管式注浆锚杆在软弱破碎围岩地下边坡工程初期支护中的应用

/管式注浆锚杆在软弱裂开围岩地下（边坡）工程初期支护中的应用翟飞飞（中铁隧道集团有限公司第一工程处河南新乡453000）摘要论述了软弱裂开围岩条件下高边坡、地下工程接受管式注浆锚杆进行初期支护的机理，总结和对比了在此类围岩条件下管式注浆锚杆的优点及适用性，介绍了管式注浆锚杆的施工方法和配套设备，为不良地质条件下高边坡、地下工程平安、快速施工供应支持，并有效降低工程造价。主题词管式注浆锚杆裂开围岩地下工程初期支护中图分类号：TU745.3；TU94+2文献标识码：BTheApplicationofPipeGroutingAnchorDuringtheSoftCrashSurroundingRockUndergroundorSideSlopeProjectInitialSupportingZHAIFei-fei(TheFirstConstructionDivisionofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.Xinxiang453000,Henan)Abstract:Thepaperfocusesontheinitialsupportingmechanismofthepipegroutinganchorwhichthehighsideslopeandundergroundprojectusedundertheconditionofsoftcrashsurroundingrock,sumsupandcontraststhestrongpointandapplicabilityofthepipegroutinganchorintheconditionofthissamekindofsurroundingrock,itintroducesthepipegroutinganchor'sconstructionmethodandassociatedequipment,providesasupporttothehighsideslopewhichisinabadnessgeographycondition,theundergroundprojectsafetyandspeedinessconstruction,andefficientlyreducetheprojectcost.KeyWords:pipegroutinganchor；brokensurroundingrock；undergroundproject；primarysupporting1概述近年来，我国的基础设施建设速度不断加快，大量公路、铁路工程隧道及水利水电工程过水隧洞等地下工程已开工建设或即将开工，随着设计理念、施工技术的不断发展，以“新奥法”为基本指导理论的施工方法得以普遍推广,其主要原理为充分发挥围岩的自稳实力，变被动支护为主动支护。目前，在相对完整、稳定性较好的围岩条件下的初期支护已有较为成熟的方法，但在强风化、层理、节理裂隙发育、岩体裂开松散以及大规模断层、裂开带等条件下（即软弱裂开条件）的初期支护中，系统锚杆的选用方法仍欠成熟，目前有一般砂浆锚杆、自进式锚杆、中空注浆锚杆等，其各有优点，也存在不足，不能完全满足现场施工对初期支护效果的要求。管式注浆锚杆具有以上锚杆的综合优点，且成本相对较低，施工工艺简洁，配套设备灵敏，适用于上述软弱裂开条件下边坡、地下工程开挖后，和挂钢筋网、喷砼协作运用形成柔性复合初期支护体系，保证在施作永久支护（衬砌）前边坡、地下洞室的稳定和平安。2管式锚杆的结构、支护机理及特点2.1管式锚杆的结构管式注浆锚杆一般以直径为φ42～φ50的冷轧无缝钢管为基本杆体，将杆体前端加工成尖锥形以便于在塌孔、堵孔条件下顶进，尖锥长10～15cm。依据不同工程须要在杆体上设对穿出浆孔，直径6～8mm，间距15～20cm，布孔长度为杆体长度的三分之二左右。锚杆后端设垫板和塑料排气管。管式锚杆基本结构见图1。图1管式锚杆结构示意图Fig1SketchofthePipeAnchorStructure2.2管式锚杆的支护机理管式注浆锚杆的支护原理为：在强——全风化地质条件下，多数围岩受层理、张性裂隙相互切割及漫长地质运动的猛烈挤压作用影响，岩体呈碎裂状结构；在较大规模地质构造运动中形成的断层、挤压裂开带、褶皱等地段，岩体多呈碎片状、碎块状结构，上述工程地质条件下岩体均呈分别块状结构，岩块之间、岩片之间主要依次生风化泥粘结，其结合力很弱。目前地下工程仍以爆破开挖为主，即使实行弱爆破及减振措施，但仍不能完全消退爆破振动波在开挖范围以外岩体中传播，受爆破振动波的冲击作用，上述基本无粘结力的岩块极易相互移位分别，加上开挖后原岩应力平衡受到破坏，开挖轮廓线以外确定范围内的岩体需通过变形重新达到应力平衡。在开挖时爆破振动及开挖后围岩变形的共同作用下，强——全风化的裂开岩体及断层、挤压裂开带范围内松散岩体极易失稳，发生坍塌。通过向围岩层理、张性裂隙间灌注水泥浆等胶凝性材料，增加开挖线外确定范围内的裂开、松散岩块之间的粘结力（结合力），从而提高围岩的整体性和稳定性，可有效防止坍塌的发生。管式注浆锚杆就是在有泄浆孔的管体安装后，通过管体向裂开、松散的围岩灌注水泥浆等胶凝材料，对管体外侧确定范围的分别岩块进行胶结，形成确定渗径的、强度较高的水泥、岩块胶结体，并和锚杆结合成为一个小区域的整体，从而获得较好的锚固效果，提高围岩的自稳性，符合“新奥法”施工的主动支护原理。2.3管式锚杆的优点管式注浆锚杆既具有一般砂浆锚杆抗拉抗剪的特点，又具有自进式锚杆在裂开、易塌孔岩体中易于安装及中空注浆锚杆在裂开塌孔条件下能保证注浆质量的优点。其适用于强风化裂开围岩条件下高边坡初期支护，及大跨度、浅埋隧道进出口强——全风化段围岩初期系统支护、地下洞室断层裂开带及影响带围岩初期系统支护，可在钻孔塌孔条件下顺当安装到位，安装成功率可达90%以上，且注浆效果良好。3管式注浆锚杆施工工艺3.1锚杆加工锚杆加工：杆体下料→钻泄浆孔→前端压锥→焊垫板挡环，垫板另行加工。先按设计长度进行下料，分类堆放，在钢管前部钻对穿泄浆孔，泄浆孔直径、间距、布孔长度满足设计要求。为便于在塌孔时锚杆能较顺当被顶进孔内，用压锥机将钢管前端压成尖锥形，尖锥长10～15cm，在钢管尾部焊上垫板挡环，挡环一般接受φ8钢筋，最终套上加工成形的垫板整齐堆放备用。3.2锚杆安装施工依次：钻孔→杆体安装（顶进）→排气管安装→快凝水泥砂浆封孔→注浆→堵孔。（1）钻孔管式注浆锚杆钻孔和其它类型锚杆基本相同，依据开挖施工机械配置,可用风钻、锚杆钻机、凿岩台车等钻孔机械成孔。一般钻孔直径大于锚杆外径至少15mm以上，以利于杆体安装和浆液流淌。（2）杆体安装锚杆孔成形后应尽快安装杆体，以免因软弱裂开围岩出现严峻塌孔导致废孔。管式锚杆安装，因一般处于不良地质条件下，锚杆孔均存在不同程度的塌孔、变形，受塌碴堵塞及孔道变形等影响，锚杆不易顺当装入，需在其后端部施加确定的顶推力。具体施工方法依现场已有钻孔设备确定。全风化围岩中可利用机械顶推安装，锚杆前端安入孔内后，开动凿岩台车或风钻通过顶推器顶推锚杆尾端直至安装到位，顶推器可用废旧凿岩台车钻杆、风钻钻杆的尾部现场加工，结构见图2；也可利用人工锤击锚杆尾端安装到位。安装排气管后用快凝砂浆封闭垫板和岩壁间的缝隙，水平或下倾的锚杆，排气进入孔内30～50cm，上倾的锚杆排气进入孔内长度不小于孔深的2/3。图2顶推器结构示意图Fig2SketchofTopPromotingStructure（3）注浆封孔砂浆终凝后（一般为2小时）即可起先锚杆注浆。一般均注纯水泥浆液，注浆设备可接受一般注浆泵，有条件时可接受高压注浆泵，和高速灰浆搅拌桶配套。注浆压力在洞顶部位一般限制在0.5MPa以下，边坡及直墙部位可达到1.0MPa，浆液水灰比依据具体工程地质条件及围岩吸浆量可接受2:1、1:1、0.5:1等几个比级。注浆起从前应检查排气管是否通畅。注浆过程中，待排气管中溢出浆液后将其弯起绑扎，接着注浆，当注浆压力接近设计压力时，可换注水灰比小于1:1的浓浆，以提高锚杆对围岩的锚固效果。（4）封孔注浆压力达到设计值并持续1～2min后即可完成注浆，堵孔一般就地取材，可用废旧水泥袋、棉絮等团状物，分别注浆管后用堵塞物将锚杆尾端塞紧即可。4工程应用实例（1）边坡工程某水利枢纽导流隧洞进口段工程地质状况为：围岩为D3l1层灰黑色薄—中厚层状含硅质泥岩夹薄—极薄层炭质泥岩，全—强风化，围岩层理、节理发育，层间挤压猛烈，硅质泥岩受挤压、风化卸荷呈松驰碎裂结构，炭质泥岩被挤压成透镜状、碎片状，湿时可塑、结构破坏，层理、片理光滑镜面特别发育，局部岩层挤压揉皱厉害，此范围内有F9断层及其影响带，断层宽30～50cm，除F9断层外，小断层和挤压裂开带均布。有地下水呈泉状、点滴状出流。受进口山体陡坡影响，进口洞脸为直墙，垂直高度达30m，隧洞洞身开挖断面为城门洞形，开挖尺寸17.5m（宽）×21.45m(高)，左右直墙及洞脸开挖后原设计初期支护系统锚杆为φ32，L=9.0m砂浆锚杆，实际施工过程中，因上述裂开岩体影响，锚杆孔塌孔严峻，砂浆无法顺当注入，平均注浆长度不足孔深的1/2，且长大锚杆受塌碴堵塞无法顺当安装到位，安装成功率仅为40%左右，锚杆对围岩的锚固效果不能满足设计要求，无法确保直墙及洞脸的山体稳定，存在平安隐患。后经设计和施工单位共同论证、现场试验，改用φ42，L=10.0m的管式锚杆后，锚杆安装成功率提高至90%以上，注浆效果良好，先注1：1的稀浆，后注0.6:1的浓浆封孔，稀浆较好地通过围岩层理、节理裂隙径向扩散范围达30～50cm，使裂开松散的围岩块体得到胶结，提高了围岩的自稳性。永久砼支护施工前的量测数据表明，左右直墙、洞脸直墙水平和垂直位移速率、累计值均在规范允许值范围内。（2）地下洞室某水电站引水隧洞工程部分地段围岩为薄——中厚层砂岩夹薄——中层泥岩，强风化，多组褶皱发育，围岩层间挤压猛烈，砂岩受猛烈挤压呈碎块状结构，泥岩受猛烈挤压呈碎片状结构，岩体裂开松散，基本无自稳性。开挖后设计初期支护系统锚杆为φ25，L=5.0m砂浆锚杆，实际施工过程中，钻孔后塌孔严峻，无法保证砂浆锚杆注浆和安装质量，对围岩基本起不到有效的锚固作用，洞身初期支护喷砼面多处出现变形裂缝，量测结果表明洞身拱顶下沉不稳定。为确保洞身稳定及施工平安，经设计单位同意，施工单位接受适用于软弱裂开围岩的φ42，L=5.0m管式锚杆进行加固，取得良好效果。后在同类地质洞段均接受管式锚杆代替砂浆锚杆进行初期支护，均取得良好效果，保证了二次砼衬砌前洞身稳定和施工平安。5结束语软弱裂开围岩工程地质条件下高边坡、地下工程初期支护效果的好坏干脆关系到工程的稳定和施工平安，上述条件下一般砂浆锚杆、自进式锚杆等在实际施工中均存在不同程度的困难，锚固效果往往达不到设计要求，而管式注浆锚杆可有效弥补上述锚杆的不足，其施工设备配套灵敏，施工工艺简洁，能够在工程成本基本不变的状况下，提高对围岩的锚固效果，适应性强，具有确定推广价值