中空注浆锚杆在隧道地表加固中的应用

2022-01-26胡明香李文彪

北方交通 2022年1期

关键词：中空拱顶砂浆

高帅，胡明香，李文彪

(1.江西省赣南公路勘察设计院赣州市 341000； 2.赣州水务集团有限责任公司赣州市 341000)

1 概述

近年来，我国隧道建设迅速发展，隧道设计施工经验日益丰富，但对于洞口软岩浅埋段的进洞问题仍未得到较好的解决。因此，研究浅埋条件下不接长隧道明洞而直接进洞的方法，对简化隧道洞口段的施工工艺流程具有重要的现实意义。

当前，针对围岩条件较差的洞口或洞身浅埋、偏压地段，为防止隧道在暗挖过程中发生过大的地表沉降和土体的水平滑移，较好的解决方案是对浅埋隧道的拱顶围岩进行地表加固。

常用的地表加固措施主要有地表砂浆锚杆和地表注浆，然而在实际应用中由于普通砂浆锚杆的局限性，地表砂浆锚杆加固措施往往达不到预期效果。考虑到中空注浆锚杆的优越性，建议采用中空注浆锚杆替代普通砂浆锚杆，并通过有限元模拟进一步说明地表中空注浆锚杆加固措施的优势。

2 地表砂浆锚杆

目前，在地质条件较差的V、VI级软弱和破碎围岩中，当隧道洞口或洞身处于沟谷中的浅埋、偏斜段而无法形成“拱效应”时，为了防止隧道开挖工程中产生过大的地表沉降，确保隧道施工安全及运营期间的结构安全，在隧道暗挖前，多采用地表砂浆锚杆进行地表加固[1]。

地表砂浆锚杆是在暗挖隧道待开挖面上方，沿开挖方向，从地表向拱顶部位，按矩形或梅花形布置竖向锚杆，从而在隧道拱顶上方形成一个加固保护区，以防止隧道开挖时地表沿其滑移面发生沉降的一种预支护方案[2]。

地表砂浆锚杆的作用原理是通过对隧道拱顶围岩进行约束，承担隧道开挖后因岩土体变形所产生的拉应力，从而达到控制地表沉降和土层滑移、防止开挖掌子面发生坍塌的目的[2]。

图1 地表砂浆锚杆加固示意图

根据赣南地区公路隧道设计与施工经验，在隧道洞口或洞身浅埋段，当拱顶地层为V、VI级软弱破碎的全、强风化岩土体或覆盖层，采用地表砂浆锚杆对拱顶地表进行预支护时，其加固效果往往达不到设计预期。

通过综合分析，其主要客观原因有以下几点[4]：

(1)砂浆锚杆是通过围岩变形逐渐发挥支护功能，而无法从根本上改善围岩的物理力学性能，因此对软弱地层的加固效果还不够显著。

(2)在软弱地层中，砂浆锚杆因施工条件差而经常发生塌孔现象，造成施工不便。同时塌孔问题极大地影响和限制了锚杆的顺利安设，导致锚杆施作质量达不到设计要求。

(3)对于V、VI级软弱破碎围岩，砂浆锚杆与围岩的接触条件较差，孔壁无法提供足够的粘结力，造成砂浆锚杆无法充分地发挥加固支护作用。

3 中空注浆锚杆

中空注浆锚杆是一种采用螺纹钢管作为杆体，通过管体注浆且注浆严密，来加固周边岩土体的一种锚杆。与普通砂浆锚杆相比，中空注浆锚杆所具有的独特结构和功能，使其具有更加显著的优势，主要体现在以下几个方面[4]:

(1)与普通砂浆锚杆相比，中空注浆锚杆在注浆时不必拔出注浆管，因此不会造成浆液流失，杆体与围岩的紧密接触保证了锚固力的充分发挥。

(2)中空注浆锚杆采用成套的注浆设备及成熟的注浆工艺，保证了注浆的密实性，解决了砂浆锚杆注浆不饱满的弊端。

(3)中空注浆锚杆将管式杆体作为钻具和注浆管使用，不必在钻孔后拔出，安设方便，从而不再受塌孔的限制，提高了锚杆对软弱破碎围岩的适应性，解决了普通砂浆锚杆因塌孔导致安装不便、施工进度慢、施作质量差的技术难题。

(4)涨壳式中空注浆锚杆可施加预应力，对需要预先提供支护抗力的地层具有较好的适应性。

(5)中空注浆锚杆结合了锚杆和注浆的特点，既具有锚杆的锚固效果，又具有对围岩的注浆加固效果。

4 地表中空注浆锚杆

在浅埋隧道拱顶围岩预支护工程中，由于砂浆锚杆的缺陷和局限性，采用地表砂浆锚杆进行地表加固时，往往达不到预期效果。而中空注浆锚杆作为一种基于普通砂浆锚杆和注浆工艺发展而来的新型锚杆，其结合了锚杆和注浆的优势，突出的特点就是杆体兼具锚杆和注浆的功能，能够发挥锚杆支护以及注浆加固围岩的作用，同时中空注浆锚杆的抗拔性能也要显著地优于普通砂浆锚杆，对软弱破碎围岩具有更好的适应性[3]。

因此，建议对浅埋隧道地表加固措施中的地表砂浆锚杆，当围岩软弱破碎、地质条件较差，应采用中空注浆锚杆替代传统的普通砂浆锚杆进行地表加固。

此外，采用地表中空注浆锚杆，通过杆体注浆，可以对隧道浅埋段岩土体进行局部固结，在一定程度上改良了拱顶岩土体物理性质和防止地表水大量渗入，从而具有一定的地表注浆加固效果。

5 地表加固工程案例

现通过具体的隧道地表加固工程案例，根据有限元模拟和实测数据，来进一步验证和说明地表中空注浆锚杆的加固效果和优越性。

5.1 工程概况

坑背尾隧道左线进出口均位于沟谷之中，沟谷地势平缓，隧道浅埋段较长，最小浅埋厚度仅5m。此外隧道进出口浅埋段地层岩性均为全风化花岗岩，岩体极破碎，岩质软-极软，地质条件差，若开挖不当，极易发生大规模坍塌。

为了控制隧道开挖工程中产生过大的地表沉降和变形，防止开挖掌子面发生大规模坍塌事故，确保隧道施工和运营安全，在暗挖前，采用地表中空注浆锚杆，对隧道浅埋段进行地表加固。锚杆类型采用普通中空注浆锚杆，间距为1.0m，呈梅花形布置，设计图如图2所示。

图2 地表中空注浆锚杆加固设计

5.2 有限元模拟

使用有限元软件PLAXIS，取坑背尾隧道拱顶埋深约7.0m的浅埋段作为计算剖面，分别在无地表加固措施、地表砂浆锚杆加固措施和地表中空注浆锚杆加固措施三种不同开挖条件下的拱顶围岩位移沉降进行有限元模拟计算。

5.2.1无地表加固措施计算结果

根据有限元计算结果，计算剖面在没有地表加固措施的情况下，隧道上、下台阶开挖完成后拱顶围岩最大总位移分别为102mm、104mm，隧道拱顶发生坍塌的可能性极大，见图3、图4。

图3 上台阶开挖完成后隧道拱顶总位移云图

图4 下台阶开挖完成后隧道拱顶总位移云图

根据图5“隧道拱顶地表总位移曲线图”可知，隧道开挖完成后拱顶地表处最大总位移约为0.09m，表明地表产生了很大的沉降变形。

梨花和桃花捧着热火火的骨灰盒，在黑伞下回到各自的拖拉机上，又被突突突地拉回谷村。拖拉机每到一个岔路口，桃花和梨花都要叫几声亡灵，叫他们跟着往这儿走，千万别走错了路，回不了家。梨花喊一声：“妈，回家了！”桃花也跟着喊一声：“方竹，回家了！”梨花在喊过母亲之后，和着桃花的喊声，也在心里喊一声：“哥哥，回家了！”