浅析黄土隧道锁脚锚杆施工技术

浅析黄土隧道锁脚锚杆施工技术

摘要本文通过宝鸡至麟游矿区铁路专用线2座隧道施工中锁脚锚杆的应用及效果检验，分析在采用不同方法施工锁脚锚杆（管）时，锁脚锚杆（管）的受力及变形规律，隧道洞顶的下沉及水平收敛，总结出适合黄土隧道围岩初期支护及锁脚锚杆（管）的施作工艺。

关键词黄土隧道锁脚锚杆变形控制

一、概述

锁脚锚杆（管）在近些年的隧道施工中得到了广泛的应用，其结构简单、经济适用、省人力、省物力、施工便捷、能大大提高工作效率，在国内的铁路、公路的隧道施工中应用越来越广。锁脚锚杆（管）主要用于先拱后墙法施工的Ⅳ、Ⅴ围岩隧道中，在上断面开挖初期支护完成后，为了防止围岩软化及下台阶开挖而引起的初期支护的下沉或悬空，下断面开挖前，上部断面钢架施作后，在拱脚处按一定角度打入锚杆（管），并将锚杆（管）的外露部分与钢架焊接，用以增加整体性和承载力。

二、工程应用中出现的问题

宝鸡至麟游矿区铁路专用线全长87Km，为单线铁路，起点为宝鸡二电厂处与宝中铁路接轨，终点为麟游县矿区，全线11座隧道位于DK36 公里至DK83 公里段。

杨坪隧道（起讫里程DK56+239～DK61+284，全长5045m，最大埋深212m）、石咀山隧道（起讫里程DK69+870～DK75+160，全长5290m，最大埋深225m）。该区段构造单元属鄂尔多斯地台西南缘与关中凹陷的结合部位，断裂、褶皱不发育，岩层近水平产出，相对比较稳定，地质构造简单。地层主要为第四系全新统冲洪积粉质黏土，上更新风积新黄土、中更新统风积老黄土、白垩系下统砾岩、泥岩夹砂岩。地形起伏较大，黄土冲沟发育。

本文通过以上两座隧道黄土段的施工，对拱顶下沉和水平收敛进行监控量测、数据分析。总结在黄土地质条件下改变锁脚锚杆的施工角度和锚杆长度对拱顶下沉及水平收敛产生的影响。

黄土段Ⅳ、Ⅴ极围岩采用短台阶法施工，上台阶控制在5m左右，下台阶控制在15m 左右，掌子面据仰拱20m 左右，同时，采用机械配合人工开挖；超前支护采用Φ42 小导管注

浆，初期支护采用Ⅰ16 钢架喷射混凝土；锁脚锚杆用Φ28 螺纹钢，每侧不少于2根，打入角度5°～10°，长度3.5m。

在施工中，通过对监控量测数据分析，发现部分断面拱顶下沉偏大，远远超过设计预留的变形量，出现了初期支护侵入设计二衬空间，必须要进行换拱处理，防止变形过大危及结构安全。量测数据见表1、表2。

三、分析原因、改变施工方法

从施工步骤中的位移场计算结果可以看出：开挖后围岩朝洞内方向移动。上半断面开挖支护后，围岩水平方向的最大位移出现在拱铰上方，垂直方向的移动在拱顶和底边比较明显。下台阶开挖支护后，上半断面围岩的水平方向的位移基本没有变化，因为上半断面开挖后，拱部应力已基本释放，变形基本稳定。

锁脚锚杆的受力分析可以看出，锁脚锚杆以水平方向打入时，受拉力作用，随着锁脚锚杆与水平方向夹角的增大，锁脚锚杆由受拉逐渐变为收压，达到对上部支撑结构的最大支撑效果。同时，锁脚锚杆的最大轴力随着角度的增加逐渐由受拉转为受压。根据锁脚锚杆的受力状况，对锁脚锚杆的打入角度进行调整，锚杆改为Φ42 壁厚4mm 锚管，长度分为3.5m、4m 两种，锚管打入角度定为15°、20°、25°、30°、40°，锚杆分注浆和不注浆；每侧上下台阶锁脚处各打入4 根。

四、锁脚锚杆采用不同方法施做所取得的不同效果

隧道拱顶下沉是反映拱部围岩的稳定性及支护结构的安全性。在隧道施工中，拱顶下沉式洞内位移监测的主要内容，根据锁脚锚管的不同打入角度、不同长度，量测拱顶下沉值及收敛值。

量测选用测点贴反光膜全站仪无尺量测法，全站仪使用徕卡TCR802。在隧道拱顶设下沉观测点一个，在齐拱线、边墙中部各设一条水平收敛基线。部分断面拱顶下沉及水平收敛的量测数据见表3、表4。

量测数据显示，当锁脚锚管的打入角度为15°～30°时，拱顶下沉量随锁脚锚管角度的增加而逐渐增大；当锁脚锚管打入角度在30°～40°时，拱顶下沉量随锁脚锚管打入角度的增加而逐渐减小。锚管长度为4m 时比3.5m时拱顶下沉量小。

量测数据显示，随着锁脚锚管打入角度的增大，隧道净空收敛量也逐渐增加，根据量测数据推断，当锁脚锚管以0°打入时隧道净空收敛值最小。锚管长度为4m 时比长度为3.5m 时收敛值小。

根据采用不同角度打入锁脚锚管量测得到的多组数据分析，小角度打入时能较好的控制水平收敛变形，大角度打入时能较好的控制拱顶下沉变形。经过仔细的数据分析，确定每侧上下断面使用4 根锁脚锚管的打入角度分别为：靠上2 根打入角度控制在10°～15°、靠下2 根打入角度控制在30°～35°。经过后期的施作数据量测显示，采用此种角度打入锁脚锚管对隧道净空拱顶下沉和水平收敛的控制效果显著。

同时，经过多组量测数据分析得出，上台阶面开挖支护后，上半断面拱铰处出现围岩应力集中，在拱顶及开挖底边，应力释放较多，由于底边没有支护结构，约束比拱顶要少，其地应力释放充分。下台阶面开挖支护后，整个隧道周边应力分布明显改善，上半断面拱铰处的应力集中的应力集中消失。最大主应力的最大值出现在拱铰周围。经过锁脚锚杆的对拱架的锚固作用，能较好地解决净空的变形量。

经过多次的施工检验，确定了锁脚锚管的打入角度，按照确定的锚管打入角度，再对打入的锚杆管进行注浆。Φ42 锁脚锚管进行注浆处理后，锚管的刚度有较大的提升，同时也增加了锚管和围岩的黏结。多组量测数据显示，注浆后的锁脚锚杆焊接到钢拱架上，对隧道净空拱顶下沉和水平收敛比不注浆时减少20%左右。部分断面量测数据见表5、表6。

五、结束语

隧道围岩在施工开挖过程中的变形可分为三个阶段：急剧变形阶段、缓缓变形阶段、趋于稳定阶段。隧道围岩的变形过程说明，随着隧道断面的开挖，洞周的地应力逐渐释放，当施做初期支护结构后，围岩和支护结构共同受力变形，复合强支结构基本限制了围岩的收敛变形，保证了围岩的稳定。

在用量测数据分析收敛变形速率时，应将10mm/d 和20mm/d作为控制节点，当变形速率达到10mm/d 应提供观测密度，派专人不间断观察观测；如若变形速率进一步加大应考虑加强支护；当变形速率达到20mm/d 时，应立即停止施工检查失稳原。

对于深埋的黄土隧道，在施工过程中，超前支护尤其对于拱顶和拱角处应予以加强，并在施工中加强监控量测；应尽可能早地施作仰拱，减轻隧道底部的隆起，防止边墙底部混凝土开裂；为了减轻拱角处的应力集中现象，拱铰和仰拱之间应采用一段圆弧连接；在弱围岩隧道施工时，加强锁脚锚杆，并对锁脚锚杆的打入角度进行调整能有效的控制净空下沉及收敛变形；对锁脚锚管进行注浆处理，加强了锚管的刚度，增大了锚管和围岩的黏结，对拱顶下沉和水平收敛有较好的控制效果；在隧道渗水地段施工时，由于水的浸泡，造成基地软化，可采用混凝土预制块（300mm×300mm×150mm）对拱架进行支垫，以阻止钢拱架下沉。实践证明，在有渗水的黄土隧道，使用混凝土预制块对钢拱架进行支垫，有较好的抑制钢拱架下沉的效果。