(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 河南 焦作 454000)

高應(yīng)力軟巖隧道錨桿支護(hù)技術(shù)研究

馬朝超孫伯建張琦

(河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院河南焦作454000)

為了解決高應(yīng)力軟巖隧道圍巖變形嚴(yán)重問(wèn)題，確定合理的支護(hù)體系。對(duì)具體的地質(zhì)情況進(jìn)行了分析，闡述了軟巖隧道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)原則。確定了在不同情況下的支護(hù)形式和參數(shù)。

在隧道內(nèi)布置測(cè)站?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：隧道監(jiān)測(cè)初期支護(hù)體應(yīng)力有一定波動(dòng)，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加而增大，但在50d內(nèi)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，左右拱腰收斂應(yīng)力分布為45MPa和35MPa左右。說(shuō)明此支護(hù)方案效果良好，能夠有效控制圍巖變形。

軟巖隧道；圍巖變形；監(jiān)測(cè)；圍巖控制

一、隧道變形的地質(zhì)特征與危害

發(fā)生大變形的隧道一般具有以下地質(zhì)特征：(1)隧道圍巖條件。發(fā)生大變形的圍巖主要有：①顯著變質(zhì)的巖類，如片巖、千枚巖等；②膨脹性凝灰?guī)r；③軟質(zhì)粘土層和強(qiáng)風(fēng)化的凝灰?guī)r；④凝灰?guī)r和泥巖分互層；⑤泥巖破碎帶和礦化變質(zhì)粘土等。這類圍巖的凝聚強(qiáng)度c值較低，內(nèi)摩擦角值很小，單軸抗壓強(qiáng)度較低。(2)隧道處于高應(yīng)力區(qū)，且大變形地段的隧道一般埋深在100m以上。(3)隧道圍巖的天然含水量大。深埋隧道通過(guò)軟巖和斷層帶時(shí)，在高的地應(yīng)力和富水條件下通常產(chǎn)生大變形。這種隧道圍巖變形量大，而且位移速度也很大，一般可以達(dá)到數(shù)十厘米到數(shù)米，如果不支護(hù)或支護(hù)不當(dāng)，收斂的最終趨勢(shì)是隧道將被完全封死，如果發(fā)生在永久襯砌構(gòu)筑以前，往往表現(xiàn)為初期支護(hù)嚴(yán)重破裂、扭曲，擠出面侵入限界。這種大變形危害巨大，嚴(yán)重影響施工工期或者線路正常運(yùn)營(yíng)，而且整治費(fèi)用高昂。

二、軟巖隧道錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)原則

(一)一次支護(hù)原則。錨桿支護(hù)要避免二次或多次支護(hù)，應(yīng)盡可能一次支護(hù)就能有效控制圍巖變形。這是實(shí)現(xiàn)礦井高效、安全生產(chǎn)的要求，為采礦服務(wù)的巷道和硐室等工程，需要保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，不能經(jīng)常維修；另一方面，這是錨桿支護(hù)本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進(jìn)行錨桿支護(hù)效果最佳，而在已發(fā)生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護(hù)效果會(huì)受到顯著影響。

(二)高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則。預(yù)應(yīng)力是錨桿支護(hù)中的關(guān)鍵因素，是區(qū)別錨桿支護(hù)是被動(dòng)支護(hù)還是主動(dòng)支護(hù)的參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護(hù)才是真正的主動(dòng)支護(hù)，才能充分發(fā)揮錨桿支護(hù)的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預(yù)應(yīng)力；另一方面，通過(guò)托板、鋼帶等構(gòu)件實(shí)現(xiàn)錨桿預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散，擴(kuò)大預(yù)應(yīng)力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

(三)“三高一低”原則。即高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度原則。在提高錨桿強(qiáng)度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強(qiáng)度)、剛度(提高錨桿預(yù)應(yīng)力、全長(zhǎng)錨固)，保證支護(hù)系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護(hù)密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進(jìn)速度。

(四)臨界支護(hù)強(qiáng)度與剛度原則。錨桿支護(hù)系統(tǒng)存在臨界支護(hù)強(qiáng)度和剛度，如果支護(hù)強(qiáng)度與剛度低于臨界值，巷道將長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形和破壞得不到很好的控制。因此，設(shè)計(jì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度應(yīng)高于臨界值。

(五)相互匹配原則。錨桿各構(gòu)件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數(shù)和力學(xué)性能應(yīng)該相互匹配，錨桿與錨索的參數(shù)與力學(xué)性能應(yīng)相互匹配，最大限度地發(fā)揮錨桿支護(hù)的整體支護(hù)作用。

(六)可操作性原則。錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案應(yīng)該有可操作性，有利于施工管理和掘進(jìn)速度的提高。

(七)安全經(jīng)濟(jì)原則。在保證巷道圍巖支護(hù)效果與安全程度，技術(shù)上可行、施工上可操作的條件前提下，盡量做到經(jīng)濟(jì)合理，有利于降低巷道支護(hù)綜合成本。

三、高應(yīng)力軟巖隧道支護(hù)參數(shù)

(一)錨桿支護(hù)參數(shù)。型號(hào)為?20mm×2000mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)的錨桿，匹配150mm×150mm×10mm高強(qiáng)拱形托盤與高強(qiáng)螺母，是配套產(chǎn)品。加長(zhǎng)樹(shù)脂錨固，鉆孔直徑≤30mm，K2335和Z2360各一支用作為錨固劑的規(guī)格，錨桿預(yù)緊力矩不低于300N·m，錨桿錨固力不低于100KN。

輔助支護(hù)：頂板配以鋼筋網(wǎng)作為輔助支護(hù)，鋼筋網(wǎng)采用Ф6mm的鋼筋焊接而成的經(jīng)緯網(wǎng)，經(jīng)緯網(wǎng)網(wǎng)格大小為100mm×100mm，鋼筋網(wǎng)尺寸為2880mm×1100mm，相鄰網(wǎng)搭接約100mm，鐵絲鈕扣聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)距離不大于200mm。

(二)錨索支護(hù)參數(shù)。使用直徑是17.8mm，長(zhǎng)為7300mm，有效長(zhǎng)度7000mm左右的1×7股高強(qiáng)度且低松弛鋼絞線制，錨索一排一根，排距2000mm，并且緊跟掘進(jìn)迎頭來(lái)施工。錨索鉆孔直徑≤30mm，錨索用3卷樹(shù)脂錨固劑錨固型號(hào)分別為一支K2335與兩支Z2360，理論錨固長(zhǎng)度約1400mm左右，并在錨索錨固端1300mm處施加擋圈。用型號(hào)為250mm×250mm×12mm的高強(qiáng)球型錨索托盤，錨索的預(yù)緊力應(yīng)該≥200KN。錨索錨固力不低于300KN。

遇地質(zhì)變化較大的地段，錨索長(zhǎng)度可根據(jù)需要調(diào)整，錨索應(yīng)深入穩(wěn)定頂板2～3m。

(三)表面噴漿。設(shè)計(jì)方案中噴射混凝土強(qiáng)度是C20，噴射混凝土配比為：水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2。剛開(kāi)始噴時(shí)可適度減少石子摻量。水灰比為0.4～0.5。原材料按照重量計(jì)，稱量的允許偏差值：水泥和速凝劑均為2%，砂子和石子均為3%。設(shè)計(jì)方案中噴漿厚度為150mm，一次噴射混凝土厚度為50～70mm，并要及時(shí)復(fù)噴，復(fù)噴間隔時(shí)間不得超過(guò)2個(gè)小時(shí)。否則應(yīng)用高壓水重新沖洗受噴面。

四、支護(hù)效果監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)對(duì)隧道斷面支護(hù)應(yīng)力變化曲線及錨桿軸力變化曲線可知，隧道監(jiān)測(cè)初期支護(hù)體應(yīng)力有一定波動(dòng)，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加而增大，但在50d內(nèi)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，左右拱腰收斂應(yīng)力分布為45MPa和35MPa左右。錨桿軸力在監(jiān)測(cè)初期也出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，90d后趨于收斂。對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果圖1為未支護(hù)毛洞拱頂沉降，拱頂沉降值為28cm,圖2為經(jīng)過(guò)錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)后拱頂沉降，降值為21cm，減少7cm。說(shuō)明此支護(hù)方式能夠有效控制隧道圍巖變形，工程實(shí)踐表明，該區(qū)域支護(hù)效果較好，保證了公路隧道車輛安全通行。

圖1 毛洞拱頂沉降量

圖2 錨桿支護(hù)后拱頂沉降量

[1]程盼盼,徐前衛(wèi),朱合華,等.軟弱隧道圍巖拱頂塌方及錨桿支護(hù)效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2016,35(S2):3561-3569.

[2]徐前衛(wèi),朱合華,丁文其,等.軟弱隧道圍巖錨桿支護(hù)效應(yīng)的落門試驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(5):108-113.

[3]鄒育麟,何川,周藝,等.強(qiáng)震區(qū)軟弱破碎千枚巖隧道系統(tǒng)錨桿支護(hù)作用效果分析[J].巖土力學(xué),2013,34(7):2000-2008.

馬朝超(1995-)，男，漢族，河南西平人，河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院交通工程專業(yè)。

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