QB/ZTYJGYGF-SD-0310-2011 第五工程有限公司 石炜炜
1.前言
1.1工艺工法概况
浅埋软弱地层修建大断面隧道，为减少基底弱化而引起的上台阶初期支护下沉和下台阶开挖初期支护的悬空引起下沉，设置锁脚锚管是控制沉降有效措施。尤其在地层软弱、地层含水量较大、拱脚积水的条件下，锁脚锚管的增设对控制拱顶和地面下沉效果非常明显。 1.2工艺原理
锁脚锚管的作用原理是通过钻孔、注浆将锚管压入岩层中，借助注浆泵的压力使浆液渗入、扩散到岩层孔隙或裂隙中，以改善岩体物理力学性能，外露端与钢架紧密相连后能有效的限制岩层及初期支护松弛变形。
对于松散破碎围岩具有一定孔隙或裂隙受扰动和爆破的围岩，选用渗入性注浆。在注浆压力作用下，浆液克服流动的各种阻力，渗入围岩的各种孔隙和裂隙中，达到岩层加固的目的。
对于致密的土质地层，选用劈裂、压密注浆。在较高的浆液压力作用下，裂隙被挤开，使浆液得以渗入，形成脉状水泥浆脉、浆液分布形成钢管为主干的树枝，凝固的浆液挟持网被压密的土体，起到固结的作用。 2.工艺工法特点
2.1安装方便，不需现场加工垫板、螺母，材料只需钢管（ф42/ф50）。 2.2注浆后可使锚固范围内的岩体得到进一步加固； 2.3操作简单，易于掌握。 3.适用范围
适用于隧道内地质较差、围岩存在松弛变形隐患、钢架基础承载力较弱地段的锚固支护、控制围岩及初支收敛变形。 4.主要引用标准
4.1《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204）
4.2《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》（铁建设【2005】160
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号）
4.3《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086） 4.4《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（TB10108） 5.施工方法
石质隧道锚管采用风动凿岩机成孔，黄土隧道采用ZM-12T型煤电钻钻成孔，在上台阶或中台阶脚趾上1米左右，紧贴钢架两侧，向下倾斜30～50º打眼孔。成孔后采用高压风清理眼孔，插入或敲入锚管，注浆完毕后，再将锁脚锚管与钢架可靠连接。
6.工艺流程及操作要点 图1 锁脚锚管实物照片 6.1施工工艺流程
各项工前准备→钻机就位→钻孔→清孔→插入锚管→注浆→连接钢架、锚管验收。 6.2操作要点 6.2.1 施工准备
1 使施工现场达到三通，即电源、水源、道路通。 2 清除孤石、危石以及容易掉落石块，清理锚管孔口岩面。 3 准备好锚管的各部件，准备好钻孔及配套设备。 4 确定砂浆施工配合比。
5 准备好各种质检记录表，按照各项目竣工文件以及其他相关文件要求。 6.2.2 锚管制作
材料采用锁脚注浆锚管，杆身必须调直无缺损并除去杆上油污、铁锈、杂质。杆体直径要均匀、一致。进场材料必须按规定进行抽样检测，合格后方能使用。头部作成锥形，杆身间隔15cm钻直径为6mm孔（参照超前小导管加工方法）。
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机械设备保养 锚管制作 各项工前准备 钻机就位 钻孔角度定位 锚孔清孔 锚孔成孔检查 插入锚管 注 浆 注浆设备就位 准备注浆材料 锚管竣工验收 图2 锁脚注浆锚管施工工艺流程图
搅拌砂浆 6.2.3孔位确定
在架立好的钢架两侧2～3cm，连接钢板上1m左右选择适当位置。两点基本上在同一水平面上。不得过于靠近钢架，防止钻孔过程中钻杆影响钢架。 6.2.4钻机就位
在启动凿岩机前，首先应当检查压气管路、冲洗水管路是否接通、接牢，检查润滑系统是否有足够润滑油。凿岩系统应保持润滑良好，润滑油应选30号或20号机油，一般使用注油器，每班应定次定量添注；在开关风时要认真清理被开关风管头，以免风管头摆动伤人。同时各风管节头的连接以及各风管在不用时要保证绑扎好。
钻眼人员到达掌子面时，应首先检查工作面是否处于安全状态，如支护有无表观变形、裂纹；拱部、两帮岩面有无松动现象或岩层面与层面间有无夹薄泥层现象，在风钻水喷洒后是否软化剥落、掉块、坍方，若存在应在开钻前及时处理；钻眼时，风钻支架应放在妥当位置，以免支架弹出伤人。 6.2.5钻孔角度定位
根据对不同角度的沉降观测数据分析，水平向下打入30～50°效果比较好。 6.2.6 钻孔
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根据所规定的孔位、孔径、长度与倾斜钻孔，钻机采用YT28气腿式风枪，钻头采用Φ70mm梅花形合金钢钻头。开孔时，应调节凿岩机的控制手柄阀，使凿钻轻冲击运转，调整气腿调压阀，使气腿推力处于弱推力状态。当形成孔窝后，可逐渐使凿岩机处于中运转状态，然后再逐渐增大气腿的轴推力，当炮孔凿入100mm左右，可使凿岩机处于全运转和注水及吹洗的工作状态，气腿的轴推力调整到最优推力。对钻机先供风供水，开始钻进，钻进应以多回转、少冲击的原则进行，以免钻渣堵塞水孔。
针对不同岩性的围岩，应根据排粉情况分别调整冲击功、转杆速度和轴推力，力求获得较高的凿岩速度。如钻凿中硬岩，冲击功要小些，转杆速度可高些，推力不宜过大。而对于坚硬岩石，冲击功要大。
在允许误差范围内，选择岩层面较好位置（错开岩层节理）进行开孔；转钎速度低，轴推力要大，采用多回转，少冲击，使孔壁完整性较好；减少钻孔时用水量；钻孔时做到准、直、平，防止发生错台；岩层较差时采用高压风清孔；清孔完毕时，及时插入锚管。 6.2.7清孔
成孔后用ф18弯头钢管直至孔底通入高压风清孔，将孔内壁及根部残留废土清除干净。切忌人员正对眼口，以免孔内杂物伤害人员。
6.2.8 孔位检查
钻孔后，孔内石粉必须用高压水或高压风冲洗干净。杆孔深度大于锚管设计长度10cm，锚管插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。孔深检查采用卷尺量测，孔径采用比锚管直径大10mm的PVC管检测。待自检合格后，填写检查记录表格，报现场监理工程师检查合格后，方能插入锚管。
6.2.9 插入锚管
采用人工插入带锥头的锚管；当插入比较困难时，将锚管退出后采用风钻洗孔清空后重新插入，或用风钻直接送入。锚管钢筋保护层在采用水泥砂浆时不小于8mm，其强度等级不应低于M20。 6.2.10 注浆作业
1 注浆材料采用水泥砂浆，水泥选用32.5R以上的普通硅酸盐水泥，质量应满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的各项指标》(GB175)标准；拌合水应符合《铁路混凝土及砌体工程施工规范》（TB1210）的各项规定。
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2注浆用水泥砂浆配合比应根据设计文件进行配置，砂浆具有早强性、可流动性、膨胀密实性功能，属于富水泥砂浆。
3 砂浆拌制采用YI32S-4型拌和机，随拌随用，拌合时间不少于3分钟，注浆过程中注意防止容器内浆液产生沉淀。选用HFV-5D注浆机，注浆时缓慢匀速注
入，以减少浆液中气泡的产生以及冲孔现象。当均匀浆液从孔口流出时，持续10余秒，可以结束注浆。
4注浆参数 注浆压力选择，采用一次升压法注浆，注浆压力要控制在0.5Mpa～1.0Mpa之间；单孔浆液理论计算：
Q=πLR[k]²η
式中，Q为单孔浆液压入量，m³；R[k]=0.6L[0], L[0]为钢管中对中距离，m；L为注浆段长度，m；η为围岩孔隙率各类围岩条件下孔隙率参考值：砂土40%，粘土20%，断层破碎带5%；λ为损失系数，取1.1～1.5。参照秦东隧道施工设计图纸以及相关设计文件。
6.2.11 连接处理
钢管插入时，注意尾部应与钢架面平齐。由于锚管与钢架接触面过小，焊接有效面积小的原因，采用Φ20螺纹管加工成“u”型，并与钢架、锚管有效焊接。 7.劳动力组织
表1 锚管施工人员配备表（单口每班）
工种或职务 工区长 技术主管 专兼职安全员 质检员 锚管加工、运输 人数 1 1 1 1 2 钻孔、清孔 注浆 锚管安装
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4 3 2 工种或职务 人数 电工 空压机司机 8 设备机具配置
1 1 隧道单口施工，设备机具配置应结合隧道开挖方法、工期要求进行合理配置，配套的生产能力应为均衡施工能力的1.2～1.5倍。
表2 施工主要机械设备配置表（单口每班）
机械设备名称 注浆泵 空压机 风钻 通风机 切割机 数量 1台 1台 2台 1台 1台 9 质量控制
9.1易出现的质量问题
表3 易出现的质量问题
序号 1 现象 眼孔不直 孔位过深或过浅钻孔孔径过大或过小 眼孔内有碎屑 注浆时砂浆下滴 压力表读数不在控制范围内 角度过大或过小 主要原因 钻孔时，凿岩机下端位移动 影响 锚管不易安装到孔底 2 3 4 5 未按设计要求施工 清空风力不足 砂浆过稀成孔口堵塞不良 注浆压力不够或不稳 降低锚固能力 安装锚管、注浆均困难 孔内砂浆不饱满，降低锚固能力 腔内砂浆不饱满，锚管容易锈蚀 影响沉降量 6 钻机摆放位置 9.2 保证措施
9.2.1 施工中各工序完成后按《铁路隧道施工规范》（TB1204）及《铁路隧道工程质量检验验评标准》（TB10417）进行验收，合格后方可进入下道工序，凡不合格者必须进行返工，使其达到质量标准和设计要求。
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9.2.2 钻眼孔位应作标记，以避免与钢架间距误差过大或过小，降低锁脚稳定效果。钻孔直径应大于锚管直径25mm，为使锚管周围都有一定厚度的砂浆与孔壁粘结，以保证达到所需要的抗拔力。
9.2.3 灌浆前应将孔眼吹净，使砂浆与孔壁黏结良好。灌浆饱满与否是保证锚管质量的关键，注浆是从孔底向孔外，当孔口有砂浆溢出时，即表示孔内砂浆饱满。
9.2.4 锚管安装位置居中，使砂浆均匀包裹杆体四周，在孔口可用止浆塞封固，既可固定锚管位置，也可防止大量浆液外溢。 10.安全措施
10.1主要安全风险分析
对所有人员进行岗前培训。严格用电制度，施工用电有专人负责；注浆机后面不得站人，防止注浆管破裂时，造成人员伤害。 10.2保证措施
10.2.1施工人员到达工作地点时，应检查工作面是否处于安全状态，并详细检查支护是否牢固、如有松动石块或裂缝，应及时予以清除或支护。施工期间，应对支护的工作状态进行定期和不定期检查。在不良地质地段，应由专人每班检查。
10.2.2作业中如发生风、水、输料管路堵塞或爆裂时，必须依次停止风、水、料的输送。
10.2.3对锚管支护体系的监控量测中发现支护体系变形、开裂等险情时，应采取补救措施。当险情危急时，应将人员撤出危险区。 11.环保措施
11.1设固定的垃圾桶、垃圾坑盛放垃圾，定期清理运至指定的垃圾处理场。 11.2生产、生活污水经沉淀池沉淀经检验达标后排放。
11.3及时清理、清扫施工现场，尤其是洒落的扬尘。保持场地清洁，避免不洁物质与大气降水接触，污染水体。 12.应用实例 12.1工程简介
秦东隧道是郑西铁路客运专线ZXZQ10标段的主要工程，位于陕西省潼关县境内。隧道起讫里程为DK333+312～DK340+996，全长7684m，设计为座双线大跨黄土隧道。隧道正洞内围岩主要为砂质黄土，在远望沟附近穿越粉质黏土地层，
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隧道洞身最大埋深200m，最小埋深为-0.6m（远望沟沟心段）。隧道通过区为黄河Ⅱ级阶地和I级黄土台塬区，其中黄河Ⅱ级阶地表层为第四系上更新统风积的砂质黄土所覆盖，下伏上更新统冲积砂质黄土；I级黄土台塬区，表层为第四系上更新统风积的砂质黄土，厚20～45m，下伏第四系中、下更新统风积的砂质黄土，中间夹有数层粉质黏土层，总厚150～200m，底部为冰湖积粉质黏土及砂层。
12.2施工情况
2005年9月25日在进口召开秦东隧道开工典礼，2005年10月28日秦东隧道2#斜井开始施工，2006年3月12日秦东隧道出口开始进入正洞施工，全面拉开了秦东隧道施工的序幕。2007年8月16日8时16分，秦东隧道3#斜井西安方向正洞与出口胜利贯通，经过对其贯通误差的测定，横向偏差为11mm＜100mm（允许偏差），高程差为5mm＜50（mm）。2008年4月10日19时29分，秦东隧道进口和1#斜井郑州方向正洞胜利贯通，经过对其贯通误差的测定，横向偏差为2mm＜100mm（允许偏差），高程差为3mm＜50（mm）。标志着秦东隧道全线胜利贯通。在近三年的施工中曾连续三个月突破百米成洞，并创闯下了月单口91米成洞的黄土隧道之最，单工作面最大月开挖105米,多口连续三个月月进尺557.4米的记录。 12.3工程结果评价
通过锁脚锚管打设，对控制软弱围岩地段开挖中的整体下沉和围岩收敛，进行沉降观测分析，可减少拱顶下沉的30%以上，水平收敛可减少10%以上，有效提高初期支护的安全性。
锁脚锚管与型钢钢架或格栅钢架有效焊接，增加整体性能和承载能力。 提高拱脚承载能力的办法：加锁脚注浆锚管，拱脚处加设钢垫板。锚管外露端采用氧焊烤热后扳至90o弯度与钢架外侧紧密焊接，不得采用电焊灼烧弯曲点
造成杆体损伤。
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图4 锁脚锚杆一 图5 锁脚锚杆二
图6 锁脚锚杆三
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