锚杆连接，启动注浆系统，进行注浆。直至中空锚杆孔口流出浆液且流出浆液正常方可停止注浆。注浆应由低孔位到高孔位交错进行，注浆强度不小于M20，浆液水胶比宜为0.35～0.45，注浆压力控制在0.1MPa～0.5MPa。

4 预应力锚杆质量控制重点

预应力锚杆施工工序复杂、技术要求高，为保障施工质量，现场需严格按工序及参数要求组织施工，否则极易发生无法施加预应力或施加不足的现象，其4 个与非预应力锚杆有区别的质量控制重点如下。

（1）树脂卷须在失效期前使用，并在过程中及时跟踪现场施工情况，当发生同样工艺，但仍无法锚固时，需对锚固剂进行室外试验，如不能满足要求，需及时更换。

（2）扭力扳手在使用前必须进行标定，且在施工过程中需加强保护，根据使用情况定期进行标定，以确保张拉精度[6]。

（3）严格控制好钻孔深度、孔径，并按要求做好清孔，其孔径大小影响锚杆长度，当更换钻孔设备时，需及时调整树脂卷用量；而孔内余渣、余水等对树脂卷的锚固力也有较大影响，需严格控制清孔质量。

（4）张拉是预应力锚杆施工最重要的工序，其张拉效果对保障围岩稳定起关键作用，施工过程需全程监控，并做好记录。

5 结语

在现阶段的隧道施工中，锚杆作为一种强有力的支护措施，在支护体系中占据重要地位。通过锚杆的悬吊、减跨、组合梁作用，并经施加预应力后，让隧道各岩层压应力圆锥体相互交错，形成一条压缩带即压缩拱，形成整体加固作用，对提高围岩强度，控制围岩变形，抑制裂隙发展起到重要作用。面对高原隧道复杂多变的地质环境，通过过程中的施工分析总结，快速、高效、规范地完成预应力锚杆施工，能够有效地提高围岩稳定性，保障隧道施工安全性。