一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法

摘要

本发明公开了一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法，包括软岩隧道上台阶施工和软岩隧道下台阶施工；本方法在隧道开挖完成后及时对围岩进行喷浆处理，减少围岩的暴露时间，然后进行钢筋网和让压锚杆的安装，让压锚杆分两次进行设置，进行初期支护钢架的设立，最后复喷一层混凝土；围岩的内部能量会以变形的方式进行释放，首先作用于让压锚杆，当让压锚杆及钢拱架所提供的支护力和围岩的变形力相等时，围岩变形停止，此时让压锚杆和钢拱架所组成的初期支护体系将处于相对平衡状态，形成刚柔结合的支护效果，避免了由于大变形引起的工程事故，具有围岩支护效果好、支护结构简单、用材经济的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程支护技术领域，具体涉及一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法。

背景技术

随着我国交通行业的不断发展，隧道的埋深越来越大，所穿越的岩层地质越来越复杂，对于一些碳质板岩、碳质千枚岩地层，节理裂隙发育，在隧道开挖过程中极易出现大变形，发生塌方事故，例如兰新高铁大梁隧道、兰渝铁路毛羽山隧道、兰渝铁路两水隧道等都出现过以上问题，给工程的建设带来极大的危险，且施作初期支护之后，容易产生钢架变形等问题，需要换拱，这极大的增加了施工成本和工程进度；

为了在施工中对围岩大变形进行有效的控制，国内外学者对于隧道的实际大变形原因进行了深入探讨，现在工程中基本采用的方法是施作双层初期支护或者提高钢架的型号，对隧道围岩进行强力支护，从理论上而言，这些方法是不经济的，最合适的方法是使用刚柔相济的支护形式，使围岩的能量通过变形来释放掉一部分，但是还要限制它的过度变形，因此需要一种针对于现有技术不足之处的改进方案。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法，本方法在隧道开挖完成后及时进行喷射混凝土，对围岩进行封闭，防止掉块，接着进行钢筋网片及两种让压锚杆的安装，再进行钢拱架的安装，通过让压锚杆的变形来使围岩的能量得到释放，让压锚杆随着变形的不断增大，所提供的支护力也会逐渐增大，当围岩稳定后，支护体上的荷载逐渐趋于稳定，让压锚杆与钢拱架形成联合支护的效果，保证了支护结构形成刚柔相济的支护形式，阻止隧道产生过大的变形，具有围岩支护效果好、支护结构简单、用材经济的特点。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法，所述联合控制方法包括

S1.软岩隧道上台阶施工

S11.对软岩隧道上台阶围岩进行爆破；S12.清理进行上台阶碎渣，喷射一层早强混凝土，并施作上台阶超前小导管；S13.安装钢筋网片，打入上部让压锚杆，安装上部钢拱架，并打设上台阶锁脚锚杆；S14.复喷一层混凝土，使钢拱架与围岩间隙填充饱满，保护层厚度不小于30mm；

S2.软岩隧道下台阶施工

S21.隧道上台阶初期支护施作完成后，进行隧道下台阶的爆破；S22.对下台阶重复S12-S14的步骤，并安装钢筋网片及下部让压锚杆；S23.安装下部钢拱架，及时落底接长，封闭成环，并进行混凝土的复喷；S24.待围岩基本稳定后进行隧道的二次衬砌。

优选的，在步骤S11和步骤S21所述的软岩隧道上台阶和下台阶的爆破过程中，根据钻眼位置分为周边眼、辅助眼和掏槽眼，其中装药结构为：

周边眼：用小直径药卷间隔装药，大段位导爆管起爆；

辅助眼：用中直径药卷间隔装药，中段位导爆管起爆；

掏槽眼：用大直径药卷眼底装药，小段位导爆管起爆。

优选的，所述的周边眼的眼深与外插角的关系为：

(1)眼深4m时，外插角小于3°；

(2)眼深8m时，外插角小于2°。

优选的，步骤S12所述的上台阶超前小导管的施作过程包括

S121.在隧道拱部打设φ42超前小导管，小导管长4.5m，小导管纵向3.0m设一环，相邻两环的搭接长度不小于1.0m，同一截面上小导管的环向间距为0.4m，小导管的外插角为5°～10°；

S122.用M30纯水泥浆对小导管进行注浆，注浆压力为1.0～2.0Mpa。

优选的，步骤S13所述的施工过程包括

S131.铺设上台阶钢筋网：先进行顶网的施工，然后进行帮网及底网的施作，网片之间搭接长度不小于300mm，钢筋网的保护层厚度不小于2cm；

S132.钻设上部锚杆孔：钻孔孔深为8m和4m，扩孔采用φ90mm钻头，扩孔深度为500mm；

其中，孔深为8m和4m的锚杆孔交错布置；

S133.安装让压锚杆：先安装长度为4m的第一组让压锚杆，锚杆的打设角度与隧道洞壁垂直，环向间距为0.5m；然后安装长度为8m的第二组让压锚杆，长、短让压锚杆的环向间距为0.5m，让压锚杆安装完成后统一进行注浆处理；

其中，所述长、短让压锚杆的直径均为35mm；

S134.安装上台阶钢拱架：钢拱架与让压锚杆支护面预留一定的空间，保证围岩有变形的余地，且钢拱架与让压锚杆交错布置，钢拱架间距为1m，钢架下部各设2根长为4.0m的φ42锁脚锚杆加固钢拱架。

优选的，在步骤S23所述下部钢拱架的施工过程中，下台阶钢架底脚使用25a槽钢，并在下台阶钢架槽钢两侧各设2根垂直于地面的φ22锚杆，锚杆为长4.0m的锁脚锚杆，固定下台阶钢架槽钢。

优选的，在步骤S23中复喷混凝土必须将钢拱架间隙完全填充，且厚度不小于250mm。

优选的，在步骤S24所述二次衬砌的施工过程中，需待围岩稳定后进行二次衬砌的施工，施工前进行防水布的铺设，二次衬砌厚度为500mm，混凝土强度等级为C30。

优选的，在步骤S1-S2的施工过程中，上台阶和下台阶的开挖长度不大于5m，钢拱架与让压锚杆纵向间距为0.5m。

优选的，步骤S11和步骤S21所述的让压锚杆均为吸能锚杆，所述吸能锚杆包括锚杆杆体，所述锚杆杆体的顶部螺纹连接有锥形端头；所述锚杆杆体上从上至下依次套设有第一垫片、第二垫片、第一金属套管、活塞、密封圈和弹性件，所述第一垫片的顶部与锥形端头的底部连接，所述第二垫片的底部与第一金属套管的顶部连接，所述第一金属套管上套设有第二金属套管，所述第二金属套管位于第一金属套管的下方，所述锚杆杆体的底部穿出所述第二金属套管并延伸至所述第二金属套管的外侧，所述活塞的顶部与所述第一金属套管的底部相连接，且所述活塞和密封圈的外侧面均与所述第二金属套管的内侧面相抵触，所述弹性件位于第二金属套管内，所述锚杆杆体上套设有托板和第三垫片，且所述第三垫片与第二金属套管底部连接，所述托板的顶部与第三垫片的底部连接。

优选的，所述的锚杆杆体上沿圆周方向均匀间隔设置有多个可伸缩定位销，所述可伸缩定位销位于活塞的顶部；所述第一金属套管和第二金属套管上均开设有供可伸缩定位销通过的通孔；当所述可伸缩定位销未受力时，所述可伸缩定位销穿过第一金属套管和第二金属套管，并伸出至所述第二金属套管的外侧。

优选的，所述的第二金属套管内设置有液压腔，所述液压腔为锚杆杆体外侧、活塞底部与密封圈之间的区域，所述液压腔内填充有液压油；所述锥形端头的底部开设有连接端口，连接端头内设置有内螺纹，锚杆杆体的外侧设置有外螺纹，锚杆杆体通过外螺纹和内螺纹与锥形端头连接；所述锚杆杆体上螺纹连接有限位螺母，托板和第三垫片通过限位螺母固定。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法，与现有技术相比，本发明的改进之处在于：

(2)针对现有技术中对于软岩隧道大变形的支护问题，设计了一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法，本方法在隧道上台阶开挖后及时进行喷射混凝土，减少围岩的暴露时间，防止隧道拱顶掉块；接着进行上台阶钢筋网及第一批长让压锚杆的施作，然后进行第二批短让压锚杆及上部钢拱架的施作，下台阶施作步骤和上台阶相似，施作完成后进行复喷混凝土；围岩内部的能量以变形的方式进行释放，让压锚杆随着围岩一起进行变形吸收能量，随着位移的增大，让压锚杆所提供的支护力不断增大，最后围岩逐渐停止变形，作用在支护上的力量将逐渐减小，钢架与让压锚杆形成刚柔相济的支护形式，从而保证了围岩的稳定性，相对于提高钢架型号进行的强支护，工程造价更小，避免了换拱等问题的出现，具有围岩支护效果好、支护结构简单、用材经济的优点；

(2)同时，利用吸能锚杆作为让压锚杆，在使用时，通过活塞、液压腔及弹性件的设计能够将软岩变形产生的变形能和高应力硬岩地质岩爆发生时产生的动能转换成弹簧的变形能，进而能够避免出现锚杆杆体拉断失效、丧失锚固能力的问题；此外，通过可伸缩定位销的设计，能够对弹性件进行防护，避免弹性件在回弹过程中过度回弹，发生疲劳断裂的问题；同时通过测量活塞的轴向位移或弹性件产生的弹力，进而能够测定软岩大变形产生的应力变化以及高应力地质岩爆现象发生时，产生的动荷载；进而可以观测软岩大变形地质或高应力地质岩爆现象发生时的围岩稳定性的变化，具有很大的实用价值。

附图说明

图1为本发明适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法的施工流程图。

图2为本发明短台阶法施工的隧道横断面图。

图3为本发明短台阶法施工的隧道纵断面图。

图4为本发明让压锚杆布置的横断面图。

图5为本发明超前小导管、让压锚杆及型钢钢架纵向布置图。

图6为本发明隧道截面一环的超前小导管布置图。

图7为本发明同一环中两个相邻超前小导管的布置图。

图8为本发明爆破炮眼布置图。

图9为本发明炮孔装药图。

图10为本发明长短让压锚杆与普通锚杆隧道沉降对比图。

图11为本发明长短让压锚杆与普通锚杆锚杆轴力对比图。

图12为本发明吸能锚杆的结构示意图。

图13为本发明可伸缩定位销未受力状态下与第一金属套管和第二金属套管的连接结构示意图。

图14为本发明可伸缩定位销在受力状态下与第一金属套管和第二金属套管的连接结构示意图。

图15为本发明吸能锚杆的仰视图。

其中：图10-1为本发明长短让压锚杆隧道沉降沉降图，图10-2为本发明普通锚杆隧道沉降图；图11-1为本发明长短让压锚杆锚杆轴力图，图11-2为本发明普通锚杆锚杆轴力图；

1.隧道上台阶，2.隧道下台阶，3.4m长让压锚杆，4.8m长让压锚杆，5.炮泥，6.竹片，7.导爆索，8.掏槽眼，9.扩槽眼，10.辅助眼，11.周边眼，12.底板眼，13.锥形端头、14.内螺纹、15.连接端头、16.第一垫片、17.第二垫片、18.锚杆杆体、19.第一金属套管、20.可伸缩定位销、21.第二金属套管、22.活塞、23.液压腔、24.弹性件、25.托板、26.第三垫片、27.限位螺母、28.转动部、29.密封圈。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-15所示的一种适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法，所述联合控制方法包括

S1.软岩隧道上台阶施工；S2.软岩隧道下台阶施工；且所述软岩隧道上台阶施工和软岩隧道下台阶施工的施工过程中，台阶开挖长度不大于5m，钢拱架与让压锚杆的纵向间距为0.5m；

步骤S1所述软岩隧道上台阶施工包括：

S11.对软岩隧道上台阶围岩进行爆破，具体过程包括：

根据开挖断面的岩体条件、爆破进尺、设计的爆破参数等进行爆破设计，设计参数如表1所示：

表1：爆破参数表

在对软岩隧道台阶围岩进行爆破时，应注意：

(1)在钻孔过程中，要准确定位钻杆，周边眼11的外插角的角度要有保证，所述周边眼11的眼深与外插角的关系为：眼深4m时，外插角小于3°；眼深8m时，外插角小于2°；

(2)装药结构为：

周边眼11：采用小直径药卷间隔装药，大段位导爆管起爆；

辅助眼10：采用中直径药卷间隔装药，中段位导爆管起爆；

掏槽眼8：采用大直径药卷眼底装药，小段位导爆管起爆；

(3)在装药前，应该使用钢筋弯制的炮钩和高压风管将炮孔中的碎屑清理干净；

(4)检查炮孔质量及装药质量然后进行起爆；

通过上述表1的爆破参数表的规定利于改良爆破的效果，能有效地控制隧道施工中的超欠挖现象，可以减小工程成本，保证工程的质量；

S12.清理进行上台阶碎渣，喷射一层早强混凝土，并施作上台阶超前小导管，其中，所述上台阶超前小导管的施作过程包括：

S121.施作注浆小导管进行超前支护，在隧道拱部打设φ42超前小导管，小导管长4.5m，小导管纵向3.0m设一环，相邻两环的搭接长度不小于1.0m，同一截面上小导管的环向间距为0.4m，小导管的外插角为5°～10°；

S122.用M30纯水泥浆对小导管进行注浆，注浆压力为1.0～2.0Mpa；

S13.安装钢筋网片，打入上部让压锚杆，安装上部钢拱架，并打设上台阶锁脚锚杆，其施工的具体步骤包括：

S131.铺设上台阶钢筋网：先进行顶网的施工，然后进行帮网及底网的施作，网片之间搭接长度不小于300mm，钢筋网的保护层厚度不小于2cm；

S132.钻设上部锚杆孔：钻孔孔深为8m和4m，扩孔采用φ90mm钻头，扩孔深度为500mm，其中，孔深为8m和4m的锚杆孔交错布置；在打设锚杆孔过程中注意角度不能偏离设计角度，影响让压锚杆的打设；

S133.安装让压锚杆：先安装让压锚杆长度为4m的第一组让压锚杆(4m长让压锚杆3)，锚杆的打设角度与隧道洞壁垂直，环向间距为0.5m；然后安装长度为8m的第二组让压锚杆(8m长让压锚杆4)，长、短让压锚杆的环向间距为0.5m，让压锚杆安装完成后统一进行注浆处理；其中所述长、短让压锚杆的直径均为35mm；

S134.安装上台阶钢拱架：钢拱架与让压锚杆支护面应该预留一定的空间，使围岩有变形的余地，且为了防止钢拱架影响让压锚杆的变形，钢拱架与让压锚杆交错布置，钢拱架间距为1m，钢架下部各设2根长为4.0m的φ42锁脚锚杆，用来对钢拱架槽钢进行加固，钢拱架、让压锚杆及超前小导管布置如图5所示；

S14.复喷一层混凝土，使钢拱架与围岩间隙填充饱满，保护层厚度不小于30mm；

步骤S2所述软岩隧道下台阶施工包括：

S21.隧道上台阶(1)的初期支护施作完成后，进行隧道下台阶(2)的爆破，其中步骤S21所述的爆破过程与步骤S11相同，爆破的具体参数详见表1所示；

S22.对下台阶重复S12-S14的步骤，并安装钢筋网片及下部让压锚杆；

S23.安装下部钢拱架，及时落底接长，封闭成环，并进行混凝土的复喷，其具体施工过程中应当注意：

(1)在下部钢拱架的施工过程中，下台阶钢架底脚使用25a槽钢，并在下台阶钢架槽钢两侧各设2根垂直于地面的φ22锚杆，锚杆为长4.0m的锁脚锚杆，用于固定下台阶钢架槽钢；

(2)在复喷混凝土必须将钢拱架间隙完全填充，且厚度不小于250mm；

其中，所述初期支护参数如表2所示(步骤S12和步骤S23)：

表2：初期支护参数表

S24.待围岩基本稳定后进行隧道的二次衬砌，具体施工过程包括：

二次衬砌的施工施工前进行防水布的铺设，二次衬砌的施作时间根据现场的监控测量情况进行，二次衬砌厚度为500mm，混凝土强度等级为C30。

上述适用于软岩隧道大变形的长短让压锚杆联合控制方法的施工工序为：上台阶爆破施工→上台阶清渣→初喷一层早强混凝土→上台阶超前小导管施作→施作上台阶钢筋网片→施作4m让压锚杆→施作8m让压锚杆→安装上台阶钢拱架→打设上台阶锁脚锚杆→复喷一层30mm混凝土→下台阶爆破施工→下台阶清渣→下台阶初喷早强混凝土→施作下台阶钢筋网片及让压锚杆→安装下台阶钢拱架→打设下台阶锁脚锚杆→复喷混凝土→待围岩基本稳定后进行防水布的铺设→二次衬砌。

优选的，为增强上部让压锚杆和下部让压锚杆的锚接能力，上述步骤S11和步骤S21所述的让压锚杆均为吸能锚杆，所述吸能锚杆包括锚杆杆体18，所述锚杆杆体18的顶部螺纹连接有锥形端头13；所述锚杆杆体18上从上至下依次套设有第一垫片16、第二垫片17、第一金属套管19、活塞22、密封圈29和弹性件24，第一垫片16的顶部与锥形端头13的底部连接，第二垫片17的底部与第一金属套管19的顶部连接，第一金属套管19上套设有第二金属套管21，第二金属套管21位于第一金属套管19的下方，锚杆杆体18的底部穿出第二金属套管21并延伸至第二金属套管21的外侧，活塞22的顶部与第一金属套管19的底部相连接，且活塞22和密封圈29的外侧面均与第二金属套管21的内侧面相抵触，弹性件24位于第二金属套管21内；弹性件24为恢复弹簧，锚杆杆体18上套设有托板25和第三垫片26，且第三垫片26与第二金属套管21底部连接，托板25的顶部与第三垫片26的底部连接；第一垫片16、第二垫片17和第三垫片26的作用为密封，防止沙尘之类的污染物进入锚杆内，影响锚杆的性能。

优选的，所述的锚杆杆体18上沿圆周方向均匀间隔设置有多个可伸缩定位销20，所述可伸缩定位销20位于活塞22的顶部；所述第一金属套管19和第二金属套管21上均开设有供可伸缩定位销20通过的通孔；当所述可伸缩定位销20未受力时，所述可伸缩定位销20穿过第一金属套管19和第二金属套管21，并伸出至所述第二金属套管21的外侧。

优选的，第二金属套管21内设置有液压腔23，液压腔23为锚杆杆体18外侧、活塞22底部与密封圈29之间的区域，所述液压腔内填充有液压油。液压油的设计能够起到作用应力分布均匀，保护弹簧，避免弹簧在动荷载作用下，发生迅速脆性断裂的问题。

优选的，锥形端头13的底部开设有连接端口15，连接端头15内设置有内螺纹14，锚杆杆体18的外侧设置有外螺纹，锚杆杆体18通过外螺纹和内螺纹14与锥形端头13连接；锚杆杆体18上螺纹连接有限位螺母27，托板25和第三垫片26通过限位螺母27固定；锚杆杆体18的底部设置有转动部28，且所述锚杆杆体18与转动部28为一体成型。

优选的，所述第一金属套管19的外径小于第二金属套管21的内径；这样的设计能够保证第二金属套管21刚好套在第一金属套管19的外侧，且不易于移位。

上述吸能锚杆的使用过程及使用原理为：

本吸能锚杆在使用时，通过钻孔机预先钻好锚杆孔，首先将吸能锚杆埋设入岩体中，使锚杆杆体的大部分都进入岩体中；接着将第三垫片和托板套设在锚杆杆体上，贴着岩体外侧，然后通过限位螺母对托板和第三垫片进行固定，完成吸能锚杆的安装，当吸能锚杆受到软岩变形产生的变形能时产生的动能时，压缩可伸缩定位销进入到第二金属套管内，同时锥形端头受力推动第二垫片，第二垫片推动第一金属套管向下移动，进而推动活塞，压缩液压油，进而压缩弹簧，使得吸能锚杆受到的外力转换成弹簧的变形能，进而能够避免出现锚杆杆体拉断失效、丧失锚固能力的问题，外力消失后，弹簧恢复，推动液压油，使得活塞上移，进而使得第一金属套管和可伸缩定位销上移，待移位到第二金属套管通孔处时，可伸缩定位销穿过通孔至第二金属套管的外侧进行限位，能够有效避免弹性件在回弹过程中，过度回弹，发生疲劳断裂的问题收。

实施例1：

以松潘隧道为例，进行了普通锚杆与长短让压锚杆的支护效果分析，通过模拟结果，可以得出长短锚杆的锚杆轴力相较于普通锚杆而言更小，有效减少了施工中锚杆因受拉力过大而产生断裂，失去作用，对于软岩大变形地区的隧道支护而言，效果更好；

模拟结果得到的隧道沉降、锚杆轴力如图10、图11所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。