预应力锚杆在隧洞软岩变形段处理中的应用与施工

陈木林

(中铁二局第二工程有限公司，四川成都610031)

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁三县交界处的雅砻江干流锦屏大河弯上，是雅砻江干流上的重要梯级电站。其上游紧接锦屏一级水电站，下游依次为官地、二滩和桐子林水电站。电站将雅砻江150 km长的大河湾截弯取直，利用四条引水隧洞集中水头引水发电。电站额定水头288 m，共安装八台混流式水轮发电机组，单机容量600 MW，总装机容量4 800 MW，为一低闸、长隧洞、高水头、大容量引水式电站，工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、地下厂房三大部分组成。

引水隧洞共4条，分别为1～4号引水隧洞，平均洞长16.67 km，洞群沿线上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深2 500 m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点。

2 绿泥石片岩变形洞段处理

2.1 绿泥石片岩性能

在隧洞开挖施工中，2号引水隧洞层揭露出约100 m的绿泥石片岩洞段，此洞段其大部分由绿泥石、绿帘石、方解石及少量石英组成。在干燥条件下，完整绿泥石片单轴抗压强度的平均值为38.8 MPa，粘聚力c=13.74 MPa、摩擦角φ=21.43°；但受构造影响，大部分岩体十分破碎、松软，用手即可掰断，同时绿泥石片岩具有较强的软化性，饱和条件下，单轴抗压强度为19.7 MPa，软化系数小于0.5，粘聚力c=4.47 MPa、摩擦角φ=25.26°。总体来说，围岩表现为软、弱、松、散等特点，具有自稳性差、岩石破碎、强度较低和遇水软化等特点，在开挖绿泥石片岩洞段曾发生塌方，属于典型的工程软岩。

2.2 绿泥石片岩变形洞段处理

2.2.1 软岩洞段变形

由于高地应力和围岩自身强度低等因素，绿泥石片岩洞段在开挖支护后发生大面积大变形现象，最大累计变形量达303.57 mm。变形后大部分岩体侵入衬砌混凝土净空，为保证后期衬砌混凝土厚度和洞室净空满足要求，经专家组研究决定对变形洞段进行处理，即扩挖处理。

2.2.2 软岩洞段处理流程

(1)扩挖处理主要分为开挖和支护两部分：在原设计尺寸基础上增大开挖断面尺寸进行开挖并施做系统支护。扩挖主要达到两个要求：一是处理掉侵入衬砌混凝土部分以保证衬砌混凝土厚度及衬砌后净空尺寸，二是加强变形洞段的支护能力。

(2)扩挖处理施工主要流程为：钻爆法进行弱爆破配合机械施工(液压锤)处理侵入净空岩体→找顶出渣→拆除前期钢拱架→初喷CF30纳米钢纤维混凝土及安装新拱架→复喷CF30纳米钢纤维混凝土→施工系统砂浆锚杆，由于围岩自稳性极差，为防止扩挖后洞段的再次变形，在喷锚支护后增设了预应力锚杆、预应力锚索及锚筋桩三种加固支护方式。

2.3 预应力锚杆

2.3.1 概念

预应力锚杆：主要由锚固端(涨壳锚头、砂浆锚固等)、锚杆杆体、进、回浆管、止浆塞、锚杆垫板和螺母6部分组成，在锚固端锚固以后，通过专门的预应力张拉器材，给锚杆施加一定预应力的锚杆称为预应力锚杆。预应力锚杆可分多种型号，本文中预应力锚杆杆体为普通螺纹钢筋，型号L=9 m、φ=32 mm、T=120 kN，采用砂浆锚固端头和普通水泥砂浆注浆。

2.3.2 施工布置方式

预应力锚杆在隧洞左右两侧各布置一排，间距1m，在前期开挖过程中发生塌方的部位用预应力锚索取代预应力锚杆，拱脚布置锚筋桩，三种加固形式支护既加强上半断面的支护效果，同时在下半断面开挖时，保证上半洞段洞室整体安全，三种支护形式见图1、图2。

2.3.3 预应力锚杆支护原理

图1 变形洞段预应力锚杆及锚筋桩加固

图2 变形洞段预应力锚索及锚筋桩预加固

注：本图主要为预应力锚杆、锚索及锚筋桩布置示意图，其余系统支护未示，图中右侧与左侧支护形相同

锚杆的初始锚固力主要来自于锚杆的初始张拉荷载，属 于主动支护形式。围岩在此支护载荷的作用下，两端形成圆锥形分布的压应力场，在此应力场的作用下使松动破碎或将要松动破碎岩石的粘聚力、内摩擦角、弹性模量等均有不同的提高从而加强了围岩的整体性。但最主要的是这个压应力使开挖过后隧洞围岩表面为两向受力状态变成三向受力状态，使得开挖边界由自由表面变为受到锚固约束力作用的非自由表面，根据库仑-莫尔理论如式(1)，围岩强度大大提高。

(1)

单根锚杆的影响范围是局部的，它只能引起局部应力集中，因而它除了悬吊个别危岩之外，不能作为一种支护手段来使用。若将单根预应力锚杆大面积支护时，那么受压区域相互叠加相互作用，可对一定范围的围岩进行加固。结合锦屏引水隧洞绿泥石片岩软岩段的实际情况，围岩塑性区半径达8～10 m，同时受施工条件所限，能施工的预应力锚杆长度为6～9 m，故现场采用9 m长的预应力锚杆，重点对变形较为突出的拱腰位置进行加固，并采用槽钢将预应力锚杆纵向相连接，形成加强带以整体约束拱腰附近的变形。

3 预应力锚杆施工

3.1 主要机械设备

(1)XY-2PC地质钻机或YQ100型潜孔钻机造孔；(2)锚杆水泥砂浆制浆机；(3)AC280—760型扭力扳手(张拉预应力)。

3.2 预应力锚杆施工工艺

测量定位锚杆孔位→钻孔→清洗锚杆孔→内锚固段注浆→锚杆安装→封孔口、锚墩制作→架设槽钢→张拉与锁紧→自用段注浆。

3.3 主要技术及质量控制

(1)钻孔：检验钻孔深度及孔位偏差质量。

(2)锚杆孔清洗：锚杆孔清洗可分高压水冲洗和高压空气清洗两种方式，由于本洞段围岩属于遇水软化的绿泥石片岩，宜采用高压空气清洗，将孔内石渣、碎屑清理干净。

(3)锚杆安装及时性：绿泥石片岩围岩本身破碎，自稳性差，锚杆孔清理干净后须尽快安装锚杆，避免锚杆孔内掉落石渣堵塞锚杆孔情况的发生。

(4)水泥砂浆质量：控制水泥砂浆配合比，保证砂浆强度不低于M25。

(5)锚固段注浆：锚固段注浆须在孔底部位，注浆时控制好注浆量。

(6)锚杆安装：将锚杆安装在孔位中间位置，锚杆外漏端头长度为10～50 cm。

(7)锚墩制作：锚墩制作时，须用φ50钢管将锚杆套住，进、回浆管沿φ50钢管外部露出，锚墩采用M30水泥砂浆浇筑，厚度为3～5 cm。

(8)一次注浆及锚墩制作结束待凝3 d后，将槽钢架设到预应力锚杆外锚墩上，槽钢上须在锚杆对应位置开孔，孔径φ32。槽钢将预应力锚杆纵向相连接，以形成加强带使整体约束拱腰附近的变形，增强支护效果。

(9)预应力张拉：张拉前需对扭力扳手标定，标定合格才能使用，施工中扭力扳手易损坏，需每周标定一次。锚固端待凝3 d后，可将锚杆垫板架设到预应力锚杆外锚段上进行张拉，张拉前将紧锁螺帽套在锚杆外露段丝扣上。正式张拉之前先取20%的设计张拉荷载(即24 kN)，对其预张拉1～2次，使其各部位接触紧密。

张拉力施加值顺序依次为：第一次张拉力为设计值的25%(30 kN/130 N·m)，持荷5 min后进行第二次张拉，张拉力为设计值的50%(60 kN/260 N·m)，持荷5 min后进行第三次张拉，张拉力为设计值的75%(90 kN/380 N·m)，持荷5分钟后进行第四次张拉，张拉力为设计值的100%(120 kN/500 N·m)，最后一级张拉力达到设计值后稳压30 min结束张拉并锁定。每张拉一次均应量测锚杆杆体的伸长值，并作好原始记录。

锚杆锁定后48 h内，若发现预应力损失大于锚杆拉力设计值的10%时，应进行补偿张拉。

(9)自由端注浆：在锚杆张拉锁定或补偿张拉之后，进行自由段注浆，将水泥砂浆泵送至进浆管中，待回浆管回浆后，封闭回浆管，继续灌注5 min便可结束。

4 支护效果

4.1 支护前变形

在对变形洞段变形发生前、处理过程中和处理完成后，安全监测组对洞段的收敛和应力变化等全程严密监测，主要包括：收敛监测、锚杆应力计监测、多点位移计监测、钢拱架应力计、锚索测力计、锚筋桩应力计、压应力计监测、钢筋应力计监测、应变计监测、无应力计监测等十余种监测手段。通过监测数据表明扩挖之前，洞段各收敛测线每天收敛增量波动较大，典型断面如图3。

图3 支护前典型断面收敛累计过程线

4.2 支护后变形

在施做了系统支护后特别是施工了预应力锚杆、锚索及锚筋桩三种加固支护后，根据监测数据反映，收敛变形、岩体内部应力均已趋于稳定，典型断面如图4～图6。

图4 支护后典型断面收敛累计过程线

图5 支护后断面锚杆应力累计过程线

图6 支护后断面锚索荷载损失累计过程线

通过上述监测断面图说明各类支护手段的综合运用起到了明显的效果，有效防止洞段变形使其内部应力趋于稳定保证洞室稳定和施工质量，起到较好作用。

5 结束语

本文通过简介绿泥石片岩变形洞段的处理，浅述了变形洞段各类支护方式及支护效果，在处理过程中除了采用常规锚喷支护以外，特别增加了预应力锚杆、预应力锚索及锚筋桩施工，取得了良好的支护效果，本文主要简述了预应力锚杆支护原理及施工工艺技术效果，可为类似工程提供借鉴。

[1] 杨家松.大断面软岩隧道钻爆法开挖技术分析[J].路基工程，2013(4)