針對(duì)隧道施工中對(duì)加固圍巖,、充分發(fā)揮圍巖自身承載能力方面重視不夠,，致使隧道開(kāi)挖分部較多,、工效低以及軟弱圍巖發(fā)生大變形等問(wèn)題,，通過(guò)對(duì)煤礦行業(yè)主動(dòng)控制變形、國(guó)內(nèi)外主動(dòng)控制變形技術(shù)進(jìn)行調(diào)研和部分鐵路隧道施工實(shí)踐,、研究,，得出如下結(jié)論：

1）在隧道施工中主動(dòng)控制圍巖變形,，可充分發(fā)揮、調(diào)動(dòng)圍巖的自承載作用,；

2）采用主動(dòng)控制圍巖變形技術(shù),，可實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖大斷面機(jī)械化快速施工，解決超大斷面設(shè)計(jì)施工技術(shù)難題,，有效控制高地應(yīng)力軟巖隧道變形,，避免大變形的發(fā)生；

3）錨桿,、錨索以及注漿加固地層等是主動(dòng)控制圍巖變形的關(guān)鍵技術(shù)措施,，必須配置大型機(jī)械設(shè)備，掌握成套施工工藝,，確保錨固的及時(shí)性和有效性,。

1）樹(shù)脂錨桿桿體采用高強(qiáng)度,、高延伸率的熱軋左旋螺紋鋼和精軋連續(xù)螺紋鋼，由鋼廠定制生產(chǎn),，適應(yīng)煤礦巷道地應(yīng)力高,、變形大的特點(diǎn)；

扭矩螺母有阻尼式,、銷(xiāo)釘式（見(jiàn)圖1）和壓片式（見(jiàn)圖2）,； 

圖1  銷(xiāo)釘式扭矩螺母

圖2  壓片式扭矩螺母

錨固劑由樹(shù)脂膠泥和固化劑2部分分隔包裝成卷形，由工廠生產(chǎn),，施工時(shí)裝入錨桿孔混合后3~5 min將錨桿和巖體錨固在一起,，初始錨固力在40 kN以上；

 錨桿端頭采用扭矩螺母和墊片施加預(yù)應(yīng)力,，將鋼筋網(wǎng)片等錨固達(dá)到主動(dòng)支護(hù)的目的,，錨桿端頭設(shè)置讓壓環(huán)，當(dāng)錨桿抗拔力達(dá)到一定程度時(shí),，讓壓環(huán)壓縮變形,，達(dá)到圍巖應(yīng)力釋放的目的。

2）由專(zhuān)業(yè)化加工廠生產(chǎn)錨桿桿體,、鋼筋網(wǎng)片,、菱形金屬網(wǎng)和經(jīng)緯金屬網(wǎng)等(見(jiàn)圖3—6)。桿體專(zhuān)用鋼材、樹(shù)脂錨固劑,、扭矩螺母,、墊片和讓壓環(huán)等統(tǒng)一采購(gòu)； 每批錨桿等成品在出廠前進(jìn)行檢驗(yàn),，合格后簽發(fā)產(chǎn)品合格證,，包裝好后按規(guī)定存儲(chǔ)。

圖3  磨平桿體螺紋

圖4  錨桿滾絲安裝螺母

圖5  錨墊板

圖6  菱形編網(wǎng)

3）采用單體風(fēng)動(dòng)錨桿鉆機(jī)或液壓錨桿鉆機(jī)成孔,、人工插入錨固劑,、鉆孔頂入桿體、氣動(dòng)扳手緊固扭矩螺母的施工工藝,。

巷道爆破開(kāi)挖完成后,，即可安裝鋼筋網(wǎng)片，然后錨桿鉆機(jī)鉆孔,，人工塞入樹(shù)脂錨固劑,，錨桿鉆機(jī)頂入錨桿，氣動(dòng)扳手帶動(dòng)扭矩螺母旋轉(zhuǎn)桿體,，將錨固劑中的樹(shù)脂膠泥和固化劑充分混合,、固化，當(dāng)錨固達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)扭矩螺母中的銷(xiāo)釘脫落,，螺母通過(guò)墊片將鋼筋網(wǎng)錨固于圍巖,。錨桿長(zhǎng)度在3 m左右時(shí)，單根錨桿的施工時(shí)間為7~15 min,。

邊墻錨網(wǎng)和拱部錨網(wǎng)如圖7和圖8所示,。

圖7  邊墻錨網(wǎng)

圖8  拱部錨網(wǎng)

挪威和瑞典是使用噴錨襯砌較早的國(guó)家。

挪威約有長(zhǎng)160 km的干線公路隧道采用噴射混凝土或鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌,；

瑞典的斯德哥爾摩地鐵區(qū)間及地鐵車(chē)站亦大量使用單層錨噴襯砌技術(shù)（如圖9所示）,；

瑞士修建的費(fèi)爾艾那隧道約有97%的支護(hù)都采用單層錨噴襯砌技術(shù)。

圖9  斯德哥爾摩地鐵車(chē)站單層錨噴襯砌結(jié)構(gòu)

日本非常重視錨桿對(duì)圍巖的加固和控制變形的作用,，對(duì)錨桿的施工工藝要求非常嚴(yán)格（如圖10—12所示）,。例如： 為了保證設(shè)置的錨桿位置居中，采用金屬構(gòu)件固定錨桿,，確保錨桿居中和注漿效果,；為了保護(hù)防水板,，在錨頭上設(shè)置泡沫保護(hù)襯墊,，防止防水層被錨頭劃破等。

圖10  錨桿整齊排列,、編號(hào)

圖11  錨桿卡

圖12  錨桿后泡沫保護(hù)蓋

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鐵路隧道主動(dòng)控制變形技術(shù)

2.1.1  漲殼式注漿錨桿穩(wěn)定圍巖機(jī)制

通過(guò)旋緊螺母使錨桿前端漲殼頭漲開(kāi),，與圍巖有效接觸,，給錨桿施加一定的初始張拉力，第一時(shí)間對(duì)圍巖的松弛和變形進(jìn)行約束,；

通過(guò)便捷快速的注漿工序,，使錨桿桿體注漿飽滿，使錨桿與孔壁粘結(jié)牢固,，形成摩擦阻力阻止圍巖發(fā)生位移,；

最終形成應(yīng)力拱效應(yīng)，使圍巖成為承載體而不是施載體,。

2.1.2  漲殼式注漿錨桿工裝及機(jī)具配置

包括三臂鑿巖臺(tái)車(chē),、注漿組合車(chē)、氣動(dòng)扳手,、孔口測(cè)力計(jì),、頻率讀數(shù)儀和錨桿索檢測(cè)儀等。

2.1.3  漲殼式注漿錨桿施工工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

錨桿工序（含鉆孔,、錨桿推送,、施加初始張拉力和注漿等）用時(shí)5 min 左右，是傳統(tǒng)錨桿用時(shí)的1/3,，大大節(jié)約了工序時(shí)間,；

可以施加40 kN 以上的初始張拉力，第一時(shí)間對(duì)圍巖的松弛和變形進(jìn)行約束,；

注漿水灰比控制在0.3～0.4,，注漿壓力控制在0.5～1.2 MPa，能夠確保錨桿桿體注漿飽滿,。

2.3.1  部分鐵路隧道案例

南昆鐵路家竹箐隧道軟巖大變形段采用了8 m長(zhǎng)的系統(tǒng)錨桿加固地層主動(dòng)控制圍巖變形,，輔以改善隧道形狀,、加大邊墻曲率等措施。

蘭武二線烏鞘嶺隧道F7斷層軟巖大變形段采用了長(zhǎng)（6 m）,、短（4 m）錨桿結(jié)合主動(dòng)控制圍巖變形,，輔以雙層初期支護(hù)等措施。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段采用長(zhǎng),、中,、短相結(jié)合的3種錨固體系： 1）長(zhǎng)。預(yù)應(yīng)力錨索,，每側(cè)5根,，縱向間距1.4 m，長(zhǎng)18 m,。2）中,。自進(jìn)式錨桿,，每榀鋼架10根,，作為鎖固錨桿,，長(zhǎng)8 m。3）短,。徑向注漿小導(dǎo)管,，環(huán)縱向間距1.2 m×1.2 m，長(zhǎng)4 m,。

2.3.2  成蘭鐵路隧道工程試驗(yàn)

成蘭鐵路對(duì)軟巖大變形隧道開(kāi)展了系統(tǒng)的科研和現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn),，試驗(yàn)前期主要強(qiáng)調(diào)“先柔后剛”、“先放后抗”,，采取鋼架+噴混凝土支護(hù)措施,，對(duì)于錨桿的變形控制效果認(rèn)識(shí)不足，對(duì)于如何發(fā)揮圍巖承載的針對(duì)性不強(qiáng),。

通過(guò)對(duì)茂縣,、楊家坪、躍龍門(mén)和云吞堡等隧道的研究,、試驗(yàn)后逐步認(rèn)識(shí)到,，隧道開(kāi)挖后圍巖塑性變形破壞是產(chǎn)生圍巖壓力的原因，支護(hù)的目的就是為了限制塑性區(qū)的發(fā)展,，發(fā)揮圍巖自承能力,。支護(hù)措施應(yīng)從如何減少?lài)鷰r塑性破壞出發(fā)，主動(dòng)加固圍巖,，因此課題組提出了變形主動(dòng)控制理念,，形成了“加深地質(zhì)，主動(dòng)控制,，強(qiáng)化錨桿,，工法配合，優(yōu)化工藝”的變形控制施工技術(shù),。

其主動(dòng)控制變形關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下：

1）強(qiáng)化錨桿,，強(qiáng)調(diào)錨桿施工效率及錨固力發(fā)揮的及時(shí)性

①合理選擇錨桿類(lèi)型。

對(duì)于錨桿鉆孔后一定時(shí)間內(nèi)圍巖能夠自穩(wěn),、不會(huì)立刻發(fā)生塌孔縮孔的,，選用普通中空錨桿；

對(duì)于錨桿鉆孔后孔壁易發(fā)生塌孔,、無(wú)法在鉆桿拔出后送入桿體的,，選用自鉆式中空錨桿（見(jiàn)圖15）。中空錨桿從錨固端部返漿,，注漿質(zhì)量容易控制,。

圖15  中空錨桿

②配置專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備,。

人工機(jī)具打設(shè)錨桿，角度受限,，施工進(jìn)度慢,，質(zhì)量不易保證，大變形地段應(yīng)配置高效率的專(zhuān)業(yè)錨桿鉆機(jī)或鑿巖臺(tái)車(chē),，可以實(shí)現(xiàn)全角度錨桿施工,， 8~10 m長(zhǎng)的錨桿施作時(shí)間可控制在10~20 min，現(xiàn)場(chǎng)采用的鉆機(jī)如圖16所示,。

圖16  現(xiàn)場(chǎng)采用的錨桿鉆機(jī)

③優(yōu)化錨桿參數(shù),。

采用地質(zhì)雷達(dá)、聲波測(cè)試法等方法探明松動(dòng)區(qū),，明確不同等級(jí),、不同斷面的隧道圍巖松動(dòng)圈，為確定錨桿參數(shù)提供依據(jù),。

④長(zhǎng)短錨桿結(jié)合,，形成群錨效應(yīng)。

短錨桿施作便捷快速,，用于初期變形控制,，限制淺部圍巖松弛的發(fā)展，為長(zhǎng)錨桿創(chuàng)造施作時(shí)機(jī),；

長(zhǎng)錨桿錨入彈性區(qū),，將組合拱支護(hù)結(jié)構(gòu)懸吊于深部穩(wěn)定巖體，使淺部圍巖和深部圍巖共同作用,，協(xié)調(diào)變形,。

長(zhǎng)短錨桿合理組合，形成群錨效應(yīng),，可以有效限制隧道圍巖的塑性區(qū)發(fā)展,，約束圍巖變形速率，保證隧道施工安全,，見(jiàn)圖17,。

圖17  長(zhǎng)短錨桿結(jié)合

躍龍門(mén)隧道3號(hào)斜井工區(qū)嚴(yán)重變形段，采用雙層支護(hù)+長(zhǎng)短錨桿結(jié)合的措施（見(jiàn)圖18）,，二次支護(hù)施作完成后基本控制了圍巖變形,，圍巖變形最大速率在0.4 mm/d以?xún)?nèi)。

圖18  ３號(hào)斜井工區(qū)支護(hù)情況

在躍龍門(mén)隧道3號(hào)斜井工區(qū)進(jìn)行了不同工程措施控制變形對(duì)比試驗(yàn),，見(jiàn)表1,。從表1可以看出，H175+長(zhǎng)短錨桿結(jié)合的支護(hù)方式,，其變形控制較其他措施更為有效,。

表1  躍龍門(mén)隧道３號(hào)斜井試驗(yàn)段（按正洞斷面）最終變形量控制對(duì)比

⑤快錨固,，早承載。

早期短錨桿可采用藥包水泥,、樹(shù)脂錨固劑等快速錨固盡快形成承載力,；

中后期長(zhǎng)錨桿采用快凝水泥砂漿。

快凝水泥砂漿錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明早強(qiáng)錨桿使邊墻圍巖壓力減小56%,，使拱架拱部應(yīng)力減小36%,，拱頂下沉和邊墻位移分別減小47.2%,、41.8%,。

2）優(yōu)化工法，盡量少分步,，實(shí)現(xiàn)大斷面開(kāi)挖,，盡早封閉仰拱成環(huán)

①掌子面自穩(wěn)性差時(shí)，采用微臺(tái)階施工,，初期支護(hù)盡快封閉成環(huán),。

②掌子面自穩(wěn)性較好時(shí)，采用臺(tái)階法施工,，盡量少分臺(tái)階,，盡可能減少鋼架接頭等工序銜接薄弱環(huán)節(jié)。下臺(tái)階盡量帶仰拱一次開(kāi)挖成型,，初期支護(hù)盡快封閉形成整體,。

躍龍門(mén)隧道開(kāi)挖方法由三臺(tái)階優(yōu)化為二臺(tái)階，減少了開(kāi)挖步數(shù),，減小了對(duì)圍巖的擾動(dòng),，使初期支護(hù)早封閉，控制圍巖壓力和拱架應(yīng)力,，有效控制隧道變形,，同時(shí)還提高了施工進(jìn)度和施工效率，見(jiàn)圖19,。

圖19  三臺(tái)階開(kāi)挖優(yōu)化為二臺(tái)階開(kāi)挖

三臺(tái)階法與二臺(tái)階法施工綜合對(duì)比見(jiàn)表2,。

表2  三臺(tái)階法與二臺(tái)階法施工對(duì)比表

3）優(yōu)化工藝，主動(dòng)控制變形

①優(yōu)化超前支護(hù)布置,。

圍巖在未開(kāi)挖掌子面前已發(fā)生變形,，大變形段尤其如此，因此,，根據(jù)圍巖穩(wěn)定性條件,，擴(kuò)大超前加固的范圍。

②加強(qiáng)鋼架縱向連接,。

大變形段變形發(fā)展迅速,，前后施工鋼架即可能存在較大的變形差異,，通過(guò)加強(qiáng)縱向連接增加其整體性，如圖 20所示,。

圖20  加強(qiáng)鋼架縱向連接

③優(yōu)化鋼架鎖腳,。

大變形段應(yīng)加強(qiáng)鎖腳錨固能力，宜采用樹(shù)脂錨桿等快錨鎖腳,；

將以控制鋼架基腳沉降為主的鎖腳調(diào)整為控制收斂為主,；

在鋼架接頭上下均布置多組鎖腳錨桿。