CN112459815A - 预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，包括以下步骤：S100跟随隧道开挖进展，每掘进设定距离的隧道段，即对隧道的新掘进段的拱顶和侧壁喷设速凝水泥砂浆；S200在喷设了速凝水泥砂浆的隧道拱顶和侧壁打设锚杆；S300在打设锚杆后，向隧道拱顶和侧壁喷混凝土。本发明的方法，在施工掘进设定距离时，对新掘出的隧道段的拱顶与侧壁进行三步支护处理：先在拱顶与侧壁上喷速凝水泥砂浆；再进行打孔安装锚杆，并对锚杆安装深度区域进行内部注浆加固；最后注浆完毕向拱顶与侧壁表面上喷混凝土加固。采用该方法可以避免富水软弱破碎围岩隧道在做支护措施的过程中发生安全事故，保障隧道施工的顺利进行，提高施工安全性。

Description

预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法

技术领域

本发明涉及隧道工程施工技术领域，特别涉及一种预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法。

背景技术

隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的构筑物。隧道开挖后，围岩将会发生应力、应变重新分布。目前，应用岩体力学理论，利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形，使围岩自身成为受力支护体系的组成部分，并通过监控量测来指导隧道施工的方法。锚杆支护在隧道施工中起到了至关重要的作用，依靠系统锚杆对围岩的整体加固作用，使围岩在一定深度范围内形成拱形承载结构，充分发挥围岩岩体抗压强度高的特点，发挥围岩的自承能力，有效地控制隧道变形，防止坍塌的发生。

铁路隧道初期支护目前基本为拱顶中空锚杆、边墙砂浆锚杆布置，拱顶中空锚杆是在浆体凝固后，通后锚杆体防止围岩滑动、错动、塑性变形。外加预力应使松动圈能及早形成自稳能力的预应力锚杆支护，越来越得到重视和运用。

但是，当隧道修建项目遇到富水软弱破碎围岩时，由于围岩松软破碎等强度较低，若直接在隧道内部按照传统方法打入锚杆，隧道围岩变形量很大，反而容易导致围岩不稳，危及施工安全。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，包括以下步骤：

S100跟随隧道开挖进展，每掘进设定距离的隧道段，即对隧道的新掘进段的拱顶和侧壁喷设速凝水泥砂浆；

S200在喷设了速凝水泥砂浆的隧道拱顶和侧壁打设锚杆与注浆；

S300在打设锚杆与注浆后，向隧道拱顶和侧壁喷混凝土。

可选的，在S200步骤中，打设锚杆与注浆的过程如下：

每个掘进段，先自上而下从隧道的拱顶到侧壁进行钻孔，并采用钻杆反复抽插注水或者采用高压风机进行孔内清理；

再向清理后的孔内插入前端带有涨壳锚固件的锚杆，锚杆插入后将涨壳锚固件张开；

在同一掘进段的锚杆都插入安装完毕后，对该掘进段的各锚杆位置统一进行低压注浆。

可选的，所述锚杆包括锚杆体、涨壳锚固件和承压板，所述锚杆体为设有外螺纹的中空式管状，所述涨壳锚固件与锚杆体的前部插入端固定连接，所述承压板套设在锚杆体的尾部外露端，在锚杆体的尾部外露端以螺母防止承压板脱落；所述锚杆体前部插入端不少于锚杆体一半长度设置有多个径向通孔，所述多个径向通孔绕锚杆体周向间隔布置；所述锚杆体未设径向通孔段的外表面设置排气管。

可选的，所述低压注浆包括：

采用浆液的水泥与细砂比控制在1:1，采用的注浆压力为0.5～1MPa，注浆时，根据注浆效果及时调整注浆参数，对每一隧道段的预应力锚杆的注浆浆液均取样做抗压强度试验，并要求在进行张拉时，混凝土的强度符合设计要求；

每一隧道段注浆作业连续进行，若注浆过程中有中断，必须将注浆管用清水清洗干净后再停止注浆，停止注浆时间内剩余浆液需要持续搅拌避免堵管；

锚杆注浆完毕后，需用锚固剂或木塞将注浆口进行封堵，避免浆液外流和/或者影响注浆质量。

可选的，在隧道施工前，隧道项目地进行地质调查，根据地质调查和隧道设计建立富水软弱破碎围岩隧道模型，通过模型进行围岩应力分析，确定锚杆设置密度与注浆方案，并对锚杆进行抗拔分析。

可选的，在隧道挖掘时，将隧道断面由上至下分成多个台阶层级，同一掘进段按照由上至下的台阶层级顺序进行挖掘，每一个台阶层级在掘进设定距离后，即对该台阶层级的隧道开挖面按照S100、S200和S300步骤进行加固。

可选的，在隧道挖掘时，将隧道断面由上至下分成多个台阶层级，采用由上至下每个台阶层级对应由前至后保持设定挖掘距离错位的方式，各台阶层级同步进行掘进；其中S100和S200步骤跟随各台阶层级进行，S300步骤在同一掘进段由上至下全部层级挖掘完成并设置锚杆后统一进行。

可选的，所述锚杆进行抗拔分析，假定锚固区边界不受其他外力作用，则将锚杆的受力简化为弹性力学半平面体受集中力作用的模型，根据布辛涅斯克近似原理，在设计拉力F的作用下，锚杆的锚固区边正应力为：

上式中，σ_F表示锚杆的锚固区边正应力，单位为m；l表示锚杆锚固长度；单位为m；u表示泊松比；C表示围岩的黏聚力；w表示围岩重度；h表示锚固体插入围岩的深度，单位为m；θ表示围岩的摩擦角度；

若σ_F<F时，表示锚杆设置不符合要求；若σ_F≥F时，表示锚杆设置符合要求。

可选的，根据锚杆插入隧道围岩的位置和方向，通过模型分析对不同位置的锚杆选用不同的截面尺寸，所述锚杆的截面面积通过以下过程确定：

先采用以下公式计算抗剪切强度所需要的锚杆的截面面积：

上式中，A_i剪表示第i根锚杆抗剪切强度所需要的截面面积，单位为m²；K表示锚杆的安全系数，取值范围为1.1-1.5；σ_垂表示第i根锚杆所在位置围岩的垂直应力；τ_剪表示锚杆允许的剪应力，单位为Pa；α表示第i根锚杆的设置方向与水平面的角度；

再采用以下公式计算抗拉强度所需要的锚杆的截面面积：

上式中，A_i拉表示第i根锚杆抗拉强度所需要的截面面积，单位为m²；K表示锚杆的安全系数，取值范围为1.1-1.5；σ_垂表示第i根锚杆所在位置围岩的垂直应力；τ_拉表示锚杆的抗拉强度，单位为Pa；α表示第i根锚杆的设置方向与水平面的角度；

最后比较A_i剪与A_i拉，取两者中较大的作为第i根锚杆的截面面积。

可选的，根据莫尔一库仑破坏准则，采用以下公式计算喷设速凝水泥砂浆的厚度：

上式中，d表示喷设速凝水泥砂浆的厚度；K₁表示速凝水泥砂浆的安全系数；σ_岩表示隧道壁围岩的自重应力；R表示隧道宽度；τ_浆表示速凝水泥砂浆的抗压强度；h_隧表示隧道的高度；δ表示速凝水泥砂浆的弹性系数；

在进行速凝水泥砂浆喷设时控制实际喷设厚度不小于计算出的厚度d。

本发明的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，在施工掘进设定距离时，对新掘出的隧道段的拱顶与侧壁进行支护处理，支护处理步骤是先在拱顶与侧壁上喷速凝水泥砂浆，让隧道表面围岩有一定程度的加固，以避免直接打孔安装锚杆时导致围岩失稳；再进行打孔安装锚杆，然后对锚杆安装深度区域进行内部注浆加固；注浆完毕向拱顶与侧壁表面上喷混凝土加固。采用该方法可以避免富水软弱破碎围岩隧道在做支护措施的过程中发生安全事故，保障隧道施工的顺利进行，提高施工安全性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法流程图；

图2为本发明预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法实施例采用的锚杆结构示意图；

图3为某隧道项目采用本发明的方法进行施工的实施例流程图。

图中：1-锚杆体、2-涨壳锚固件，3-承压板，4-螺母，5-垫圈，6-排气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，包括以下步骤：

S100跟随隧道开挖进展，每掘进设定距离的隧道段，即对隧道的新掘进段的拱顶和侧壁喷设速凝水泥砂浆；

S200在喷设了速凝水泥砂浆的隧道拱顶和侧壁打设锚杆与注浆；

S300在打设锚杆与注浆后，向隧道拱顶和侧壁喷混凝土。

上述技术方案的工作原理为：本发明的方法，在施工掘进设定距离时，对新掘出的隧道段的拱顶与侧壁进行支护处理，支护处理步骤是先在拱顶与侧壁上喷速凝水泥砂浆，让隧道表面围岩有一定程度的加固，以避免直接打孔安装锚杆时导致围岩失稳；再进行打孔安装锚杆，然后对锚杆安装深度区域进行内部注浆加固；注浆完毕向拱顶与侧壁表面上喷混凝土加固。

上述技术方案的有益效果为：采用该方法可以避免富水软弱破碎围岩隧道在做支护措施的过程中发生安全事故，保障隧道施工的顺利进行，提高施工安全性。

在一个实施例中，在S200步骤中，打设锚杆与注浆的过程如下：

每个掘进段，先自上而下从隧道的拱顶到侧壁进行钻孔，并采用钻杆反复抽插注水或者采用高压风机进行孔内清理；

再向清理后的孔内插入前端带有涨壳锚固件的锚杆，锚杆插入后将涨壳锚固件张开；

在同一掘进段的锚杆都插入安装完毕后，对该掘进段的各锚杆位置统一进行低压注浆。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案提供了一种可实的打设锚杆与注浆操作过程，在隧道壁面钻孔时采用自上而下的顺序，由拱顶开始，逐步向下至侧壁底部，钻孔后进行孔内清理，避免杂物影响插入锚杆，提高插入锚杆的效率；锚杆在插入端设有涨壳锚固件，插入后将涨壳锚固件张开，以增大锚杆的牢固性和抗拉力；在同一掘进段的锚杆都插入安装完毕后，统一进行低压注浆，以提高施工效率，加速施工速度。

在一个实施例中，如图2所示，所述锚杆包括锚杆体1、涨壳锚固件2和承压板3，所述锚杆体1为设有外螺纹的中空式管状，所述涨壳锚固件2与锚杆体1的前部插入端固定连接，所述承压板3套设在锚杆体1的尾部外露端，在锚杆体1的尾部外露端以螺母4和垫圈5防止承压板4脱落；所述锚杆体1前部插入端不少于锚杆体1一半长度设置有多个径向通孔，所述多个径向通孔绕锚杆体1周向间隔布置；所述锚杆体1未设径向通孔段的外表面设置排气管6；锚杆采用金属材料钢制。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对发明方法笑提供了一种锚杆结构形式，采用的锚杆在插入端固定连接有涨壳锚固件，使用时在插入后将涨壳锚固件张开，以增大锚杆的牢固性和抗拉力；在锚杆体的尾部外露端套设承压板，承压板可以是圆形或者多边形等任意形状，承压板外侧以螺母固定，让承压板紧贴隧道的拱顶或者侧壁且对其具有一定的压力，承压板增加了锚杆对隧道的拱顶或者侧壁加固作用范围，提高支护的牢固性和安全性；采用这种锚杆结构可以降低锚杆钻孔设置密度，减少钻孔对隧道围岩的不利影响。

在一个实施例中，所述低压注浆包括：

采用浆液的水泥与细砂比控制在1:1，采用的注浆压力为0.5～1MPa，注浆时，根据注浆效果及时调整注浆参数，对每一隧道段的预应力锚杆的注浆浆液均取样做抗压强度试验，并要求在进行张拉时，混凝土的强度符合设计要求；

每一隧道段注浆作业连续进行，若注浆过程中有中断，必须将注浆管用清水清洗干净后再停止注浆，停止注浆时间内剩余浆液需要持续搅拌避免堵管；

锚杆注浆完毕后，需用锚固剂或木塞将注浆口进行封堵，避免浆液外流和/或者影响注浆质量。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用水泥与细砂比控制在1:1的浆液进行注浆，采用低压注浆，过程中严格控制注浆压力，避免由于注浆压力过大造成孔内空气无法有效排出，注浆不密实，造成支护的质量问题影响安全；用锚固剂或木塞将注浆口进行封堵，避免浆液外流，影响注浆质量。

在一个实施例中，在隧道施工前，隧道项目地进行地质调查，根据地质调查和隧道设计建立富水软弱破碎围岩隧道模型，通过模型进行围岩应力分析，确定锚杆设置密度与注浆方案，并对锚杆进行抗拔分析。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案在施工前根据地质调查和隧道设计建立。富水软弱破碎围岩隧道模型，通过模型进行围岩的应力分析，确定锚杆设置密度与注浆方案，并对锚杆进行抗拔分析，避免锚杆设置密度与注浆方案产符合需要。

在一个实施例中，在隧道挖掘时，将隧道断面由上至下分成多个台阶层级，同一掘进段按照由上至下的台阶层级顺序进行挖掘，每一个台阶层级在掘进设定距离后，即对该台阶层级的隧道开挖面按照S100、S200和S300步骤进行加固。

上述技术方案的工作原理为：本方案对隧道挖掘施工采用台阶法，围岩加强也同样分台阶层级进行，台阶层级的数量可以根据隧道的设计高度确定，可以分为2个、3个或者4个甚至更多台阶层级，最上面一个台阶层级的高度要考虑具有必要的挖掘工作空间，可以每个台阶层级都以同样高度划分(例如2m)，也可以最上面一个台阶层级的高度比下面其他台阶层级的高度更大，例如最上面一个台阶层级的高度设为2.5m，下面其他各台阶层级的高度设为1.8m。

上述技术方案的有益效果为：采用台阶法，可以使得暴露未进行加固措施的新掘进围岩面积较小，有利于维护富水软弱破碎围岩的稳定，降低风险，提高施工安全性。

在一个实施例中，在隧道挖掘时，将隧道断面由上至下分成多个台阶层级，采用由上至下每个台阶层级对应由前至后保持设定挖掘距离错位的方式，各台阶层级同步进行掘进；其中S100和S200步骤跟随各台阶层级进行，S300步骤在同一掘进段由上至下全部层级挖掘完成并设置锚杆后统一进行。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案对隧道挖掘施工采用台阶法，围岩加强也同样分台阶层级进行，台阶层级的数量可以根据隧道的设计高度确定，采用由上至下每个台阶层级对应由前至后保持设定挖掘距离错位的方式，各台阶层级同步进行掘进；由于相邻的台阶层级有一个前后错位，同一时间施工面不发生交叉，因此同步进行掘进有利于加速施工速度，缩短施工工期；在相邻下一个台阶层级的掘进位置还未到达时，相邻上一台阶层级先进行喷设速凝水泥砂浆、打设锚杆支护，等到最底部的台阶层级打设锚杆支护，统一对该隧道段各个台阶层级的锚杆安装位置进行内部注浆，在保障安全性的情况下，提高注浆效率。

在一个实施例中，所述锚杆进行抗拔分析，假定锚固区边界不受其他外力作用，则将锚杆的受力简化为弹性力学半平面体受集中力作用的模型，根据布辛涅斯克近似原理，在设计拉力F的作用下，锚杆的锚固区边正应力为：

上式中，σ_F表示锚杆的锚固区边正应力，单位为m；l表示锚杆锚固长度；单位为m；u表示泊松比；C表示围岩的黏聚力；w表示围岩重度；h表示锚固体插入围岩的深度，单位为m；θ表示围岩的摩擦角度；

若σ_F<F时，表示锚杆设置不符合要求；若σ_F≥F时，表示锚杆设置符合要求。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：在分析中引用布辛涅斯克近似(Boussinesq)理论，该理论对于密度变化不是很大的变密度流动，有一个重要的近似假定，可使问题的求解得到很大的简化，又能较真实地反映流动过程，布辛涅斯克近似认为，密度的变化并不显著改变流体的性质，即粘滞性等等保持不变；同时在动量守恒中，密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可忽略不计，而仅考虑对质量力项的影响；采用该分析方法简化锚杆的锚固区边正应力计算，采用经计算符合要求的锚杆设置；该方案可以避免定性分析的指导力不足情况。

在一个实施例中，根据锚杆插入隧道围岩的位置和方向，通过模型分析对不同位置的锚杆选用不同的截面尺寸，所述锚杆的截面面积通过以下过程确定：

先采用以下公式计算抗剪切强度所需要的锚杆的截面面积：

上式中，A_i剪表示第i根锚杆抗剪切强度所需要的截面面积，单位为m²；K表示锚杆的安全系数，取值范围为1.1-1.5；σ_垂表示第i根锚杆所在位置围岩的垂直应力；τ_剪表示锚杆允许的剪应力，单位为Pa；α表示第i根锚杆的设置方向与水平面的角度；

再采用以下公式计算抗拉强度所需要的锚杆的截面面积：

上式中，A_i拉表示第i根锚杆抗拉强度所需要的截面面积，单位为m²；K表示锚杆的安全系数，取值范围为1.1-1.5；σ_垂表示第i根锚杆所在位置围岩的垂直应力；τ_拉表示锚杆的抗拉强度，单位为Pa；α表示第i根锚杆的设置方向与水平面的角度；

最后比较A_i剪与A_i拉，取两者中较大的作为第i根锚杆的截面面积。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案通过模型分析，分别以式计算抗拉与抗剪切力对锚杆的截面面积的需求，取两者中的较大值作为锚杆截面面积的选定标准，可精确选定合适的锚杆，避免锚杆截面过小降低支护质量与安全性，又避免选用的锚杆截面过大增加施工难度、浪费材料以及增加成本。

在一个实施例中，在模型分析中，根据莫尔一库仑破坏准则，采用以下公式计算喷设速凝水泥砂浆的厚度：

上式中，d表示喷设速凝水泥砂浆的厚度；K₁表示速凝水泥砂浆的安全系数；σ_岩表示隧道壁围岩的自重应力；R表示隧道宽度；τ_浆表示速凝水泥砂浆的抗压强度；h_隧表示隧道的高度；δ表示速凝水泥砂浆的弹性系数；

在进行速凝水泥砂浆喷设时控制实际喷设厚度不小于计算出的厚度d。

上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案引入莫尔一库仑破坏准则对速凝水泥砂浆的厚度需求进行分析与计算，莫尔一库仑破坏准则认为当任一平面上的剪应力等于材料的抗剪强度时该点就发生破坏，以上述公式计算得到合适的速凝水泥砂浆的厚度，在喷设时进行相应的厚度控制；该方案可以在保证初始支护安全性的基础上，节省材料消耗，对施工过程有较好的定量指导性。

下面以某隧道项目为例来对本发明的方法进一步解释说明，如图3所示，其掘进顺序为开挖台架就位——上下台阶钻孔——上下台阶爆破——上下台阶扒碴，上下台阶分别同步支护，上台阶支护顺序为：上台阶初喷——上台阶锚杆、立架——上台阶喷混凝土，下台阶支护顺序为：出碴——下台阶初喷——下台阶锚杆、立架——下台阶喷混凝土。该项采用本发明的方法，将隧道以高度划分为多个台阶层级，各台阶层级由上至下相邻层级前后错开一个掘进隧道段距离，各台阶层级的施工工作面相互不会发生干扰，采用同步掘进与支护方式，在开挖台架就位后，上下台阶钻孔、爆破及扒碴同时进行，扒碴即清除爆破后的围岩碎块，初喷即指喷设速凝水泥砂浆，如此循环前进，挖掘施工与支护施工同步跟进，即可以保证隧道围岩的稳定和施工中的安全性，又可以加快施工进度，提高施工效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100跟随隧道开挖进展，每掘进设定距离的隧道段，即对隧道的新掘进段的拱顶和侧壁喷设速凝水泥砂浆；

S200在喷设了速凝水泥砂浆的隧道拱顶和侧壁打设锚杆与注浆；

S300在打设锚杆与注浆后，向隧道拱顶和侧壁喷混凝土。

2.根据权利要求1所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，在S200步骤中，打设锚杆与注浆的过程如下：

每个掘进段，先自上而下从隧道的拱顶到侧壁进行钻孔，并采用钻杆反复抽插注水或者采用高压风机进行孔内清理；

再向清理后的孔内插入前端带有涨壳锚固件的锚杆，锚杆插入后将涨壳锚固件张开；

在同一掘进段的锚杆都插入安装完毕后，对该掘进段的各锚杆位置统一进行低压注浆。

3.根据权利要求1所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，所述锚杆包括锚杆体、涨壳锚固件和承压板，所述锚杆体为设有外螺纹的中空式管状，所述涨壳锚固件与锚杆体的前部插入端固定连接，所述承压板套设在锚杆体的尾部外露端，在锚杆体的尾部外露端以螺母防止承压板脱落；所述锚杆体前部插入端不少于锚杆体一半长度设置有多个径向通孔，所述多个径向通孔绕锚杆体周向间隔布置；所述锚杆体未设径向通孔段的外表面设置排气管。

4.根据权利要求2所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，所述低压注浆包括：

采用浆液的水泥与细砂比控制在1:1，采用的注浆压力为0.5～1MPa，注浆时，根据注浆效果及时调整注浆参数，对每一隧道段的预应力锚杆的注浆浆液均取样做抗压强度试验，并要求在进行张拉时，混凝土的强度符合设计要求；

每一隧道段注浆作业连续进行，若注浆过程中有中断，必须将注浆管用清水清洗干净后再停止注浆，停止注浆时间内剩余浆液需要持续搅拌避免堵管；

锚杆注浆完毕后，需用锚固剂或木塞将注浆口进行封堵，避免浆液外流和/或者影响注浆质量。

5.根据权利要求1所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，在隧道施工前，隧道项目地进行地质调查，根据地质调查和隧道设计建立富水软弱破碎围岩隧道模型，通过模型进行围岩应力分析，确定锚杆设置密度与注浆方案，并对锚杆进行抗拔分析。

6.根据权利要求1所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，在隧道挖掘时，将隧道断面由上至下分成多个台阶层级，同一掘进段按照由上至下的台阶层级顺序进行挖掘，每一个台阶层级在掘进设定距离后，即对该台阶层级的隧道开挖面按照S100、S200和S300步骤进行加固。

7.根据权利要求1所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，在隧道挖掘时，将隧道断面由上至下分成多个台阶层级，采用由上至下每个台阶层级对应由前至后保持设定挖掘距离错位的方式，各台阶层级同步进行掘进；其中S100和S200步骤跟随各台阶层级进行，S300步骤在同一掘进段由上至下全部层级挖掘完成并设置锚杆后统一进行。

8.根据权利要求5所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，所述锚杆进行抗拔分析，假定锚固区边界不受其他外力作用，则将锚杆的受力简化为弹性力学半平面体受集中力作用的模型，根据布辛涅斯克近似原理，在设计拉力F的作用下，锚杆的锚固区边正应力为：

上式中，σ_F表示锚杆的锚固区边正应力，单位为m；l表示锚杆锚固长度；单位为m；u表示泊松比；C表示围岩的黏聚力；w表示围岩重度；h表示锚固体插入围岩的深度，单位为m；θ表示围岩的摩擦角度；

若σ_F<F时，表示锚杆设置不符合要求；若σ_F≥F时，表示锚杆设置符合要求。

9.根据权利要求5所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，根据锚杆插入隧道围岩的位置和方向，通过模型分析对不同位置的锚杆选用不同的截面尺寸，所述锚杆的截面面积通过以下过程确定：

先采用以下公式计算抗剪切强度所需要的锚杆的截面面积：

上式中，A_i剪表示第i根锚杆抗剪切强度所需要的截面面积，单位为m²；K表示锚杆的安全系数，取值范围为1.1-1.5；σ_垂表示第i根锚杆所在位置围岩的垂直应力；τ_剪表示锚杆允许的剪应力，单位为Pa；α表示第i根锚杆的设置方向与水平面的角度；

再采用以下公式计算抗拉强度所需要的锚杆的截面面积：

上式中，A_i拉表示第i根锚杆抗拉强度所需要的截面面积，单位为m²；K表示锚杆的安全系数，取值范围为1.1-1.5；σ_垂表示第i根锚杆所在位置围岩的垂直应力；τ_拉表示锚杆的抗拉强度，单位为Pa；α表示第i根锚杆的设置方向与水平面的角度；

最后比较A_i剪与A_i拉，取两者中较大的作为第i根锚杆的截面面积。

10.根据权利要求5所述的预应力锚杆在富水软弱破碎围岩隧道的打设方法，其特征在于，根据莫尔一库仑破坏准则，采用以下公式计算喷设速凝水泥砂浆的厚度：

上式中，d表示喷设速凝水泥砂浆的厚度；K₁表示速凝水泥砂浆的安全系数；σ_岩表示隧道壁围岩的自重应力；R表示隧道宽度；τ_浆表示速凝水泥砂浆的抗压强度；h_隧表示隧道的高度；δ表示速凝水泥砂浆的弹性系数；

在进行速凝水泥砂浆喷设时控制实际喷设厚度不小于计算出的厚度d。

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