CN109555548A - 一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，涉及隧道施工领域。包括支护结构、初期支护结构，支护结构包括开设在围岩上的孔、锚索、填充在孔内的注浆体，根据锚索划分为锚固段、张拉段、外锚头，位于锚固段的锚索头部截面尺寸大于锚索其他部位，位于张拉段的锚索被张拉产生预应力，锚索的长度为35‑40m。将围岩对锚固段的摩阻力，通过张拉段传递到初期支护结构，并通过预应力的作用，使岩体结构面呈压紧状态，从而提高围岩本身的整体性，直接改变滑动面的抗滑力，以维持围岩受力平衡。同时通过扩大锚固段截面，使得扩大头与岩体挤压形成较强的端承力，大幅度提高了抗拔力，从而达到稳定深部围岩和抑制其变形的目的。

Description

一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支 护结构

技术领域

本发明属于隧道施工领域，具体来说，是一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构。

背景技术

高地应力对岩土工程影响显著，尤其对于大埋深软弱围岩地下工程，如铁路隧道、公路隧道、深埋采矿巷道等。随着我国铁路、公路建设的不断发展，隧道工程已经向长大、深埋方向发展。因此，近几年来，穿越高地应力区且地质环境恶劣的软弱围岩长大隧道工程不断涌现，如兰渝铁路8.5公里的毛羽山隧道、9.2公里的新城子隧道、19.1公里的木寨岭隧道等。

高地应力软弱围岩大变形隧道在开挖支护后围岩挤压变形强烈，造成初期支护大面积破坏、喷射混凝土开裂、钢架扭曲错断、边墙侵限等；由于高地应力在软弱围岩隧道中的释放又往往是一个长期缓慢的过程，还会致使前期已做好的二衬在后期不断发生开裂，需要重新进行返工整修。因此，围岩破碎、地应力较大且释放周期长等问题导致隧道施工变形收敛大，工序转换、方案变更频繁，施工生产不连续、工效低，严重困扰工期目标与施工安全。

发明内容

本发明目的是旨在提供了一种能使高地应力软弱围岩大变形得到有效控制，同时具有资源节约、环保节能的功能的支护结构。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，包括利用锚索形成的支护结构、初期支护结构，所述支护结构包括开设在围岩上的孔、固定在孔内的锚索、填充在孔内的注浆体，根据锚索所起的作用不同可将其划分为位于深部稳定岩层中的锚固段、位于锚固段和初期支护结构之间的张拉段、位于围岩外面的外锚头，位于锚固段的锚索头部截面尺寸大于锚索其他部位，位于张拉段的锚索被张拉产生预应力，锚索的长度为35-40m。

进一步的，所述锚索的头部程楔形。楔形的锚索头部，使得锚固段的截面增大，使得扩大头端头与岩体挤压形成较强的端承力，大幅度提高了抗拔力，从而达到稳定深部围岩和抑制其变形的目的。

进一步的，所述锚索以高强钢绞线束组成的杆体，杆体有良好的弹性变形。

进一步的，锚索处于孔的中心位置，锚索到孔壁的距离大于1cm。

进一步的，锚固段的锚索捆绑有对中支架。

进一步的，锚索张拉段的张拉形成为200mm。

进一步的，位于孔内部的锚索捆绑有注浆管，注浆管管端距离孔底的距离为50-100mm。

进一步的，注浆管由多节短注浆管连接而成。短注浆管为Φ25mm的钢管，为了便于拆除露出锚孔的注浆管，每节注浆管不宜过长，一般为3m。注浆管从锚索对中支架中间穿入，随锚索一起插入孔底。

进一步的，钢绞线为Ф15.24mm高强度低松弛预应力钢绞线，锚索分为5层设置，锚索排间距设置为3m。

进一步的，锚索头部的钢绞线上系一导线，并用绝缘胶布使导线和钢绞线分离绝缘，导线随锚索伸出孔外，并接在万用表的正极上，万用表的负极接到孔外钢绞线上，万用表调至欧姆档，当砂浆注到锚固段尾时，导线和钢绞线通过砂浆形成通路，万用表指针转动，即证明锚固段孔内已经注满砂浆。

本发明的原理：

1将围岩对锚索锚固段的摩阻力，通过张拉段传递到初期支护结构，并通过预应力的作用，使岩体结构面呈压紧状态，从而提高围岩本身的整体性，直接改变滑动面的抗滑力，以维持围岩受力平衡。

2利用了新奥法原理，使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥。超长扩大头锚索是一种主要承受拉力的杆状构件，它是通过钻孔及注浆体将钢绞线固定于深部稳定岩层中，在被加固体表面对钢绞线张拉产生预应力，同时通过扩大锚固段截面，使得扩大头端头与岩体挤压形成较强的端承力，大幅度提高了抗拔力，从而达到稳定深部围岩和抑制其变形的目的。

3结合高地应力软弱板岩变形大、隧道开挖后形成较大松动区的特点，锚索施加预应力后可以将较大松动区压紧，提高围岩的自稳能力，使开挖后围岩较早达到新的受力平衡，通过预应力的施加抑制围岩的膨胀变形，加强初期支护结构的整体性，由围岩自稳和初期支护共同抵抗高地应力作用，从而控制隧道变形。

4同时基于锚索有效锚固理论，从锚索与岩体弹性模量比值进行分析，充分考虑软弱围岩的弹性模量特点，比值越大，锚索承受剪应力峰值越小、剪应力、轴向应力的分布范围越大、越均匀，则锚索的有效锚固长度也就越大。从某种意义上来讲，超长扩大头锚索加固软弱围岩的效果要远优于硬岩。

本发明的有益效果：

1首次将扩大头预应力锚索应用于软弱破碎围岩之中，相对于普通锚索，能够大大提高孔底的点锚固力，同时可以穿过隧道围岩的松动圈，控制围岩变形。

2在板状破碎围岩，且岩层走向与隧道轴向近乎平行条件下进行长锚索支护。与常规隧道支护结构相比，该结构通过施加预应力，能够主动控制围岩变形，调整岩层应力状态。预应力锚索具有一定的柔性，可以深层加固，同时能够主动控制岩体变形，调整岩体应力状态，有利于岩体的稳定性。

3预应力锚索是以高强钢丝束组成的杆体，其抗拉强度远高于一般的螺纹锚杆，而且当拉力达到一定的数值后，杆体有良好的弹性变形，能很好地适应持续变形，并逐渐释放应力地特性，从而能有效地控制松软围岩的大变形，满足施工需要。

4锚索自张拉预应力起，随着围岩的变形，锚索轴力逐渐增大。随着围岩变形的收敛，轴力增加幅度慢慢减小，之后基本稳定。

5经济性好，预应力锚索既可单独使用，充分利用岩土体自身强度，从而节省大量工程材料，同时可与其他结构物组合使用，改善其受力状态，节省大量的圬工，具有显著的经济效益。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明的施工工艺流程图；

图2为预应力锚索结构图；

图3为隧道预应力锚索整体示意图；

主要元件符号说明如下：

2-钢垫板，3-锚具，4-张拉段，5-对中支架，6-钢绞线，7-注浆体，8-锚固段，9-初期支护。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图2、图3所示，一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，包括利用锚索形成的支护结构、初期支护结构，所述支护结构包括开设在围岩上的孔、固定在孔内的锚索、填充在孔内的注浆体，根据锚索所起的作用不同可将其划分为位于深部稳定岩层中的锚固段、位于锚固段和初期支护结构之间的张拉段、位于围岩外面的外锚头，位于锚固段的锚索头部截面尺寸大于锚索其他部位，位于张拉段的锚索被张拉产生预应力，锚索的长度为35-40m。

其中，所述锚索的头部程楔形。

所述锚索以高强钢绞线束组成的杆体，杆体有良好的弹性变形；钢绞线为Ф15.24mm高强度低松弛预应力钢绞线，锚索分为5层设置，锚索排间距设置为3m。

锚索处于孔的中心位置，锚索到孔壁的距离大于1cm。

为了方便讲锚索安装在孔的中心位置，锚固段的锚索捆绑有对中支架。

锚索张拉段的张拉形成为200mm，确保施加足够的预应力。

位于孔内部的锚索捆绑有注浆管，注浆管管端距离孔底的距离为50-100mm。

注浆管由多节短注浆管连接而成，注浆管为Φ25mm的钢管，为了便于拆除露出锚孔的注浆管，每节注浆管不宜过长，一般为3m。注浆管从锚索支架中间穿入，随锚索一起插入孔底。

锚索头部的钢绞线上系一导线，并用绝缘胶布使导线和钢绞线分离绝缘，导线随锚索伸出孔外，并接在万用表的正极上，万用表的负极接到孔外钢绞线上，万用表调至欧姆档，当砂浆注到锚固段尾时，导线和钢绞线通过砂浆形成通路，万用表指针转动，即证明锚固段孔内已经注满砂浆。

其中钢绞线的规格如下：

主要钢绞线规格表

注浆体主要分为：纯水泥浆和水泥砂浆，水灰比宜为0.4～0.45,根据需要掺入部分外加剂，灰砂比为1.0，一般注浆体抗压强度不小于30MPa。水泥应该根据具体情况和设计要求选用，常采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。对永久性锚索，外加剂中不得含有有害性腐蚀性元素。

为了能更好的理解本发明所保护的支护结构，现对该支护结构的具体施工方法作如下详细介绍。

如图1、图2、图3所示，包括如下步骤：

一、施工前准备

(1)进行设备配套，合理组织劳动力，购买质量合格的施工材料；

(2)对张拉千斤顶、高压油泵、压力表作标定，确保其能够满足施工需要，绘制压力表读数—张拉力关系曲线，以指导现场张拉作业；

(3)按设计数量备足材料，钢绞线及锚具抽样作力学性能检测；

(4)安装注浆泵、注浆管。

二、锚索孔定位测量

根据隧道围岩级别和地应力分布情况等参数确定出锚索孔的位置和深度。

三、钻孔

(1)钻机就位，钻机采用现有的RPD-150C隧道矿岩钻机，钻机放置在隧道侧壁下台阶；

(2)钻机就位后，应保持平稳，导杆或立轴与钻杆方向一致，并在同一轴线上，施工中钻头为专用圆柱型钻头；

(3)成孔直径不小于150mm，钻进时采用带D150mm钢套管跟进钻孔，钻孔至锚杆扩大头部分始端时，换用机械扩大头钻至锚固段末；在钻进过程中，合理掌握钻进参数，合理掌握钻进速度，防止埋钻、卡钻等各种孔内事故；一旦发生孔内事故，应争取一切时间尽快处理；

(4)钻孔时要定段检查锚孔前进方向的偏移情况，以便及时采取措施纠正，确保孔位正确，钻孔时要记好钻入孔内的钻杆数量，以便核准钻孔深度，钻至设计深度后用高压风将孔内的岩屑全部清理干净；

(5)钻孔是锚固工程施工中至关重要的一环，如果钻孔速度慢，会直接影响到工程成本和经济效益；如果钻孔质量差，则会影响到锚杆的安装、水泥浆的灌注质量，进而影响到锚杆与水泥浆以及水泥浆与孔壁的粘结力，致使锚杆达不到设计要求，因此，在锚固孔的钻凿过程中，必须严格按设计要求施工，以确保锚固孔成孔质量。

四、锚索编束

(1)由于锚索体长而重，并且只能用人工运送，所以锚索编束作业场地应尽量靠近安装现场，以减小运输的难度；

(2)钢绞线用砂轮机切割，下料长度按锚固段长度+张拉长度+外锚头长度+外留长度计算，锚索编束前，要确保每一根钢绞线排列均匀、平直、不扭不叉，机械损伤及锈蚀严重的应剔出，轻度生锈的要除锈；

(3)锚索锚固段按照设计要求设置对中支架，备好对中支架，然后将钢绞线绑扎在对中支架上，2个对中支架中间须将锚索加以捆绑(须待锚索入锚索孔时再同安放的注浆管一起捆绑)；

(4)锚索编束完后，按桩号对应编号，妥善保管，防止人踩踏或雨淋。

五、安装锚索

(1)按设计要求制作锚索后，安装中使锚索处于钻孔中心，最好保证锚索距离孔壁有不少于1cm的注浆厚度，锚索张拉长度段须抹一层黄油，并密裹塑料布，套塑料软管、扎牢；

(2)安放锚索杆体时，应防止筋体扭曲，注浆管宜随锚索一同放入孔内，管端距孔底为50-100mm，筋体放入角度与钻孔倾角保持一致，安好后使筋体始终处于钻孔中心，锚索孔口外露设计规定的长度以便张拉；

(3)锚孔成孔后要尽快安装锚索，锚索用人工运送，运输过程中要相互照应，防止锚索触地擦伤，锚索穿入锚孔时要逐根接注浆管连同锚索一起插入孔内，锚索插入时要前后照应，相互配合，用力均匀，专人指挥，防止破坏钻孔，锚索未入孔的部分要离开地面，不能在地面上拖行；

(4)若发现孔壁坍塌，应重新透孔、清孔，直至能顺利送入锚索为止。

六、锚固段注浆

(1)注浆管

锚孔全长的注浆管由多节短注浆管连接而成，短注浆管为Φ25mm的钢管，为了便于拆除露出锚孔的注浆管，每节注浆管不宜过长，一般为3m，注浆管从锚索支架中间穿入，随锚索一起插入孔底；

(2)注浆

注浆采用两次注浆，第一次注浆采用常压注浆，注浆压力为0.5～0.8MPa，采用孔底返浆法，当孔口出现溢浆且持续时间不低于5min后(或排气管停止排气),方可停止注浆，砂浆必须饱满密实，注浆完毕后待砂浆凝固收缩后，空口进行补浆；第二次注浆为高压劈裂注浆，待第一次注浆4～5h后、第一次注浆形成的水泥结石体强度达到5MPa后进行，采用M35纯水泥砂浆对锚固段进行劈裂注浆，注浆压力不小于2.0MPa；

(3)锚固段注浆质量检测

安装锚索时在锚固段尾部钢绞线上系一导线，并用绝缘胶布使导线和钢绞线分离绝缘，导线随锚索伸出孔外接在万用表的正极上，万用表的负极接到孔外钢绞线上，万用表调至欧姆档，当砂浆注到锚固段尾时，导线和钢绞线通过砂浆形成通路，万用表指针转动，即证明锚固段孔内已经注满砂浆。另外，将计算锚固段所需砂浆量和实际注浆量进行比较来确定锚固段注浆量。

七、安装钢垫板

钢垫板采用300mm×600mm×40mm的钢板，钢垫板与拱架焊接牢固。

八、张拉锁定

(1)当浆液强度达到70％后，即可进行张拉，单根钢绞线张拉用ZEP18型千斤顶，成束张拉用YCW100-200型千斤顶，其张拉力为1000kN，张拉行程200mm，工作油压50MPa，穿心直径160mm。高压油泵额定油压为50MPa，油表配用电压力为50MPa，精度1.5级。

(2)在成束张拉作业前，先用ZPE18型千斤顶对钢绞线分别进行单根张拉，张拉至5％的设计张拉力，使钢绞线受力均匀。锚索正式张拉前，取10％-20％设计轴力预张拉1-2次，使其各部位接触紧密，锚索完全平直。锚索张拉分6级进行，即按张拉力的10％、20％、50％、75％、100％及110％，逐级施加预应力，除最后两级各需稳压15min外，其余各级每次稳压5min，逐级记录预应力锚索的伸长值。2根锚索并排时，应同时张拉，先对2根锚索进行预紧，然后轮流按上述6级，逐级施加预应力。当最后一级稳压过后，暂时锁定锚索。

(3)由于钢绞线松弛、岩体蠕变，会引起预应力损失，张拉采用二次逐级张拉，具体如下：

第一次张拉在支护后、下一步施工步序开始前进行张拉，张拉值应为总张拉力的70％，两次张拉间隔时间不宜少于3～5d。第二次张拉应在二衬施做前，张拉力稳定后，可锁定锚索。总张拉力应包括超张拉力值，超张拉力值宜为10％～15％。张拉应待孔内砂浆达到设计强度的70％后方可进行，张拉中应对锚索伸长及受力情况作好记录，核实伸长与受力值的相符性。

张拉千斤顶的顶力控制采用两种方法，第一种方法是用千斤顶的油压表来控制，用部分锚索安装的测力计来检查锚索受到的拉力；第二种方法是测量锚索的伸长量来核对张拉力。

(4)锚具宜选用OVM型锚具。锚具底座顶面与钻孔轴线应垂直，确保锚索张拉时千斤顶出力与锚索在同一轴线上。

九、张拉段注浆

张拉段注浆浆液与锚固段相同。从锚具注浆口注浆，排气管排气，直至排气管流出与注入端浓度相同的浆液即可封口；具体操作时，待浆液溢出孔口稳定1-2分钟，方可停止注浆，24小时后还需进行补浆，以确保注浆饱满。

十、封锚

用砂轮切割机从外锚头外5cm处切断钢绞线后，用C25级混凝土封闭锚头。

本发明成功应用于兰渝铁路新城子隧道、毛羽山隧道、罗沙隧道三项工程当中。有效控制了高地应力软弱围岩隧道挤压变形；采用地质钻机套管跟进技术，解决了洞内超长锚索施工难题；研究提出双线小间距软弱围岩隧道超长锚索合理张拉时机，减小了双洞施工相互影响。

新城子隧道位于宕昌县剪子河与临江铺之间，地貌上位于西秦岭高中山区，山高沟深，山坡、谷坡较陡，地面最小高程为1670m，最大高程2381m，相对高差为700m，隧道洞身最大埋深749m，隧道进、出口端均基岩裸露，梁顶植被覆盖较差。

该段围岩为三叠系薄层板岩：灰色，深灰色，夹白色条带，变余泥质、钙质结构，薄层板状构造，两侧层厚1～3cm，中间层厚3～5cm，岩层陡倾于线路右侧，倾角58°，岩体走向与隧道轴向近于平行，受构造影响较重，局部可见揉皱现象，方解石及石英脉发育，岩质较软，层间结合一般，节理、裂隙发育，岩体较破碎—破碎，基岩裂隙水不发育，岩面潮湿，岩体呈层状、碎石状镶嵌结构，设计为Ⅳ级围岩，属于高地应力软弱破碎围岩结构。

在建兰渝铁路毛羽山隧道位于甘肃省宕昌县临江铺乡，为双线隧道，隧道洞身最小埋深74m，最大埋深690m。该段地层岩性为三叠系板岩：灰褐色，夹有灰白色条带，泥质结构，板状构造，大部分板理不清，石质很软，由于受地质构造影响严重，节理发育—很发育，岩体破碎—极破碎，有泥化夹层，呈碎石、角砾状结构，强度低，碎块手可掰开，层间结合差，掌子面有坍塌现象。基岩裂隙水不发育，岩面潮湿。设计为Ⅴ级围岩，高地应力软岩，板状结构。

罗沙隧道位于宕昌县巴山沟与剪子河之间。隧道洞身最大埋深约696m。地处西秦岭高中山区，山高沟深，山坡、谷坡较陡，地面最小高程为1850m，最大高程2610m，相对高差为800m，梁顶植被覆盖较差。隧道进、出口端附近有乡村公路相通，并与212国道在沟口相连，交通较为便利。起讫里程DK259+846～DK267+843，全长7997m。隧道左线进口513.71m位于R＝4500的曲线上，出口440.4m位于R＝4500的曲线上，其余段落位于直线上，隧道内线路自进口分别为12.8‰、13‰、12.8‰的下坡。

隧道洞身通过的地层主要为下第三系砾岩夹砂岩、砂岩夹泥岩夹砾岩、泥岩夹砾岩及砂岩夹泥岩。进口端、沟谷、斜坡及坡顶覆盖有第四系全新统坡积粉质黏土、细角砾土，滑坡堆积碎石土，斜井进口端分布坡积碎石土。全隧道Ⅳ级围岩长7004m，占87.5％；Ⅴ级围岩长997m，占12.5％。多处围岩变更为V级，属于极高地应力状态。

采用本发明，施工方便、快捷，由于高地应力的释放是一个长期的过程，预应力超长扩大头锚索可以对围岩的不断变形起到很好的加固作用，大大减少了初支换拱和二衬返工拆换的作业次数。同时可以避免常规的支护方式所需要的庞大人力和物力，提高了工程进度。

以上对本发明提供的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，包括利用锚索形成的支护结构、初期支护结构，其特征在于：所述支护结构包括开设在围岩上的孔、固定在孔内的锚索、填充在孔内的注浆体，根据锚索所起的作用不同可将其划分为位于深部稳定岩层中的锚固段、位于锚固段和初期支护结构之间的张拉段、位于围岩外面的外锚头，位于锚固段的锚索头部截面尺寸大于锚索其他部位，位于张拉段的锚索被张拉产生预应力，锚索的长度为35-40m。

2.根据权利要求1所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：所述锚索的头部程楔形。

3.根据权利要求2所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：所述锚索以高强钢绞线束组成的杆体，杆体有良好的弹性变形。

4.根据权利要求1所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：锚索处于孔的中心位置，锚索到孔壁的距离大于1cm。

5.根据权利要求4所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：锚固段的锚索捆绑有对中支架。

6.根据权利要求3所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：锚索张拉段的张拉形成为200mm。

7.根据权利要求1所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：位于孔内部的锚索捆绑有注浆管，注浆管管端距离孔底的距离为50-100mm。

8.根据权利要求7所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：注浆管由多节短注浆管连接而成。

9.根据权利要求1所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：钢绞线为Ф15.24mm高强度低松弛预应力钢绞线，锚索分为5层设置，锚索排间距设置为3m。

10.根据权利要求1所述的一种利用超长扩大头锚索对高地应力软弱围岩隧道形成的支护结构，其特征在于：锚索头部的钢绞线上系一导线，并用绝缘胶布使导线和钢绞线分离绝缘，导线随锚索伸出孔外。