王 永 余

(中铁十四局集团二公司，山东 泰安 271000)

“桥式”大锁脚支护装置在膨胀性土层隧道中的应用

王 永 余

(中铁十四局集团二公司，山东 泰安 271000)

简述了传统锁脚方案的缺点，以太兴铁路小河沟隧道为例，介绍了“桥式”大锁脚支护装置在膨胀性土层隧道初期支护中的应用，并分析了“桥式”大锁脚方案的优势，指出采用“桥式”大锁脚方案施工，效果显著，操作方便，有效保证了小河沟隧道的安全施工。

“桥式”大锁脚，隧道，初期支护，膨胀性土层

1 应用背景

1.1 工程简介

太兴铁路小河沟隧道地处黄土丘陵区，为膨胀性黄土双线铁路隧道，全长1 803 m，最大埋深106 m，具有地质条件复杂、浅埋地段薄弱、偏压严重的特点，尤其是膨胀性土质属黄土中极为罕见的地质构造。

1.2 技术背景

我国隧道工程建设中，由于山岭众多，工程地质条件复杂，经常会遇到隧道穿越膨胀性土层的工程问题。膨胀性土层由于其膨胀特性，若初期支护拱架的拱脚不能得到有效约束，隧道经常会出现拱架大变形、初支开裂、围岩失稳等工程难题。

目前在膨胀性土层隧道中大多采用锁脚锚杆或锁脚锚管支护的支护方式约束锁脚，以提高支护强度，但由于膨胀性土层隧道围岩膨胀变形的特殊性，现有的锁脚锚管的支护强度不足，未能起到加固围岩的作用。在台阶转换施工时，易导致隧道初期支护破坏，引起隧道塌方。

2 传统方案

目前在膨胀性土层隧道中初支钢架大多采用锁脚锚杆或锁脚锚管的约束方式。

2.1 锁脚锚杆方案

锁脚锚杆法是在以台阶法或分部开挖法开挖的软弱围岩隧道中沿隧道横向在拱、墙脚部位打设具有一定下插角和数量的锚杆，并将其尾端与钢架(型钢钢架或格栅钢架)牢固焊接，以增强初期支护整体性，充分发挥初期支护的承载能力。

2.2 锁脚锚管方案

在围岩较差的隧道中，可采用锁脚锚管支护的方式，采用无缝钢管并在其壁面钻有交错布置的注浆孔。一方面，利用锚管自身承载能力抑制隧道变形，另一方面，通过锁脚锚管对其周围一定范围内围岩进行注浆加固，提高围岩强度。

2.3 传统方案缺点

传统锁脚方案对支护钢拱架的约束方式主要是通过锚杆(管)的施作将钢拱架和围岩固定，并一定程度上提高拱脚附近围岩强度。但在膨胀性土层隧道中，拱脚附近围岩由于其膨胀特性导致变形较大、强度不足，在围岩应力释放时施加给初期支护的作用力作用下，相对独立的单根钢拱架容易向净空方向产生大变形，引起其两旁的初期喷射混凝土开裂，导致初支破坏，对围岩的支护作用失效。

3 “桥式”大锁脚方案

太兴铁路小河沟隧道是典型的膨胀性土层隧道。为解决隧道台阶法施工过程中台阶转换时易发生初支开裂，钢拱架变形、围岩失稳等危险的难题，太兴项目部邀请专家现场勘测、论证施工方案，并遵循强支护，紧衬砌等隧道施工新理念，创新施工工艺打设“桥式”大锁脚方案。

3.1 “桥式”大锁脚支护装置结构

“桥式”大锁脚支护装置包括带孔型钢、PVC导向管、钢花管和锥形头。

如图1所示，带孔型钢带焊接在两榀钢拱架拱脚之间。型钢采用工字钢，型号为Ⅰ20，其长度等于钢架间距，宽300 mm，厚7 mm；型钢中部设有钢花管的圆孔。

如图2所示，PVC导向管插入型钢中部的圆孔中，外径115 mm，长500 mm，壁厚5 mm。

如图3所示，钢花管通过PVC导向管插入钻孔，钢花管为无缝钢管，长6 000 mm，外径108 mm，壁厚6 mm；钢花管表面按梅花形布置溢浆孔，同一截面上对称分布4个孔眼，溢浆孔孔径8 mm，竖向间距300 mm。

由于钻孔底部有残渣，为了避免钢花管直接与残渣接触，钢花管底上焊有锥形头。钢花管底部焊接锥形头采用钢锥并采用单面满焊接，锥头长300 mm。焊接过程中不得浇水，焊接完后自然冷却。

3.2 “桥式”大锁脚支护装置工作方式

“桥式”大锁脚支护装置具体工作方式如下：

步骤1：

将初支钢拱架按照规定的间距架设完成后，将与钢拱架间距等长的带孔型钢焊接在两榀钢拱架拱脚之间，形成“桥式”大锁脚整体结构；

步骤2：

将PVC导向管插入型钢中间的圆孔中，固定PVC管，并使PVC管外露长度控制在40 mm左右，保证PVC管露出混凝土层，以发挥其导向管作用；

步骤3：

按照规范施作喷射混凝土，喷射混凝土时应使用塑料膜等将PVC导向管的管口覆盖，防止喷射混凝土堵塞PVC管；

步骤4：

以PVC管为导向管，采用冲击锤或土钉机将钢花管击打钻入围岩至设计深度；

步骤5：

注浆。注浆分第一次注浆和第二次注浆。注浆压力约为1.0 MPa～2.0 MPa。

1)一次注浆。

先洗孔，钢花管入孔后，先泵送少量清水，通过注浆管注入孔底，稀释孔底残渣，将泥渣托出，然后进行第一次注浆；注水泥浆：第一次注浆水灰比0.5～0.6水泥浆从孔底向上灌注，利用水泥浆的浮力将钻孔泥浆压出孔外，注浆时注意观察孔口流出浆液的颜色，当流出的浆液为纯水泥浆时，即停止注浆。

2)二次注浆。

第一次注浆浆液初凝时开始进行第二次注浆，采用水灰比0.5～0.6水泥砂浆。

3.3 “桥式”大锁脚方案优点

传统锁脚方案在膨胀性土层隧道中由于隧道围岩膨胀变形的特殊性往往起不到有效的约束钢架的作用，导致出现拱架大变形、初支开裂、围岩失稳等问题。而“桥式”大锁脚方案则是在传统锁脚锚管方案的基础上作出改进，进一步增强了初期支护的整体性。

“桥式”大锁脚支护装置的带孔型钢搭接在中台阶拱脚处两榀拱架之间，形成“桥式”结构，一方面将相邻拱架组合成一个整体，提高拱架的整体性；另一方面使大锁脚所受围岩拉拔力由两榀钢拱架共同承担，提高大锁脚支护强度。大锁脚在喷射混凝土施作完成后安装，同时采用φ108钢花管，大大提高了大锁脚的支撑作用。通过锁脚锚管的注浆作用可以对其周围一定范围内围岩进行加固，另一方面，通过浆液凝结，提高锁脚锚管壁面与围岩的粘结力，增强了锁脚锚管对围岩的锚固作用，提高了锚管的抗拔力，减小了因围岩应力释放施加给初期支护的作用力，一定程度上限制了隧道向净空方向的位移。

“桥式”大锁脚方案，与现有技术相比，将原本相对独立的钢拱架连接成一个整体，在应力重分配的作用下，大大改善了受力环境，提高了对围岩的支护强度，限制了变形。

“桥式”大锁脚方案具有工作效率高、省时省力、施工操作方便、安全可靠、支护强度高的优点，增强锁脚锚管的锚固作用，提高锚管的抗拔力，充分发挥锁脚锚管控制围岩变形的作用，能够适应膨胀性土层围岩的变形规律，大大提高了对围岩的支护强度，有效地控制了膨胀性土层围岩的膨胀变形。

4 施工效果

小河沟隧道初期支护采用“桥式”大锁脚方案施工，其效果显著，工艺简单，操作方便，结构可靠，保证了小河沟隧道的安全、快速施工。

1)将原本相对独立的钢拱架连接成“桥式”整体结构，大大增强了支护强度，充分抑制了隧道向净空方向的位移；

2)钢花管的锚固力和注浆的粘结力增强围岩强度，提高锚固力，保证了围岩稳定性。

5 结语

通过“桥式”大锁脚支护方案，解决了小河沟隧道在穿越膨胀性土层时面临的初支易开裂、钢拱架大变形、围岩易失稳等问题，有效控制了隧道大变形，保证了工程质量和施工安全，提高了施工工效，缩短了施工工期。

总之“桥式”大锁脚支护装置得到了项目部和施工人员的认可，取得了较好的效果，在小河沟隧道工程初支施工中得到了成功的应用；同时也为其他类似工程的施工提供了参考和借鉴。

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[4] 冯丙阳.膨胀性黄土隧道大变形演化特征及支护对策研究[D].济南：山东大学，2014.

The application of “Bridge” big lock feet support device in expansion soil layer tunnel

Wang Yongyu

(TheSecondCompany,ChinaRailway14thBureauGroup,Tai’an271000,China)

This paper briefly described the shortcomings of traditional feet lock scheme, taking Taixing railway Xiaohegou tunnel as an example, introduced the application of “Bridge” lock feet support device in expansive soil layer tunnel initial support, and analyzed the advantages of “Bridge” big feet lock scheme, pointed out that the “Bridge” big lock feet scheme construction had obvious effect, convenient operation, effectively ensured the construction safety of Xiaohegou tunnel.

“Bridge” big lock feet, tunnel, initial support, expansive soil layer

2015-03-04

王永余(1983- )，男，工程师

1009-6825(2015)14-0190-02

U455.7

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