李贵民，郭永发，赵海燕
（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明650200）
摘要：以丽香铁路中义隧道预应力树脂锚杆试验段为工程依托，对初支钢架大变形问题的系统锚杆效果进行研究。中义隧道地质为高地应力碎裂化玄武岩，开挖后初支钢架变形极为严重，关键线路工期滞后较多，且剩余地段围岩以Ⅴ级大变形为主，施工难度高、进度慢，需进一步研究变形控制及加快施工进度措施。根据煤矿行业相关工程经验，在以预应力树脂锚杆为主的主动支护体系方案基础上，及时开展施工工艺及工法现场试验工作。试验结果表明，预应力树脂锚杆可有效提供抗拔力并明显减小单日变形速率，避免初支侵限换拱，试验段累计变形得到有效控制，施工进度大幅提高，可为川藏、滇藏铁路等类似工程提供参考。 关键词：丽香铁路；中义隧道；大变形；预应力；树脂锚杆；抗拔力；单日变形速率
中图分类号：U25文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）02-0017-10 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.02.017
0引言
隧道大变形的有效控制一直是隧道工程建设中的难题，大变形导致隧道拱墙出现拱架扭曲变形、底部隆起、喷混凝土大面积掉块等典型的破坏现象［1］。地下工程的特殊性使得没有任何一个理论或治理措施能够应对地质复杂多变的实际情况［2］；国内外专家对大变形隧道修建技术进行了大量研究，提出了相应观点与解决办法。李国良等［3］对高地应力软岩大变形隧道防控关键技术进行了研究，提出以强度应力比、地应力量值为评价基准的高地应力划分标准；代伟等［4］对木寨岭隧道软岩大变形的原因进行了分析，并提出大变形原因为水平地应力远大于自重应力的结论；何春保等［5］对兰渝铁路高地应力软岩隧道变形机理进行了分析，并提出大变形分级按变形量及变形速率分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级；张梅等［6］对高地应力软岩隧道变形控制设
计与施工技术进行了研究并提出：大变形应考虑加大预留变形量的处理措施；李廷春［7］对毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术进行了研究，提出了大变形加固时应通过系统锚杆和长锚杆组合控制的措施；刘国庆［8］对高地应力软岩大变形隧道二次衬砌施作时机
基金项目：云南省科技厅重点研发计划项目（2018BC008）第一作者：李贵民（1986—），男，高级工程师。
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丽香铁路中义隧道预应力树脂锚杆设计施工关键技术李贵民等
进行了研究，给出大变形段施作二次衬砌时单线变形速率≤1mm/d及双线变形速率≤2mm/d的结论；孙洋等［9］对加长锚杆在软岩隧道大变形控制中的应用进行了研究，提出加长系统锚杆能充分发挥围岩的自承能力和可达到的支护效果；李贵民［10］对丽香铁路玄武岩隧道大变形段施工控制技术进行了研究，提出了加大断面曲率并配合系统锚杆可有效控制大变形。目前，国内外尚无系统性的定量控制隧道大变形的标准和设计、施工规范。
根据地质揭示及分析，结合前期现场试验总结及工程实践，丽香铁路中义隧道大变形特征以挤压型为主。丽香铁路为速度120km/h客货共线单线电气化铁路，隧道大变形地段单侧最大变形40～80cm，相对变形为5%～10%；隧道围岩原位强度约为0.57MPa，地应力10.96～15.44MPa，强度应力比为0.04～0.05，结合揭示围岩情况及工程特点，综合判断该项目目前大变形等级为严重。为有效控制中义隧道变形，根据前期多次专家会意见，进行了大变形控制试验、地应力、松动圈、岩体原位强度以及结构变形和内力测试分析，结合大变形分级管理优化了边墙曲率和支护参数，目前现场施工安全基本可控；但中义隧道关键线路剩余工程量大，围岩以Ⅴ级大变形为主，施工难度极高，工期压力极大，仍需进一步研究变形控制及加快施工进度措施。现场大多采用大变形ⅡA型椭圆衬砌，平均进度为30～50m/月。原设计系统锚杆以非预应力砂浆锚杆为主，而砂浆锚杆存在施作工序多、安装注浆困难、易软化钻孔周边围岩及锚固作用起效慢的缺陷，不利于快速施工及控制隧道变形，因此开展现场大变形ⅡA型衬砌预应力树脂锚杆试验。
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1试验段情况
1.1依据
（1）《丽香铁路控制工期隧道技术方案研讨会专家意见》（2019年8月30日）；
（2）GB50086—2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》；
（3）GB/T35056—2018《煤矿巷道支护技术规范》；
（4）MT/T1104—2009《煤巷锚杆支护技术规范》；
（5）MT/T146.1—2011《树脂锚杆第1部分：锚固剂》；
（6）MT/T146.2—2011《树脂锚杆第2部分：金属杆体及其附件》。
1.2试验工点
预应力树脂锚杆试验段为中义隧道2号横洞工区DK43+275—DK43+305段（该工点岩性为高地应力玄武岩，边墙收敛变形较大，且为全线关键线路），掌子面围岩典型照片见图1。
1.3工程概况
（1）中义隧道位于新建铁路丽江—香格里拉新尚—虎跳峡站区间，进口里程为DK36+549，出口里程为DK51+294，全长14745m，为速度120km/h客货共线电气化铁路隧道。除进口端151m为三线车站段、出口端208m为双线车站段外，其余为单线隧道。隧道洞身最大埋深约1240m，最小埋深约37m。
数据加密存储（2）隧道出口紧邻金沙江虎跳峡特大桥桥台及隧道式锚碇。
（3）施工过程中，现场实际进度指标达不到设计要求，无法满足工期要求；为加快施工进度、减小工期压力，经各参建方研究，于2号横洞与出口之间DK45+500处线路左侧增设3号横洞（见图2），长2562m，采用无轨运输，断面净空尺寸为6.6m （宽）×6.0m（高），出口平导长度相应由原6095.27m 调整为4891m，并将平导断面净空尺寸由5.0m （宽）×6.0m（高）调整为6.6m（宽）×6.0m
（高）。
图1中义隧道高地应力玄武岩掌子面
丽香铁路中义隧道预应力树脂锚杆设计施工关键技术李贵民等
（4）中义隧道为全线控制性工程，属Ⅰ级风险隧道；中义隧道属青藏高原断块区的川-滇块体，受印度板块北东向的推挤和青藏高原南东向挤出的叠加作用，地质构造复杂，新构造运动强烈；隧道主要发育南北向断裂，隧道内发育区域性断裂玉龙雪山西麓断裂，并与线位2次相交；隧道围岩主要以玄武岩为主；玄武岩段属片状构造，岩体发生绿泥石化和片理化变质，受大规模地质构造的强烈挤压影响，隧址区构造应力大，围岩破碎，变质作用强烈，片理、劈理发育，岩体松散破碎，稳定性极差。由于隧道赋存极高的构造应力，且最大主应力方向与隧道轴线接近垂直，导致施工存在极为严重的大变形危害。关键线路2号横洞正洞大里程方向，自2016年初进入正洞施工后，受大变形危害影响，进度受阻，导致工期严重滞后。
1.4试验段概况
截至2019年10月12日试验段开始时，中义隧道关键线路2号横洞掌子面里程为DK43+275（隧道埋深780m），3号横洞剩余800m进入正洞，3号横洞与正洞交点为DK45+500，关键线路剩余正洞2225m及横洞800m。
根据掌子面揭示地质及相关地质资料分析，结合前期现场试验总结及工程实践，中义隧道2号横洞大里程方向大变形主要特征以挤压型为主，地应力为10.96～15.44MPa，DK43+200—DK43+275段最大变形速率44.6mm/d，平均变形速率约30mm/d，目前已初支成环，但混凝土仰拱、二次衬砌未施作。该段最大拱顶沉降变形在DK43+210处，累计变形为256.7mm，最大收敛在DK43+270处，为328mm（预留变形量400mm）。
2设计情况
2.1原设计锚杆参数
每延米布置21根，拱部采用11根φ25mm组合式中空锚杆，边墙采用10根φ22mm全长黏结型砂浆锚杆，长度4.0m，环向间距1m，纵向间距1m，梅花形布置。
2.2试验段树脂锚杆参数
每延米布置21根，采用树脂药卷锚杆；杆体采用等强螺纹钢式金属杆体，公称直径φ20mm，采用快速锚固剂（凝胶时间41～90s，等待安装时间90～180s，搅拌在锚固剂凝胶之前完成），采用端头锚固，锚固长度1m（锚固剂规格，钻孔为40mm时采用锚固剂φ35mm；钻孔为28mm时采用锚固剂φ23mm，锚固剂长度均为50cm）；锚杆环向间距1m，纵向间距1m，梅花形布
置，拱部锚杆长度为3.5m/根，边墙锚杆长度为3.5m及6.5m/根（纵向交替布置，即本循环施作3.5m边墙系统锚杆，下一循环施作6.5m边墙系统锚杆，循环往复），托盘尺寸为250mm×250mm×12mm。锚杆及锚固剂性能指标应满足MT146.1—2011：树脂锚杆第1部分：锚固剂、MT146.2—2011：树脂锚杆第2部分：金属杆体及其附件等相关规定要求。
锚杆设计锚固力为400×3.14×10×10/1000×1.2= 151kN，锚杆预紧力为151×45%=68kN
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，即7t（对应图2中义隧道增加3号横洞后辅助坑道设置平面示意图
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锚固力矩为68×0.02×0.39×1000=530N·m ，锚杆预紧力施加后应进行复测，复测比例不少于5%，复测预紧力割管刀
损失不能超过10%，即复测预紧力应大于61kN ，否则应重新施加预紧力）。试验段锚杆布置横断面见图3。
树脂锚杆工作原理：把以树脂胶泥为基础的胶黏剂和固化剂（二者完全分开）用锚杆轻轻装入钻孔，随后将锚杆以一定速度边旋转边搅拌地推入到眼孔底部，把2种化学物质充分混合，使胶黏剂迅速聚合并使锚固段锚杆与钻孔孔壁紧密黏结在一起取得较高的强度，并通过托盘的安装和螺母的拧紧，对围岩起到支护作用。树脂锚杆大样见图4。
3施工情况
中义隧道2号横洞大里程树脂锚杆试验段于2019年
10月12日从里程DK43+275开始施作，截至2019年11月5日上台阶施工至DK43+335，中台阶施工至DK43+328，下台阶施工至DK43+320，仰拱初支施工至
DK43+284（仰拱步距51m ）。10月12日—11月5日共计施工24d ，进度60m 。
3.1树脂锚杆施工资源配置
（1）现场成立专项锚杆施工班组，由4人组成。（2）边墙锚杆钻孔为40mm 时（锚固剂直径
35mm ），采取
YT-28气腿式风钻2
台；上台阶拱部锚杆
图3试验段树脂锚杆布置横断面
图4
钢管加工
试验段树脂锚杆大样
丽香铁路中义隧道预应力树脂锚杆设计施工关键技术李贵民等
镁碳砖配煤矿专用钻机MQT-130/2.8J型气动锚杆钻机4台。
（3）树脂锚固剂类型为快速型。
（4）锚杆拉拔仪1台，气动扳手、扭力扳手工具各1套。
3.2现场施工情况
（1）施工方法。根据现场围岩情况，现场试验段采
取3台阶开挖工法，上、中、下台阶同时开挖，下台阶
左、右错开单侧开挖；为尽量不影响开挖循环时间，树
脂锚杆从中、下台阶开始施作，并同步与立拱左、右侧
交替进行（下台阶部分锚杆在初期支护施作后补打），
上台阶在初期支护后在中台阶利用台架适时施工。
3台阶法上台阶高度2.20m，长度4～6m，中台阶高度为2.78m，长度为4～6m，下台阶高度均为3.58m （见图5）。为确保后续喷混凝土、仰拱施工快速平行开展，仰拱采取单独开挖方式。
（2）树脂锚杆施工情况。试验段采用大变形ⅡA型衬砌断面支护参数，前10m拱架间距0.6m/榀，后20m 拱架间距调整为0.8m/榀；试验段完成后继续按拱架间0.8m/榀进行施工；锚杆采用φ20mm精扎螺纹钢，试验段30m拱部锚杆长3.5m（由于拱顶变形基本可控，且开挖时掉块严重，拱部锚杆为拱架
架设后补打），边墙锚杆为6.5、3.5m交替施作（现场6.5m锚杆钻孔后塌孔及孔壁倾斜严重，难以施作）；锚杆钻孔为40mm，锚固剂φ35mm，长0.5m，采用快速锚固剂（钻孔φ28mm尚未施作，待钻机进场后进行测试对比）；采取端头锚，锚固长1m。
3.3树脂锚杆施工过程
锚杆施工工序：开挖后进行必要的安全防护→确定锚杆位置→钻机就位、钻孔→清孔→安装锚固剂→插入锚杆→搅拌锚固剂→放置锚垫板→锚杆风扳机预紧→扭力扳手施加预应力→结束。
3.4试验段锚杆费用及进度对比
大变形ⅡA型衬砌采用预应力树脂锚杆可有效控制隧道边墙变形，可进一步加大钢架间距，以提高施工进度（见表1）。
4监控量测、受力及拉拔测试结果
4.1监控量测分析
施工监测分析分3个阶段：试验段前DK43+205—DK43+275段（未施工树脂锚杆，拱架间距0.6m/榀）、树脂锚杆试验段DK43+275—DK43+285段（拱架间距0.6m/榀）、树脂锚杆试验段DK43+285—DK43+305段（钢架间距0.8m/榀）。
第1阶段DK43+205—DK43+275段（未施工树脂锚杆，拱架间距0.6m/榀），累计拱顶沉降最大约134mm，最大收敛变形约388mm（上收敛累计变形160～235mm、中收敛累计变形240～310mm、下收敛
累计变形300～388mm）。收敛单日平均变形速率为30～50mm/d。仰拱初支施工后，单日平均变形速率为3～5mm/d。
第2阶段DK43+275—DK43+285段（树脂锚杆试验段，拱架间距0.6m/榀），单日变形速率及累计变形量均
有所降低，累计拱顶沉降最大约131mm，最大收敛变形图5大变形IIA型断面3台阶高度
表1
丽香铁路锚杆定额费用及进度对比
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