杨晓敏
(秦皇岛广瑞工程项目管理有限公司，河北 秦皇岛 066100)
1 工程概况
某隧道工程全长6.35km，最大高度9.2m，最大宽度6.1m。地质勘查结果表明，内部地质构造较为复杂，且存在软弱围岩、断层破碎带等不良地质。另外，孔隙潜水、基岩裂隙水较多，断层含水量丰富。为防止地下施工出现软岩变形问题，需要采取预应力锚索支护措施。
2 预应力锚索支护设计
2.1 长度设计
预应力锚索由3 部分组成，其结构如图1 所示，在设计锚索长度时，应结合各分段的功能，在满足支护要求的前提下合理调整各分段的长度。根据《岩土锚杆(索) 技术规程》CECS22-2018 中提供的计算公式：
图1 预应力锚索结构图
式中：L 为锚固段长度，单位为cm；N 为轴向拉力，单位为N，D 为锚索直径，单位为mm；q 为岩层与注浆体之间的粘结强度，单位为MPa。通过上式可以得出符合施工要求的锚固段长度，在此基础上按照3:1 的比例，划分出内锚固段和外锚固段。在现有的技术规程中，没有关于自由段长度设计的明确要求，行业内通常以“自由段整体穿过滑裂面，且露出端不低于1.5m”为宜。
2.2 间距设计
预应力锚索的密度越大，提供的支撑力也会相应的增加；但是间距太小，会导致原本就比较局促的地下施工空间变得更加狭窄，不利于机械作业的开展，而且也会相应的提高施工成本。因此，需要通过间距设计，在满足支护要求和减少空间占用之间达到统筹平衡。根据压缩拱理论，压缩拱内径可由公式R=r+a/2 表示。式中R 为压缩拱内径，r 为洞室半径，a 为锚索横线间距。转化可得，锚索间距a=2(R-r)。
2.3 倾角设计
锚索在水平面上的投影，与锚杆之间的夹角，即为预应力锚索的倾角。研究表明，在施加相同预应力的情况下，在0-15°以内，随着锚索倾角的增加，相邻两根锚索之间有效压应力的叠加区域也会随之扩大，从而提供更强的支撑力；而在15-30°之间，两根锚索之间有效压应力的扩散区域大于叠加区域，支撑效果反而下降。超过30°，两根锚索的有效压应力区域收缩，几乎没有重叠区域，因此支护作用被极大的削弱。基于此，在应用预应力锚索支护时，应保证其倾角在15°为宜，取得最为理想的支护作用。
2.4 锚固力设计
为了增强锚固力，施工中通常会选择专门的锚固剂，将其与水泥砂浆混合后，形成注浆材料，使岩层与锚索之间的连接强度得到进一步提升。在锚固力设计中，选择何种锚固剂是必须要考虑的问题。树脂锚固及具有环境适应力强、承载力大、抗水防渗效果好等特点，是现阶段富水地质地下工程施工中，比较常用的一种锚固剂。在钻孔之后，将锚固剂注浆材料注入钻孔内，插入锚索，如图2 所示。其中，杆体插入锚固剂的长度(L)，将会直接决定锚索的抗拔力(F)。在锚固力设计时，应在杆体长度满足现场施工要求的前提下，尽可能的增加L 值，以便于取得更为理想的支护效果。
图2 锚索拉拔使锚固力受力分析图
3 预应力锚索支护的施工技术
3.1 施工方法的选择
预应力锚所支护技术的日益成熟，使得锚索类型也变得更加多样。其中，自适应预应力锚索具有组装方便、支护效果理想等特点，在复杂地质环境下的工程支护中应用优势明显，其结构组成如图3 所示。在确定支护方法后，还要编制施工方案，明确工艺流程和关键技术。基本流程为：(1)检查设备、材料，无质量问题后安排进场；(2)现场搭设施工平台，钻机就位并完成钻孔和清孔；(3)钻孔期间，现场组装锚索，将自适应装置嵌入到锚索中，核对锚索尺寸，检查锚索质量；(4)安装锚索，注浆加强；(5)进行张拉锁定，封锚。
图3 自适应预应力锚索的结构组成
3.2 施工工艺及技术要点
3.2.1 锚索成孔
根据前期地质调查，施工现场围岩裂隙发育，破碎严重。在施工面上进行清理、整平，露出较为坚硬的岩石后，开始布设钻孔平台。在岩石表面摊铺一层20cm 后的水泥砂浆，形成平整、坚硬的地面。根据施工图纸，标记出各个孔位点。在第一个钻孔处布设钻机，校正钻头、钻杆、点位在一条直线上，并保证钻头垂直。调整钻机参数，包括转速、深度、进给压力等。复核无误后，开始钻孔。在钻至指定深度后，停止加压但不停止转动，让钻头在当前深度下继续转动3 分钟左右，反转拔出，保证成孔效果，防止孔壁坍塌或开裂。
3.2.2 制作锚索
在现场钻孔时，同步开展锚索的加工制作。本次工程中所用锚索，均使用φ16mm 的钢绞线加工形成，现场试验抗拉强度不低于1850MPa。钢绞线的下料长度可略大于设计长度，这样后期裁切端头保证齐平后，不至于出现钢绞线长度不足的情况。下料时必须采用机械切割，不得使用电弧焊烧割。检查钢绞线不存在锈蚀等质量问题后，安装自适应装置，得到自适应预应力锚索。另外，像锚索施工中使用到的注浆管、扩张环等，在该环节也要根据施工要求一并制作，并且将现场加工制作的各类材料分类摆放，统一管理，以备使用。
3.2.3 安装锚索
理论上来说，预应力锚索应现制现用。为了保证施工进度，一次性制作完成后，尽量缩短保存时间，防止预应力锚索出现生锈等问题。在安装前，应再一次核对成孔效果，孔壁无开裂、孔斜率精确，并且孔内无杂质。将准备好的自适应预应力锚索插入，在达到钻孔底部后，施工人员使用夹具固定锚索，准备注浆。
3.2.4 灌浆加固
将掺加了锚固剂的浆液，装入到注浆泵中。注浆泵的出口端，连接一根细导管。将导管的另一端插入钻孔内，然后启动注浆泵，把浆液缓缓注入钻孔内，直到浆液溢出孔口。然后移动设备至下一个钻孔，重复上述步骤。在所有预应力，锚索注浆完毕后，静置一段时间，待浆液完全固结，撤去夹具。在这一环节中，关注的要点有：单孔注浆必须一次性完成，防止分次注浆出现分层现象；注浆完毕后，可立即转动锚索，让锚杆与浆材充分结合，提高抗拔效果。
3.2.5 预应力张拉
完成注浆加固并且养护结束后，开始进行预应力张拉。张拉时，要参考钢绞线的性能参数(见表1)，特别是极限承载力和屈服强度，避免张拉力过大导致钢绞线断裂。基于这一方面的考虑，本次工程中，共分3 级张拉，实际施加拉力分别为设计值的60%、80%和100%。每级张拉时，必须安排专人对张拉方法、张拉力、持续荷载时间等进行现场监控，并做好如实记录，保证张拉效果。
表1 钢绞线的性能参数
3.2.6 封锚
完成三级张拉，并且分析记录数据满足支护要求后，开始进行封锚。封锚防护范围包括锚具、钢垫板、露出钢绞线等。使用M30 水泥砂浆作为封锚材料，喷射砂浆封锚后进行简单养护。
结束语
在软弱围岩地质环境下开挖隧道，做好支护措施至关重要。基于自适应装置的预应力锚杆，支护效果优良，环境适应性强，是一种比较理想的支护方式。在实际应用时，施工单位应基于前期所得地质勘测结果，做好预应力锚索的设计方案，明确锚索间隔距离、倾斜角度和固定段长度。在施工阶段，也要加强技术管控，其中成孔效果、锚索制作与安全，锚固剂浆液灌注与锚索张拉等。只有实行精细化、高标准的质量管控，才能在保障地下施工安全的前提下，切实提高隧道工程的质量。
