中南铁路通道发鸠山隧道水平岩层砂浆锚杆加固作用浅析
摘要：从山西中南部铁路通道ZNTJ—11标发鸠山隧道水平岩层特点进行分析，根据施工中采取砂浆锚杆处理方式，通过对砂浆锚杆在地层破碎，节理、裂隙发育的水平围岩中的作用和原理进行论述，在施工过程中对砂浆锚杆“成拱作用”作用进行了研究，发挥了砂浆锚杆加固水平岩层的“挤压加固作用”，使松散岩体组合、挤压成一自然拱体，达到了很好的加固效果，为同类工程施工提供了参考。
下载论文网 关键词：发鸠山隧道；水平岩层；砂浆锚杆；浅析 中图分类号：U451+.2 文献标识号：A 文章编号：2306—1499（2013）07 目前，人们普遍认为砂浆锚杆在围岩中具有“组合悬吊作用”及“挤压加固作用”。
在山西中南部铁路通道工程发鸠山隧道施工中，采用超前砂浆锚杆作为“挑梁”，有效地控制了拱顶与边墙结合部—拱腰处的塌方，取得了良好的效果。
1.工程概况 发鸠山隧道位于山西省安泽县、长子县发鸠山附近，隧道起迄里程为D2K440+342～D4K454+915，全长14573m；围岩为红褐色泥质砂岩，含较少泥质，属中硬岩，岩层呈缓顷状、薄层—厚层状分布；围岩较破碎，节理、裂隙发育，偶尔有地下基岩裂隙水流出，掌子面上部围岩较完整，岩层为厚层，裂隙不发育，但围岩节理较发育，拱顶偶有砂岩夹超薄层泥岩，并有地下水渗漏，水量不大，但作用于泥岩易引起拱顶砂岩层的不稳定。
2.工程地质条件及水文地质条件 2.1工程地质条件 发鸠山隧道区域地质构造位于吕梁一太行断块（II级构造单元）之沁水块坳（Ⅲ级构造单元）的东南部，沁水复式向斜南翼，地层总体走向NE，倾向NW，倾角一般小于100，区内无大的构造通过。
区内出露的地层岩性为三叠系下统紫红色泥岩与中厚层灰白色长石砂岩互层，岩层接近水平，地层破碎，节理、裂隙发育。
2.2水文地质条件 受北方季节性降水的影响，发鸠山隧道的地下水以大气降水作为主要补给来源，随季节变化明显，以侧向径流排泄为主。
由于施工期年降雨量较大，加之地层岩石破碎，节理、裂隙发育，整个施工过程围岩渗水、漏水不断，给施工带来一定困难。
3.施工特点 针对隧道围岩节理、裂隙发育，岩石破碎，岩层倾角小，地下水发育，围岩自稳能力差的工程地质及水文地质条件，特别是又没有超前支护措施的Ⅲ、Ⅳ类围岩，在开挖中虽说施工时极为谨慎，严格按照“短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的原则，采用台阶法进行施工。
但在部分隧道Ⅲ类围岩段施工过程中，掌子面开炸后隧道断面易形成方框形，严重影响了围岩整体的自稳性。
为安全通过这类开挖段该段，施工中将钢筋格栅间距由1 m缩小到0.75 m，超挖部分全部采用喷射混凝土回填，这样不仅影响了工程进度，加大了投资，对施工安全也造成一定的威胁。
为了解决这些问题，我们采用了超前砂浆锚杆与径向中空锚杆、钢筋格栅相组合，使超前砂浆锚杆形成挑梁的作用，在隧道开挖中有效地抑制了掌子面开挖难成形的问题，为下部工序的安全操作创造了条件，并取得了成功。
4.锚杆作用原理 4.1组合和悬吊作用 锚杆将若干层岩层组合成厚板，利用深层扰动较小的岩层，将表层扰动较大的岩层组合成一整体，这种作用叫“组合作用”。
另外，锚杆还可将松动的不稳定的岩层“悬吊”在深处的稳定岩体上，使之不脱落，这种作用叫“悬吊作用”。
以上两种作用常常同时存在。
利用锚杆的组合、悬吊作用使其在开挖轮廓线外，形成相对稳定的岩体。
4.2挤压加固作用 当围岩产生位移时，成组排列的锚杆单位长度上的承载力p1 /2与 的合力，产生“成拱效应”，即“成拱作用力”，如图3所示，阻止这种位移的发展。
当隧道拱部不设锚杆时，“成拱作用”的跨度与拱部的宽度相同，形成的自然平衡断面较高。
使用成组砂浆锚杆后，这个跨度缩小强度，从这个意义上讲，砂浆锚杆成组排列时，发挥了“挤压加固作用”。
4.3挑梁作用 围岩在锚杆的组合悬吊和挤压加固作用下，自稳能力得到较大提高，在岩性及岩层组合较好的地段，围岩基本达到稳定。
但是对于节理、裂隙发育的泥岩、砂岩互层，且没有超前支护措施的Ⅲ、Ⅳ类围岩，掌子爆破开挖后，在新的掌子面与先前已支护好的隧道断面间，受隧道上半断面破碎围岩产生的向下位移力的作用，特别是受力复杂的拱腰处，在径向锚杆尚未施工前就已成方框形。
利用超前砂浆锚杆自身的承载力，阻止这种位移向下发展，这种作用叫“挑梁”作用。
为了有效地抑制拱腰处和拱顶的不成形，充分利用超前锚杆自身的承载力，在设计开挖线的周围预先增设一组超前砂浆锚杆，锚杆一端设在钢筋格栅上（Ⅲ类围岩地段）或已锚固好的径向锚杆上（Ⅳ类围岩上），另一端深入岩体深层，在稳定的围岩体支承力P1，和径向锚杆拉力P2共同作用下，使超前砂浆锚杆在开挖进尺范围内形成“挑梁”的作用，阻止破碎岩体的向下位移力P3，从而相对地提高拱背后的岩体张度和自稳性，抑止过量的超挖，减少不必要的回填喷浆量，为下道工序的安全操作创造条件。
5.施工方法 砂浆锚杆的组合、悬吊、挤压加固作用及施工方法与中空锚杆基本相同，只是径向中空锚杆多用Ⅱ、Ⅲ类围岩段，而径向砂浆锚杆多用于部分自稳能力相对较差的Ⅲ、Ⅳ类围岩段的地段。
其施工方法比较简单，而超前砂浆锚杆起挑梁作用的施工方法，却根据围岩倾角、倾向，节理、裂隙发育情况，层间结合情况其施工方法各有不同。
当开挖、支护等工序经过一个循环，径向锚杆、钢筋格栅按设计要求施作完毕后，要根据已开挖好的掌子面围岩的破碎情况、周边岩性、岩层的厚度及走向情况等因素，确定砂浆锚杆的设置范围、长度、间距及钢筋直径。
发鸠山隧道由于整个施工段落的岩性较差，超前砂浆锚杆的施作，一般在拱部1200的范围内设置，锚杆环向间距一般控制在30cm～60cm之间，其长度视围岩的破碎情况和每次的掘进深度而定。
发鸠山隧道的掘进深度每次一般控制在1.0m～1. 5 m以内，砂浆锚杆长度控制在3.0m～4.5 m范围，锚杆通常选用螺纹钢，钢筋直径在22 mm～25 mm范围内，钻孔倾角控制在50以内，锚杆砂浆采用早强水泥砂浆，要求砂浆锚杆的锚固长度在末扰动的岩体内不少于80 cm～100 cm，待超前砂浆锚杆施作完毕，并于已施作好的径向中空锚杆（或砂浆锚杆）或格栅钢架牢固地连接在一起，确认能够充分起到“梁”的作用时再进行下一个循环作业。
6.结论 发鸠山隧道拱腰处及拱顶的开挖不成形处理能得到比较理想的效果，其成功点在于：利用系统密集型锚杆，组成“挤压加固作用”，很好地将松散岩体组合、挤压成一自然拱体。
同时，利用超前砂浆锚杆与径向锚杆或钢筋格栅连接起到“梁”的作用，较好地抑制住了拱顶及拱腰不成形的问题，在保证安全的前提下，既控制了超、欠挖，又有利于下部工序的安全进行，有效地节省了投资。
砂浆锚杆密集度、长度的选用，还需综合所处的水文条件、地质条件、围岩的岩性、结构、受力特点、施工机具等多方面因素才能确定。
本文通过发鸠山隧道施工实践分析总结了砂浆锚杆在水平围岩中的施工作用和方法，希望能对同类工程起到借鉴作用。
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