朱超

（中铁二十四局集团新余工程有限公司 江西新余 338000）

0 前言

新建大理至临沧铁路（以下简称大临铁路）新民隧道位于临沧-勐海花岗岩体西部，处于三江经向构造体系之云县—蚂蚁堆带，经历多次构造变动，构造形迹复杂，岩浆活动、变质作用都相当强烈。隧址岩性为混合花岗岩、花岗岩，花岗岩在成岩过程中及多期构造挤压过程中岩体蚀变。本隧道自开工以来，多次揭示蚀变带、蚀变囊，大部分节理面均存在蚀变现象。蚀变体围岩自稳性差，掉块或滑塌现象严重，在地下水的作用下塌方变形现象尤为突出，严重影响施工安全及进度。为减少施工中的塌方变形病害采取R51自钻式螺旋锚管的施工措施，顺利通过了花岗岩蚀变岩体，确保了施工安全及进度。

1 工程概况

新建大理至临沧铁路站前六标线路全长34km，其中隧道长度28km，主要为单线隧道。新民隧道全长8287m，是本标段重点控制性工程。地质为易风化混合花岗岩。全隧除明洞段采用明挖法施工外，其余各段均按新奥法原理组织施工，分进口工区、斜井工区、出口工区共三个工区4个掌子面组织施工。施工中多次揭示蚀变型花岗岩岩体，据统计新民隧道在近3年的施工过程中共生28次塌方变形换拱病害（其中进口12次、斜井8次、出口8次），影响施工567d（其中进口355d、斜井73d、出口139d），严重影响施工安全及进度。

2 花岗岩蚀变岩体超前预判

通过TSP203超前地质预报，配合超前探孔、加深炮眼、瞬变电磁等地质手段，以掌握掌子面前方围岩情况及花岗岩蚀变岩体位置及规模，根据花岗岩蚀变体分布位置、范围大小以及与隧道的相对关系提前采取R51N自钻式螺旋锚管加固措施。

3 R51N自钻式螺旋锚管简介

R51N自钻式螺旋锚管是一种将钻进、安装、注浆、锚固等施工步骤合而为一的锚管。具有可靠、高效、施工方便的特点[3]。R51N自钻式螺旋锚管由锚管体、钻头、锚管连接套、垫板、螺母、止浆塞组成。特点是采用钻进、注浆、锚固一体化设计，锚管外表面采用全螺纹结构，采用中空管体设计，采用有压注浆，安装方法简便。

4 R51N自钻式螺旋锚管的应用

4.1 R51N自钻式螺旋锚管作为超前支护

新民隧道设计采用φ42超前小导管超前支护，在施工过程中，由于超前支护长度短，支护强度弱，在花岗岩蚀变岩体中掌子面自稳性极差，极易发生塌方，安全风险极高，施工进度缓慢。采用φ89及以上管棚作为超前支护，在钻进过程中漏风，排渣困难，塌孔卡钻频繁，需采用跟管钻进工艺，施工成本高，每循环施作周期长（根据以往施工数据现场每月仅能完成1.5个管棚循环），严重制约施工进度。

根据穿越花岗岩蚀变岩体主要病害情况，采用一个可靠、高效的超前支护加固系统，是解决目前施工难题的关键。通过多方咨询和调研，针对花岗岩蚀变岩体开展了钻进、注浆、支护一体的R51N自钻式螺旋锚管作为超前支护。

每循环R51N自钻式螺旋锚管长度为21m，环向间距0.3m，每环26根，相邻两环搭接5m。R51N自钻式螺旋锚管钻进到位后封孔，采用孔底返浆高压注浆，固结松散岩体（自钻式锚管通过采用止浆塞止浆措施，实现有压注浆，扩大注浆范围，在中等发育裂隙的岩层中注浆扩散范围可达到60～70cm，可在一定程度上改良围岩。注浆宜采用纯水泥浆，水灰比应控制在0.38～0.45，注浆压力一般可达到3.5～5.0MPa）。R51N自钻式螺旋锚管有效解决了在破碎岩体中管棚的效率问题，实现快速施工，同时做到超前预注浆加固松散岩体，封堵地下水的效果，从而保证隧道施工安全，加快施工进度，见表1、图1。

表1 R51N自钻式锚管与φ89管棚参数比较

根据现场实际施工数据统计，施工一环R51N自钻式螺旋锚管加注浆周期为3d左右（单根长21m，每节为3m，施工时间约为2h），比施工一环φ89中管棚周期减少约4d时间，考虑循环搭接可以正常施工16m再施工下一循环，从掌子面开挖的有效施工时间上看是有利的。从超前支护效果看，R51N自钻式螺旋锚管一次支护长度为21m，掌子面每循环开挖为1.6m，超前支护锚管悬挑外露长度只占其总长的7.6%，相比采用小导管超前长度、支护长度、刚度与防止超挖效果更好。

图1 R51N自钻式螺旋锚管超前支护施工

在花岗岩蚀变岩体范围较大区域内，每循环开挖在锚管间隙中配合施作φ42小导管加密处理能有效起到防止拱部大面积掉块或滑塌现象发生，同时能有效控制超挖量，从而减少喷射混凝土量，加快工序循环时间。

自2019年5月份新民隧道进口工区采用R51N自钻式螺旋锚管超前支护以来，在穿越花岗岩蚀变岩层中，每月能施工3个循环R51N自钻式螺旋锚管长度，月进度能达到50m以上，较之前的月进度约29m有很大提升。同时有效防止施工过程中掌子面塌方的发生，确保了施工安全。

图2 R51N自钻式螺旋锚管超前支护施工完成

图3 R51N自钻式螺旋锚管施工后掉块较少

4.2 R51N自钻式螺旋锚管作为锁脚

根据新民隧道已施工段落情况，花岗岩蚀变岩体开挖至仰拱封闭期间，围岩逐渐松裂崩解，松动圈范围可达5m以上，注浆加固钻孔卡钻严重，施工难度大，且原设计长度为3.5m的φ42锁脚锚管位于松动圈内，难以控制初支变形，引起变形侵限，导致施工现场频繁换拱，加大了施工风险。现场根据超前探测和开挖揭示出的花岗岩蚀变段落，采用6～9m的R51N自钻式螺旋锚管作为锁脚锚杆，采用钻进、注浆、锚固一体施工工艺，锚管间采用工字钢连接在初期支护型钢钢架上，联合受力，能有效抑制初期支护变形侵限，确保施工进度。

4.3 R51N自钻式螺旋锚管作为径向加固

2019年5月25日新民隧道进口DK190+445掌子面开挖时，DK190+415～+430段监控量测报警，现场排查发现DK190+415～+430中、下台阶拱架左侧B、C单元连接板处以及C单元范围内发生不同程度开裂现象，裂缝宽度在1～4cm之间，喷设混凝土局部鼓包严重。开裂变形前，监控量测数据无异常，亦未发现初支开裂等异常。

原因分析：DK190+415～+430段初期支护背后局部分布的花岗岩蚀变囊以及蚀变条带发育，遇水软化，局部围岩强度降低，导致应力集中，致使部分初支变形加剧。

处理措施：

（1）暂停掌子面施工，喷射10cm厚C25混凝土封闭掌子面。

（2）监控量测数据稳定后，现场对DK190+415～+430段增设I18工字钢临时横撑，间距为每榀设置。

（3）横撑安设完成后现场对DK190+415～+430段中台阶B单元、下台阶C单元范围采用R51N自钻式锚管（锁住A、B单元连接处），纵向间距1m，采用工字钢连接。同时对此段边墙及拱部增设R51N自钻式锚管进行径向注浆加固，每根长6m，纵向间距1m，环向间距1.2m，梅花形布置。

对于DK190+415～+430段的开裂变形，现场及时采取6m长的R51N自钻式锚管进行径向加固及注浆处理，通过监控量测数据显示，初期支护变形未侵限，及时仰拱封闭成环，尽早施作二次衬砌确保了安全。

采用R51N自钻式螺旋锚管作为径向加固相比传统采用φ42锚管加固优势如下：

（1）加固初期支护背后松动圈范围更广，R51N自钻式螺旋锚管一节3m，最长能12m。传统采用φ42锚管一般加固范围3.5～4m。

（2）加固效率更高，R51N自钻式螺旋锚管机械采用自行式履带，电力驱动，施工角度可任意调整，跟管作业成孔率100%。传统采用钻机钻孔送管，前期准备工作较长（需作业平台，高压风水），且在花岗岩蚀变围岩中钻孔极易引起塌孔，造成后续送管困难，效率较低。

图4 R51N自钻式锚管施工

图5 R51N自钻式锚管间采用工字钢连接

5 施工注意事项

（1）隧道开挖前，采用多种方式的超前地质预报尽可能准确探明掌子面前方情况，以便采取相应的支护措施。

（2）隧道穿越花岗岩蚀变岩体中，工法宜采用三台阶预留核心土开挖，开挖时应尽量采用机械开挖或控制爆破规模，减少对围岩的扰动。

（3）严格要求进行超前支护及超前预注浆，加强对初期支护各环节的质量控制。

（4）加强隧道内拱顶下沉及净空收敛监测，施工中发现异常应尽快采取适当的加固措施，并及时上报以便处理。

（5）当隧道穿越花岗岩蚀变岩体中地下水丰富时，应在蚀变体揭示前钻孔泄水。

（6）初期支护尽早封闭成环，步距紧跟，尽早施作二次衬砌。

6 结论

（1）隧道开挖中，超前支护效果直接关系到掌子面开挖安全，特别在穿越花岗岩蚀变岩体中，如果掌子面上方超前支护不到位，造成掉块严重，极易发生塌方现象。提前做好超前支护措施在穿越花岗岩蚀变岩体中尤为重要。

（2）相比传统中大管棚超前支护，在效率、成本、效果上R51N自钻式螺旋锚管有独特的优势。能在较短的时间内一定范围内加固松散岩体，防止在地下水的作用下形成松动圈，减少安全风险。

（3）在穿越花岗岩蚀变岩体中，隧道开挖后，围岩应力重新分布，引起两侧边墙发生较大的收敛变形，采用R51N自钻式螺旋锚管加长锁脚打入基岩控制初期支护变形，全螺纹结构增加了锚管体与注浆材料的粘接面积从而提高了锚固力，同时锚管间采用工字钢连接在初期支护型钢钢架上，联合受力，能有效防止初期支护出现开裂、变形、挤出等影响施工安全的情况发生。

（4）对花岗岩蚀变岩体初期支护背后松动圈的整体加固，采取R51N自钻式螺旋锚管进行径向加固措施，相比传统小导管加固方式在加固范围及效率上有明显优势，能快速抑制开挖变形，迅速恢复应力平衡，使围岩尽快达到稳定状态。并尽早仰拱封闭成环，确保了安全。