浅析TBM隧洞素凝水泥药卷与常规砂浆锚杆施工对比

浅析TBM隧洞素凝水泥药卷与常规砂浆锚杆施工对比
发布时间：2021-12-09T02:27:21.424Z 来源：《全球城市研究》2021年第5期作者：舒晔
[导读] 自1912 年，德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来，锚杆支护以其结构简单，施工方便、成本低和对工程适应性强等特点，在土木工程（包括采矿工程）中得到了广泛应用。

如我国的世纪工程---三峡工程，其大坝施工中使用了大量锚杆（索）维护开挖的边坡、岩壁。

又如我国煤矿开采中，每年新掘的锚喷支护的井巷工程长达2000 km。

中国水利水电第八工程局有限公司湖南长沙 410000
摘要：在块状结构或碎裂结构的岩层中，锚杆能将不稳定岩石吊挂在松动区以外的稳定岩体上，防止岩块掉落。

本文介绍了在新疆XE 工程Ⅵ标一次支护锚杆施工过程中，针对不同地质情况、不同部位采用不同形式锚杆锚固的施工方法，经过实践对比分析素凝水泥药卷锚杆与常规砂浆锚杆的施工特性、强度，为以后类似锚杆施工作为为参考借鉴具有一定的指导意义。

关键词：强度时间曲线；适应能力；施工便捷性
1 前言
自1912 年，德国谢列兹矿最先采用锚杆支护井下巷道以来，锚杆支护以其结构简单，施工方便、成本低和对工程适应性强等特点，在土木工程（包括采矿工程）中得到了广泛应用。

如我国的世纪工程---三峡工程，其大坝施工中使用了大量锚杆（索）维护开挖的边坡、岩壁。

又如我国煤矿开采中，每年新掘的锚喷支护的井巷工程长达2000 km。

在新疆XE工程TBM掘进施工中常用的锚杆有两种，分别为砂浆锚杆与水泥药卷锚杆。

砂浆锚杆常用施工方法有两种：先插杆后注浆，先注浆后插杆，本项目采用先注浆后插杆的工艺进行砂浆锚杆施工，利用注浆机将水泥浆液灌入锚杆孔中，填充、封堵锚杆孔；水泥药卷锚杆以水泥药卷为锚固剂的粘结型锚杆，是锚固剂和锚杆杆体的合称，使用早强型水泥为原料，用特制的袋子灌装成圆筒状，直径与钻孔相仿，安装过程中使用锚杆杆体将药卷匀速的顶入锚杆安装孔，边顶边旋转转动杆体，使药卷水泥在杆体周围均布密实。

2 概述
2.1工程概述
新疆XE工程VI标位于北疆阿勒泰地区，标段主体工程为引水隧洞，全长24.448km（TBM段21.439km；钻爆段2.819km）、5#支洞85.6m、进出口埋涵共190m，临时工程包括R7施工道路7.26km、供水管线10.2km；主洞开挖主要采用1台开敞式TBM施工，分为TBM4-1、TBM4-2两段。

隧洞支护分为两次，一是一次支护稳固岩面，保障开挖安全，二是二次衬砌，保障长久运行安全。

一次支护中锚杆支护为支护中的重点，它关系到是否会产生踏腔、掉块，锚杆的质量对施工安全产生至关重要的影响。

2.1地质情况
工程区位于于阿勒泰褶皱系（I）中部的克兰地槽褶皱带（I3）内，隧洞沿线发育有f34、f36～f41、f72、fl05等11条规模不等的次级断层，断层主要以NE向为主，产状：25°～50° SE（或NW）∠70°～85°，断层性质为张性和右旋压扭性断层为主，断面平直略粗糙，破碎带宽度一般1～3m，个别达10～15m，断层走向与隧洞轴线夹角58～85°，在隧洞内延伸长度短，对洞室稳定有一定影响；其次隧洞段还发育有NW向断层，产状：315°NE∠80°，断面粗糙，起伏，破碎带宽度一般3m，以断层角砾岩、糜棱岩及断层泥，与隧洞轴线夹角17°，在隧洞延伸较长，对洞室稳定影响较大。

工程区地下水类型主要有第四系松散层孔隙潜水、基岩裂隙水两类，未发现有灰岩溶裂隙水出露。

3 锚杆施工设计
3.1、锚杆参数
TBM掘进段锚杆均使用C25螺纹钢作为锚杆杆体，锚杆设垫片、螺母，端头10cm内抽丝设螺纹，锚杆施工均外露10cm。

根据不同围岩情况，设置不同的锚杆参数，其中Ⅱ类围岩设置随机锚杆（存在裂隙、节理处设置）长2m，Ⅲa类围岩设置随机锚杆（存在裂隙、节理处设置）长2.5m，Ⅲb类设置系统锚杆，长3m，单环12-13根（单环13根、双环12根）环向间距20°，排距1.5m；Ⅳ类围岩设置系统锚杆，长
3m，单环12-13根（单环13根、双环12根）环向间距20°，排距1.2m；Ⅴ类围岩设置系统锚杆，长3.5m，单环12-13根（单环13根、双环12根）环向间距20°，排距1.0m，现场根据掌子面岩石强度及其裂隙、节理发育情况判断围岩类别。

3.2、锚杆质量控制
锚杆质量控制主要采取抽检的形式，对锚杆孔的钻孔规格（孔径、孔深和钻孔角度）进行抽查并作记录，砂浆锚杆采用声波物探仪进行砂浆密实度和锚杆长度检测，注浆密实度不得低于75%；采用拉拔力检测仪进行拉拔力检测，拉拔力不低于设计值的90%。

为对比分析砂浆锚杆与药卷锚杆的特性，现场施工随机抽取几组同一部位（相同地质条件下）锚杆施工特性、时间-强度曲线及其质量检查结果。

4 锚杆施工
4.1砂浆锚杆施工
4.1.1、钻孔
钻孔使用TBM掘进机自带锚固钻机，施工过程中严格控制锚杆孔的钻孔位置，其孔位偏差不大于10cm；钻孔的偏斜不得超过2.5%，钻孔之后使用高压水留对孔仔细的冲洗。

4.1.2、注浆
施工中采用先注浆后插杆的施工方法，注浆管要插到孔底，然后退出50～100mm开始注浆，注浆管随砂浆的注入缓慢匀速拔出，使孔内填满砂浆。

注浆机出口注浆压力要达到1.0MPa，输送能力大于0.7m3/h，如遇塌孔或孔壁变形注浆管插不到孔底时，应对锚杆孔进行处理，使注浆管能顺利插到孔底，必要时应补打锚孔。

4.1.3、锚杆安装
锚杆孔注满砂浆后及时插入插杆体，插入困难时可利用机械顶推或风镐冲击。

锚杆端部带有螺纹应注意保护杆体端部的螺纹不被损坏，锚杆体插入后，在孔口处用铁锲固定并封闭孔口。

4.2药卷锚杆施工
钻孔施工与砂浆锚杆无异，钻孔完成后将"药卷"在水中浸泡，保证吸足水泥水化作用的水分。

但不能过久，保证在水泥初凝前使用完毕。

施工时，可配合使用用专用的工具，用锚杆的杆体将"药卷"匀速地顶入锚杆安装孔，边顶边转动杆体（配合使用专用工具时会自动转动），使"药卷"水泥在杆体周围均布密实，但不可过搅。

施工过程中，顶入和转动杆体时，应注意"匀速"。

安装好后，用"铁楔在孔口将杆体固定，并用水泥浆液封闭孔口。

5 锚杆施工效果分析
5.1、砂浆锚杆饱满度检测
锚杆施工完毕三天后进行锚杆饱满度检测，在以往检测检测报告中抽取同一地质情况下（围岩类别相同）不同部位同一角度锚杆及同一部位不同角度锚杆饱满度进行对比分析，以下为饱满度检测结果。

表5.1-1 砂浆锚杆饱满度检测结果
5.2、时间强度曲线
拉拔力检测一般在锚杆施工7-10天进行，但此检测结果为检测锚杆最终是否达到了设计要求，为了验证锚杆锚固起效果的时间，本项目在桩号102+710（Ⅱ类围岩，无裂缝、无渗水）处左、右两侧40°位置各设置一排（10根）试验锚杆，左侧为砂浆锚杆、右侧为药卷锚杆。

分别于锚杆施工完毕后2h、4h、8h、12h、24h、48h、72h、一周、两周、一个月进行拉拔力试验检测，拉拔力检测结果如下表所示。

表5.2-1 拉拔力检测结果统计表
说明：设计抗拉拔力≥177KN
砂浆锚杆与药卷锚杆分析比较
5.1、地层适用性对比
实际施工中系统砂浆锚杆在特殊岩层段（出现渗、涌水）、竖直角度过大的锚杆位置难以控制饱满度，在T4-1段出现渗、涌水段，砂浆无法无法灌入锚杆孔，砂浆随着水流从孔中流出，不具备及时施工条件，需等该段渗、涌水全部自流完以后才能进行砂浆锚杆施工，而支护滞后会带来坍塌、掉块等安全风险，竖直角度过大的锚杆由于重力影响，砂浆会向下流动，出现空腔现象，相比之前药卷锚杆砂浆饱满率在有、无渗水的情况下密实度均能达到设计要求，无过度流出现象发生，且砂浆锚杆将“药卷”顶入锚杆孔中即可。

砂浆锚杆缺点：在有水地段，不能及时支护会带来安全风险。

药卷锚杆优点：对地质环境适应性强，渗水对药卷锚杆影响较小。

5.2、时间强度曲线对比
根据试验锚杆拉拔力试验检测报告可得，砂浆锚杆在施工完毕4h内基本不具备抗拉力，而TBM掘进过程中不可避免会穿越岩层破碎带、裂隙发育带，此种地质条件不及时支护、隧洞发生坍塌、掉块的可能性很大，造成了极大的施工安全隐患，而药卷锚杆抗拉力前面上升块，砂浆锚杆需要3天才能达到设计强度的70%，药卷锚杆只需1天就能达到设计强度的70%，对于围岩破碎地带，能更及时的提供抗拉力，保障围岩稳定性。

5.3、工程量对比
锚固钻机钻孔钻头为ф48，锚杆杆体为ф25，以3m长锚杆为例，单根锚杆砂浆用量为0.00016m3左右，理论上灌注6250根锚杆，砂浆用量为1m3，而注浆机一次拌制放量为0.3m3，而现场锚杆一次不会超过100根，无可避免会造成砂浆的浪费，药卷锚杆随杆体一起安装如锚杆孔中，“药卷”单根长20cm，基本不会存在浪费，利用率较高。

相比之下药卷锚杆的药卷比砂浆利用率高。

5.4经济性对比
根据现市场砂浆与药卷对比，一立方M30砂浆单价仅为4-5百，而1t药卷市场单价为3-4千，一立方砂浆可用于6250根3m长锚杆进行注浆，1t规格ф30*250的锚杆剂只能用于267根3m长锚杆进行锚固，相当于一根药卷锚杆所用锚固剂成本为200根砂浆锚杆砂浆成本。

现场砂浆锚杆施工数量少，浪费较大，利用率底，使用药卷成本也会远远高于使用砂浆成本。

6 结语
通过现场砂使用浆锚杆及药卷锚杆及试验分析结论，我们可以看到砂浆锚杆和药卷锚杆各自的优缺点，而每个工程的基本情况又各有不同，通过对现场地质情况、经济效益等一系列因素综合考虑选择使用哪一种锚杆进行施工，或者两者结合使用：岩层较好、无渗、涌水段使用砂浆锚杆；岩层破碎、裂隙发育段使用药卷锚杆不失为一个好的选择。