自进式中空注浆锚杆在漂卵石隧道工程的案例分析

在砂卵石等粗粒土隧道围岩中，采用自进式中空注浆锚杆，既可以约束围岩变形、提高围岩的整体性，又可以发挥加固堵水作用。但在含石量高、胶结性差且结构密实的漂卵石地层中,自进式中空注浆锚杆却存在打入深度不足、注浆困难及施工扰动

过大的问题，无法达到预期的支护效果。如何实现锚杆支护方案的调整与改进成为各方研究的热点。

漂卵石地层是由河流冲积与洪积作用形成的由漂卵石、卵石、砂砾等组成的非均质堆积层，广泛分布于河流冲积平原、盆地及河谷地带，成都、北京、长沙等城市地下均分布有较大范围的砂卵石、漂卵石地层。针对这类地层，当隧道采用盾构法施工时，凭借盾构机强大的支护与切削功能，隧道施工难度较低且风险小；当隧道采用浅埋暗挖法施工时，传统的自进式锚杆面临众多施工难题。

目前已有的漂卵石地层大断面公路隧道工程极少，漂卵石隧道锚杆设计理论尚不完善，自进式锚杆实际支护效果鲜有研究，漂卵石隧道锚杆设计与施工均有一定的盲目性。因此，在施工中进行锚杆力学性能现场测试，对于丰富漂卵石地层锚杆支护理论、积累漂卵石隧道施工经验均有较大意义。

一、工程概况

某漂卵石大断面公路隧道全长 515 m，设计时速80 km/h，采取独立双洞、双向四车道标准。隧道位于尼洋河东侧二级阶地上，穿过尼洋河三级阶地及泥石流堆积区，地形起伏大，漂卵石弱胶结或无胶结，中密—密实结构，富含地下水，为Ⅴ级围岩。漂卵石地层中骨架颗粒以漂石、卵石为主，粒径在6-20 cm 的卵石占 20%~30%，粒径大于 20 cm的漂石占40%~50%；漂石、卵石磨圆度较好，分选差，且以花岗岩、闪长岩居多，质地坚硬。隧道中间穿越泥石流冲沟，沟中发育有溪流并常年流水，对两侧漂卵石地层进行地下水补给。隧道施工时侧壁容易垮塌， 拱顶容易掉块，自稳性能差，隧道右线地质纵断面参考下图

根据地质勘查资料及有关规范要求，该隧道锚杆设计全部采用了自进式中空注浆锚杆。中空注浆锚杆与普通锚杆区别在于，其通过杆体的螺纹旋转挺进，一次到位，通过杆芯进行注浆，实现围岩加固并发挥锚固作用，工艺相对简单。该地层条件下锚杆的设计主要考虑到两个问题：一是普通锚杆在颗粒造成的漂卵石地层中难以成孔，无法施作， 自进式锚杆则容易钻进；二是通过杆体注浆可实现对松散围岩的加固与富水围岩的堵水作用。自进式中空注浆锚杆如下图。

原设计中自进式中空注浆锚杆包括ϕ51 超前锚杆、ϕ25 系统锚杆和ϕ51 锁脚锚杆。超前锚杆长度为2.5 m，分布于拱腰至拱顶位置；系统锚杆分布于隧道两侧拱墙，小近距方向长5 m，另一侧长3.5 m；锁脚锚杆长3 m，每个支护工序下在钢架下部以不同方向打入两根锁脚锚杆。设计的隧道锚杆分布如下图。

二、施工问题

1、围岩状况

实际施工过程中，开挖面揭示的围岩状况为弱胶结密实漂卵石，基本处于饱水状态，局部有明显的股状出水。实验室实测粒径19 mm 以下筛余物质含泥量为8.2%，级配不均，以漂石为主。隧道开挖后侧壁、拱顶临空面易失稳掉块，超挖严重。锚杆打设过程中，由于振动作用往往会有连续掉块的现象发生。隧道的开挖方法由CD 法和CRD 法调整为上下台阶预留核心土法，一次进尺为1~2 榀钢架间距 ， 采用机械进行开挖。隧道掌子面漂卵石地层状况如下图。

2、锚杆打入深度不足

本隧道衬砌设计中系统锚杆长度分别为3.5 m和5 m，但系统锚杆现场存在的问题不是达不到围岩未松弛区域，而是难以安装到设计长度。现场人员发现，采用常规气腿式凿岩机进行系统锚杆打入， 打入深度均在1.0~1.5 m 左右，ϕ51 锚杆最大打入深度在0.7~1.2 m左右。ϕ25 锚杆以扭断或无法挺进为极限状态，ϕ51 锚杆则均以无法挺进为最终状态，且两种锚杆均容易发生打入角度偏差现象。

锚杆的扭断破坏形态如图所示。

3、锚杆打入扰动太大

从图中可以看出，断口面形态不规则，但表面光滑，塑性流变痕迹明显，为扭转破坏。分析认为，砂卵石地层摩阻力虽大，但不足以使杆体因摩阻力过大而扭断破裂，该破坏主要是由于锚杆前端钻进过程中，导致了周围砂卵石颗粒的滚动、移动，并最终导致了卡钻情况的发生。卡钻时，端部无法转动，后方枪头提供了强大的扭矩，最终导致锚杆在薄弱环节发生屈服并破裂。发生空转、无法挺进的情况，均为钻头顶到卵石或漂石上所导致的。漂卵石材质为花岗岩、闪长岩， 质地坚硬，难以破碎。钻杆直径越大，锚杆越容易碰到卵漂石。

由于漂卵石地层胶结性差，围岩对震动扰动非常敏感，自进式锚杆施工的另一问题在于扰动太大。施作ϕ25 锚杆时，围岩壁面平均塌落厚度为10 cm； 施作ϕ51 锚杆时，周边平均塌落厚度将近18 cm。尤其是在锚杆顶到漂卵石的时候，由于杆体末端的剧烈摆动，造成卵砾石大面积掉落。ϕ51 超前锚杆的问题尤其严重，打入时往往造成掌子面上方卵砾石的大面积垮塌，不仅打入深度不足，还造成了超挖严重的现象。图6 所示为ϕ51 锁脚锚杆打入前后的拱脚对比图，卵漂石掉落严重。

注浆对于自进式锚杆锚固及隧道防水的意义重大。在该地层条件下，注浆压力设计为1.0 MPa，浆液流过钻杆并通过钻头上预留的注浆孔进行扩散。但实际施工中发现，既便是注浆压力达到2.0 MPa， 也仅有极少浆液注入岩层。结合有关研究认为，导致该现象发生的主要原因有两方面：第一是钻孔过程中注浆孔本身容易被砂砾阻塞；第二是地层本身密实且含泥量高，钻杆钻进过程中砂砾无法排出， 细砂粒拌合泥浆，在杆体周围形成了密实的包裹层， 浆液很难渗透。4、注浆困难

三、锚杆力学性能测试

1、锚杆打入试验

原设计锚杆无法施作，也就无法达到预期支护的目的。而要进行锚杆支护方案的调整，必须现场对其性能进行测试，因此在漂卵石围岩条件下进行了现场锚杆打入试验与拉拔试验。现场观察发现， 锚杆的打入深度与锚杆的直径有密切关系，减小锚杆直径有利于增长打入深度；而且据现场技术人员反映，不带钻头情况下更容易将锚杆打入，据此进行了锚杆打入试验的设计。

根据试验设计，选择中台阶拱墙位置对ϕ25 锚杆和ϕ51 锚杆各进行了两次打入试验，每次试验中选择两种直径的5 根带钻头和5 根不带钻头的锚杆分别打入。ϕ25 试验锚杆长度为3.5 m，ϕ51 试验锚杆长度为2.5 m，在平整拱墙位置处垂直打入，打入到极限深度后，记录剩余长度与停止时的状态。选择架立中导三榀钢架时进行ϕ25 锚杆打入试验，第一次试验点位分布如图所示，

总体呈梅花形布置， 但间距略小于设计值。为确保安全，在立好钢架与安装好钢筋网片时进行打入试验

打入时采取手扶持长锚杆的方式，尽量减小杆体摆动，下方锚杆打入时先清理底部塌落碎石。 统计发现

ϕ25 锚杆带钻头情况下平均打入深度为1.34 m，只有设计深度的38.2%；不带钻头锚杆平均打入深度为 1.65 m，只有设计深度的47.1%。不带钻头锚杆比带钻头锚杆的平均打入深度多0.31 m，多出百分比约为23.1%，不带钻头时锚杆更易打入，但打入速度较慢。记录中发现，带钻头情况下有5 根锚杆发生扭断，不带钻头情况下有8 根发生扭断。因此扭断情况与打入深度有关，打入越深，越容易发生扭断破坏。

ϕ51 锚杆打入试验选择在中台阶侧壁底部进行， 点位分布与ϕ25 锚杆类似，但是更靠近钢架，以便后期进行钢架固定，锚杆总数及种类与ϕ25 锚杆一致。打入深度对比如图所示，

 带钻头的情况下，ϕ51 锚杆平均打入深度只有0.59 m，对杆体末端稍加用力就可拔出，因此实际施工中从未带钻头打入。不带钻头情况下锚杆平均打入深度为1.15 m，只能达到锁脚锚杆设计深度的 38.3%，超前锚杆深度的 46.0%。ϕ51 锚杆停止打入的原因均为无法挺进而停止。通过锚杆打入试验发现，不同情况下的锚杆最大打入深度均未达到设计深度的50%。对同一直径锚杆而言，锚杆不带钻头比带钻头的打入深度更大；对于不同直径的锚杆而言，小直径锚杆打入深度更大。

锚杆打入试验之所以呈现出这种结果，主要是由漂卵石地层特征及自进式锚杆钻进机制决定的。自进式锚杆钻进依靠两种机制实现，一是杆体螺纹，二是钻头钻进。无钻头时锚杆依靠螺纹挺进打入， 而有钻头时，一旦钻头顶到大的卵石、漂石，由于杆体周围介质易在扰动后松散，卵石、漂石缺乏约束， 发生松动，钻头无法实现对其的破碎，反而带来了塌落扰动。

二是钻头钻进。无钻头时锚杆依靠螺纹挺进打入， 而有钻头时，一旦钻头顶到大的卵石、漂石，由于杆体周围介质易在扰动后松散，卵石、漂石缺乏约束， 发生松动，钻头无法实现对其的破碎，反而带来了塌落扰动。

2、锚杆拉拔试验

在该类地层下，自进式锚杆的打入是一种挤密式打入方式，锚杆受到的地层摩阻力非常大。参照

《公路桥涵地基与基础设计规范》，取漂卵石地层摩阻力标准值为qik=400 kPa，在不计咬合力作用下，计算得到锚杆 1.5 m 纵向长度范围内的抗拔力为

47.1 kN，几乎与设计拉拔力50 kN 相等。现场采取 MSL-200 拉拔仪对打入试验中的锚杆进行了破坏性拉拔试验，最大加载值为100 kN。选择打入试验中7 根角度适合且在后续施工中未损坏末端的ϕ25 锚杆进行拉拔试验，由于现场注浆浆液几乎无法注入，实际并未进行注浆，拉拔试验在喷射混凝土施作完成3 d 后进行。获取的拉拔力数据如表所示。

试验中发现，锚杆拉拔加载到极限拉力时，拉力会迅速下降并很快稳定在某一拉力值。分析认为， 起始拉拔力是由混凝土对锚杆的握裹力及围岩对锚杆的摩阻力平衡。当拉力加载到极限值时，锚杆与围岩接触面发生相对错动，摩阻力瞬间减小或消失， 混凝土对锚杆的握裹力承担了残余荷载。根据文献[16]的有关研究结果，取握裹力为20 kN 对极限拉拔力进行修正。

从试验数据中可以发现，带钻头的3 根锚杆平均打入长度为1.32 m，理论反算抗拔力为41.5 kN，实际平均抗拔力约为55.2 kN，两者较为接近；而在不带钻头情况下，4 根锚杆平均打入长度为1.76 m，理论反算的抗拔力为 55.3 kN，实际平均抗拔力在74.7 kN 以上。显然，在不带钻头的情况下锚杆更容易打入且更难拔出，也更适合该地层的实际情况。

3、锚杆设计优化

西藏某隧道为弱胶结密实含泥漂卵石地层，属于典型的土石混合体非连续介质，且由于锚杆打入深度不足，注浆困难，原设计中的锚杆几乎无法起到在一般岩质地层中的锚固、加固压缩围岩以及悬吊等作用，仅能体现一定的加筋作用。原设计与现 场情况出现了偏差，因此，按照新奥法动态施工的原则，对原设计的锚杆支护方案进行了优化和调整。

首先，在该类地层条件下系统锚杆不仅无法发挥加固与堵水作用，反而会增加围岩扰动程度。ϕ 25 锚杆平均打入深度不到设计值的50%，虽然抗拔力较大，但不足以发挥锚固作用；隧道平均埋深不到20 m，静水压力较小，即使没有注浆堵水作用衬砌也不会承受过大水压。鉴于初期支护与二次衬砌设计明显属于“强支护”范畴，因此可以考虑取消系统锚杆。

锁脚锚杆支撑着钢架，是早期初期支护的主传力构件，对于隧道施工安全极为重要，因此不可取消也无法被替代。依据锚杆打入试验结果，ϕ51 锚杆在不带钻头情况下能打入的平均深度为1.15 m，只有设计深度的三分之一。基于总锚固长度不变的考虑，可以将原设计的锁脚锚杆1 组、总锚固长度6 m的方案变为锁脚锚杆 3 组、总锚固长度 6.9 m 的方案，并且取消锚杆钻头。由于拱脚位置处为受力集中点，锚杆组数太多会导致拱脚位置扰动过大，因此不宜将锁脚锚杆组数设置过多，以2 组为宜。

文献中总结了北京地铁在漂卵石地层中开挖时的超前锚杆优化措施，并验证了细锚杆对于超前支护的适用性。结合锚杆打入试验结果，本隧道超前锚杆直径由ϕ51 调整为ϕ25，长度由2.5 m 调整为1.8 m，并取消钻头。同时将原设计中超前锚杆搭接在钢架之上的方案调整为通过钢架上预留孔道打入、一次覆盖两榀钢架的方案，每两榀钢架施作一次超前锚杆，其间距不变，以拱顶单层的超前锚杆形态来减小扰动。打入时间由原来的开挖后打入调整为喷射完混凝土后打入。喷射混凝土时将钢架前方掌子面30 cm 内也进行喷面加固，并注意不要将预留孔道覆盖，待打完超前锚杆后，再进行补强，前后施工对比如图

 倘若系统锚杆能够发挥对围岩的约束与加固作用，则取消隧道两侧系统锚杆之后洞内周边收敛应当明显增大。根据优化方案，在隧道右线出口YK4358+265 断面处取消了系统锚杆，因此取之前监测断面YK4358+280、YK4358+270 与取消系统锚杆后监测断面YK4358+260、YK4358+250 的中台阶收敛监测数据进行对比，得到开挖后的收敛曲线如图所示。

两断面相距较近且埋深相同，具有可比性。经对比发现，取消系统锚杆前两断面围岩收敛均值为16.9 mm，取消后平均值为19.4 mm，收敛增大约 14.8%；第7 d开始收敛变形加大，是由于下台阶开挖所致。整体判断，取消系统锚杆是较为合理的做法。 

锁脚锚杆用于固定和支撑钢架，主要承受压应力，其发挥的支撑刚度大小可通过早期的初期支护拱顶沉降变化加以体现。仍旧取上述4 个监测断面

进行拱顶沉降分析，得到拱顶沉降对比曲线如图所示。

改进超前锚杆之后，掌子面前方卵漂石塌落现象有很大程度地缓解，超挖控制效果有所好转，既提高了隧道施工的安全性，也提升了初期支护施工质量，并节约了部分工程费用。在锁脚锚杆组数增加之后，拱顶沉降曲线变得更为缓和，尤其是在第7 d 中台阶开挖、第15 d 下台阶开挖时，沉降变化更为平稳，对下方围岩变化敏感性降低。原监测拱顶平均沉降值为26.8 mm，锁脚锚杆调整后变为20.1 mm，减小约33.3%，相对效果明显。

四、结 论

通过对漂卵石隧道锚杆进行测试分析，为隧道锚杆施工方案变更指明了方向。综合而言，该试验研究得出以下结论：

密实漂卵石地层中，自进式中空注浆锚杆受地层摩阻力与漂卵石阻挡双重作用，打入深度浅且容易发生扭断破坏，ϕ25 系统锚杆无法实现围岩加固，ϕ51 锁脚锚杆无法达到设计深度，ϕ51 超前锚杆由于扰动太大几乎无法施工。

锚杆打入试验表明，不同直径锚杆在不同情况下平均打入深度均未超过设计值的40%，且锚杆直径越大，打入深度越小。ϕ25 锚杆不带钻头时的平均打入深度为 1.74 m，比带钻头情况下多出 31%；ϕ51 锚杆平均打入深度为1.07 m，比带钻头情况下多出 49%。因此不带钻头情况下锚杆更易打入。

锚杆打入试验中，ϕ25 锚杆钻进到极限深度时，分为杆体扭断与无法钻进两种情况，两种情况发生概率接近；ϕ25 锚杆钻进到极限深度时，均以无法继续钻进而终止。

ϕ25 系统锚杆在打入深度较短的情况下，带钻头情况下的平均抗拔力为55.2 kN，不带钻头情况下的平均抗拔力为74.7 kN 以上，两者均接近理论计算值，且满足设计值50 kN 的要求，但难以发挥应有的对围岩约束作用。因此不带钻头锚杆比带钻头锚杆的抗拔力更大。

本文提出了取消系统锚杆，增加锁脚锚杆数量、减小其长度并取消钻头，超前锚杆换为ϕ25 中空注浆锚杆并将长度缩短为1.6 m 的优化方案。通过4 个监测断面量测数据对比发现，优化后洞内收敛值增大14.8%，沉降值减小33.3%，初期支护的稳定性与掌子面的安全性均得到了明显提升。