針對隧道施工中對加固圍巖、充分發(fā)揮圍巖自身承載能力方面重視不夠，致使隧道開挖分部較多、工效低以及軟弱圍巖發(fā)生大變形等問題，通過對煤礦行業(yè)主動控制變形、國內(nèi)外主動控制變形技術(shù)進行調(diào)研和部分鐵路隧道施工實踐、研究，得出如下結(jié)論：

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

2）采用主動控制圍巖變形技術(shù)，可實現(xiàn)軟弱圍巖大斷面機械化快速施工，解決超大斷面設(shè)計施工技術(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控制圍巖變形的關(guān)鍵技術(shù)措施，必須配置大型機械設(shè)備，掌握成套施工工藝，確保錨固的及時性和有效性。

1）樹脂錨桿桿體采用高強度、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；

扭矩螺母有阻尼式、銷釘式（見圖1）和壓片式（見圖2）； 

圖1  銷釘式扭矩螺母

圖2  壓片式扭矩螺母

錨固劑由樹脂膠泥和固化劑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)片等錨固達到主動支護的目的，錨桿端頭設(shè)置讓壓環(huán)，當錨桿抗拔力達到一定程度時，讓壓環(huán)壓縮變形，達到圍巖應(yīng)力釋放的目的。

2）由專業(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(見圖3—6)。桿體專用鋼材、樹脂錨固劑、扭矩螺母、墊片和讓壓環(huán)等統(tǒng)一采購； 每批錨桿等成品在出廠前進行檢驗，合格后簽發(fā)產(chǎn)品合格證，包裝好后按規(guī)定存儲。

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)動錨桿鉆機或液壓錨桿鉆機成孔、人工插入錨固劑、鉆孔頂入桿體、氣動扳手緊固扭矩螺母的施工工藝。

巷道爆破開挖完成后，即可安裝鋼筋網(wǎng)片，然后錨桿鉆機鉆孔，人工塞入樹脂錨固劑，錨桿鉆機頂入錨桿，氣動扳手帶動扭矩螺母旋轉(zhuǎn)桿體，將錨固劑中的樹脂膠泥和固化劑充分混合、固化，當錨固達到一定強度時扭矩螺母中的銷釘脫落，螺母通過墊片將鋼筋網(wǎng)錨固于圍巖。錨桿長度在3 m左右時，單根錨桿的施工時間為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家。

挪威約有長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）；

瑞士修建的費爾艾那隧道約有97%的支護都采用單層錨噴襯砌技術(shù)。

圖9  斯德哥爾摩地鐵車站單層錨噴襯砌結(jié)構(gòu)

日本非常重視錨桿對圍巖的加固和控制變形的作用，對錨桿的施工工藝要求非常嚴格（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；為了保護防水板，在錨頭上設(shè)置泡沫保護襯墊，防止防水層被錨頭劃破等。

圖10  錨桿整齊排列、編號

圖11  錨桿卡

圖12  錨桿后泡沫保護蓋

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鐵路隧道主動控制變形技術(shù)

2.1.1  漲殼式注漿錨桿穩(wěn)定圍巖機制

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

通過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具配置

包括三臂鑿巖臺車、注漿組合車、氣動扳手、孔口測力計、頻率讀數(shù)儀和錨桿索檢測儀等。

2.1.3  漲殼式注漿錨桿施工工藝現(xiàn)場試驗

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

可以施加40 kN 以上的初始張拉力，第一時間對圍巖的松弛和變形進行約束；

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長的系統(tǒng)錨桿加固地層主動控制圍巖變形，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（6 m）、短（4 m）錨桿結(jié)合主動控制圍巖變形，輔以雙層初期支護等措施。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道嶺脊段采用長、中、短相結(jié)合的3種錨固體系： 1）長。預(yù)應(yīng)力錨索，每側(cè)5根，縱向間距1.4 m，長18 m。2）中。自進式錨桿，每榀鋼架10根，作為鎖固錨桿，長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4 m。

2.3.2  成蘭鐵路隧道工程試驗

成蘭鐵路對軟巖大變形隧道開展了系統(tǒng)的科研和現(xiàn)場工程試驗，試驗前期主要強調(diào)“先柔后剛”、“先放后抗”，采取鋼架+噴混凝土支護措施，對于錨桿的變形控制效果認識不足，對于如何發(fā)揮圍巖承載的針對性不強。

通過對茂縣、楊家坪、躍龍門和云吞堡等隧道的研究、試驗后逐步認識到，隧道開挖后圍巖塑性變形破壞是產(chǎn)生圍巖壓力的原因，支護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。支護措施應(yīng)從如何減少圍巖塑性破壞出發(fā)，主動加固圍巖，因此課題組提出了變形主動控制理念，形成了“加深地質(zhì)，主動控制，強化錨桿，工法配合，優(yōu)化工藝”的變形控制施工技術(shù)。

其主動控制變形關(guān)鍵技術(shù)要點如下：

1）強化錨桿，強調(diào)錨桿施工效率及錨固力發(fā)揮的及時性

①合理選擇錨桿類型。

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

對于錨桿鉆孔后孔壁易發(fā)生塌孔、無法在鉆桿拔出后送入桿體的，選用自鉆式中空錨桿（見圖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配置專用機械設(shè)備。

人工機具打設(shè)錨桿，角度受限，施工進度慢，質(zhì)量不易保證，大變形地段應(yīng)配置高效率的專業(yè)錨桿鉆機或鑿巖臺車，可以實現(xiàn)全角度錨桿施工， 8~10 m長的錨桿施作時間可控制在10~20 min，現(xiàn)場采用的鉆機如圖16所示。

圖16  現(xiàn)場采用的錨桿鉆機

③優(yōu)化錨桿參數(shù)。

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

④長短錨桿結(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，為長錨桿創(chuàng)造施作時機；

長錨桿錨入彈性區(qū)，將組合拱支護結(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，見圖17。

圖17  長短錨桿結(jié)合

躍龍門隧道3號斜井工區(qū)嚴重變形段，采用雙層支護+長短錨桿結(jié)合的措施（見圖18），二次支護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以內(nèi)。

圖18  ３號斜井工區(qū)支護情況

在躍龍門隧道3號斜井工區(qū)進行了不同工程措施控制變形對比試驗，見表1。從表1可以看出，H175+長短錨桿結(jié)合的支護方式，其變形控制較其他措施更為有效。

表1  躍龍門隧道３號斜井試驗段（按正洞斷面）最終變形量控制對比

⑤快錨固，早承載。

早期短錨桿可采用藥包水泥、樹脂錨固劑等快速錨固盡快形成承載力；

中后期長錨桿采用快凝水泥砂漿。

快凝水泥砂漿錨桿現(xiàn)場試驗表明早強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，實現(xiàn)大斷面開挖，盡早封閉仰拱成環(huán)

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

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

躍龍門隧道開挖方法由三臺階優(yōu)化為二臺階，減少了開挖步數(shù)，減小了對圍巖的擾動，使初期支護早封閉，控制圍巖壓力和拱架應(yīng)力，有效控制隧道變形，同時還提高了施工進度和施工效率，見圖19。

圖19  三臺階開挖優(yōu)化為二臺階開挖

三臺階法與二臺階法施工綜合對比見表2。

表2  三臺階法與二臺階法施工對比表

3）優(yōu)化工藝，主動控制變形

①優(yōu)化超前支護布置。

圍巖在未開挖掌子面前已發(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，擴大超前加固的范圍。

②加強鋼架縱向連接。

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，通過加強縱向連接增加其整體性，如圖 20所示。

圖20  加強鋼架縱向連接

③優(yōu)化鋼架鎖腳。

大變形段應(yīng)加強鎖腳錨固能力，宜采用樹脂錨桿等快錨鎖腳；

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。