随机锚杆在大洞径引水隧洞一期支护中的应用

胡 鑫 于厚文

（辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100）

1 工程概况

大盈江水电站为引水式大（2）型水电站，装机4台175MW水轮发电机组，最大坝高35m，正常蓄水位相应最大库容16×104m3。引水隧洞长14km，钢筋混凝土衬砌厚度0.4m，内径8.5m，一般开挖洞径9.3m，遇有断层或破碎带，洞径为9.7m。共设6个施工支洞，12个掌子面掘进。

引水隧洞沿线基岩为球状混合片麻岩、黑六角闪斜长片麻岩和花岗质混合片麻岩。岩层多为单斜构造，局部有皱曲构造。片麻岩走向与隧洞轴线夹角较小，地下水位高于洞顶。引水隧洞埋深100m～200m，属深埋隧洞。根据岩体特性，将围岩划分为Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类及断层破碎带4类型，分别采用A型、B型、C型及D型支护形式。Ⅲ类围岩为主，Ⅳ类围岩次之，Ⅱ类围岩较少。

2 锚杆的作用

正确理解锚杆在隧洞开挖支护的作用，才能真正认识到随机锚杆的重要程度。锚杆的作用一是起悬吊作用，对于围岩有可能脱落的石块，通过有一定锚固长度的一根或多根锚杆将石头固定住，而不使其脱落。二是紧固围岩内部结构，围岩节理裂隙比较发育，通过锚杆的穿插胶结，使其围岩整体性加强，增加围岩的自身的承载能力，维护围岩的稳定。三是遇有层理结构，通过锚杆穿插胶结成整体，使其联合受力，保持围岩的稳定。

3 随机锚杆的必要性

3.1 系统锚杆与随机锚杆的关系

设计者根据常规设计原则，在地质条件勘测不为详尽的情况下，通常都设计系统锚杆。本工程大多数是Ⅲ类和Ⅳ类围岩，系统锚杆间距分别为3m×3m和2m×2m。根据锚杆的作用原理，如此大的间距，如恰遇到节理发育带能起到作用。但间距大，每根锚杆作用范围小，对这一段节理发育岩体整体稳定作用不大。如遇到完整围岩，自身稳定较好，如此大的间距布一根锚杆又不起多大作用。所以是否必须布设系统锚杆大有商榷的必要。洞挖过程中，既要保证围岩的稳定，又要减少浪费，最好是根据爆破后的围岩情况，由业主、设计、监理、施工各方根据实际情况和施工经验布设随机锚杆。

3.2 随机锚杆的认识和必要性

随机锚杆具有随机性，这种随机性恰好化解了由于地质条件勘测不周详而使围岩成动态性的问题，也就是随机锚杆应根据围岩的具体情况而布设。引水隧洞开挖的山体都是长期处于稳定状态的，洞挖后形成空腔，围岩内部压力要重新分布，从而再达到新的相对稳定。在内部压力重新分布的过程中，由于围岩的岩性、节理裂隙发育程度等原因，有可能出现岩石碎块脱落或大量脱落造成塌方，为此及时布设随机锚杆主动进行支护是极为重要的和必要的。

4 随机锚杆的应用

4.1 随机锚杆的布置

本工程引水隧洞沿轴线均是片麻结构，从左向右倾斜，平均 50°～70°左右，因此右侧围岩相对稳定，而左侧围岩因向右倾斜，相对稳定性差。一般情况下，左侧布设随机锚杆较多，右侧布设随机锚杆较少。锚杆间距一般采用1.5m×1.5m，如果节理裂缝较发育及破碎带间距采用1m×1m，梅花形布置。

4.2 锚杆规格的选取

本工程锚杆采用Φ25Ⅱ级钢筋，长度为3m～4.5m。根据锚杆作用原理，无论何种受力条件，即使造成塌方仅出现锚杆拔出，基本没有锚杆拉断现象发生。因此锚杆的灌注质量是锚杆起作用的主要因素，锚杆直径超过25mm是没有必要的。锚杆直径的选取除了可以计算确定，也可以根据钻孔机具成孔直径及锚杆布置来决定。锚杆布置间距小，直径可减小。规范规定"先注浆后插锚杆，孔径大于锚杆直径15mm。先插锚杆，后灌浆，孔径要大于锚杆25mm"。满足上述要求钻孔孔径不能小于50mm。但当前洞挖都使用YT-28气腿风钻，配套钻头是40mm或42mm，成孔都在50mm以下，因此锚杆直径不能大于25mm。但根据经验和其他工程实例，采用Φ22或Φ20Ⅱ级钢筋，同样效果得到保证，而且灌注质量有保证，速度加快，降低成本。

4.3 保证锚杆的灌注质量采取的措施

灌注锚杆通常使用水泥砂浆和锚固剂。由于锚杆布设方向原则上必须垂直岩石节理面或垂直开挖的岩面，所以水泥砂浆用于向下倾斜的锚杆灌注效果较好，向上倾斜或顶拱锚杆注浆就比较复杂。水泥砂浆强度等级不低于20MPa，水泥标号采用不低于P.O32.5级的普通硅酸盐水泥，标号高凝固后强度高。砂宜采用细度2.2～2.8之间的中砂。锚固剂要根据施工程序和施工部位采用合格的产品。锚固剂外径宜采用32mm，初凝时间20～30min，终凝时间50min以内，给安插锚杆留有充分时间。

锚杆的灌注质量决定锚杆是否起到锚固作用。确保锚杆的灌注质量，首先对孔壁必须进行清洗、吹干，由此砂浆或锚固剂才能够和钢筋牢固胶结。其次必须保证砂浆或锚固剂能够将钢筋充分包裹后将钢筋和孔壁之间的孔隙充分充填。

使用水泥砂浆灌注锚杆，锚杆向下倾斜，无论先插锚杆或后插锚杆，砂浆都会灌注的饱满，质量得到保证。但锚杆向上倾斜，顶拱锚杆就不能采用先灌浆后插锚杆的方法，必须先插锚杆，然后用砂浆泵注浆，同时及时封闭孔口，防止砂浆流淌。如果锚杆直径选用16mm～20mm，可采用干硬性砂浆，用喷浆鼓风力注浆，灌注效果很好。但直径较大的锚杆，由于锚杆与孔壁间隙小，喷浆管插不进去而无法注浆。当然如果使用特殊大钻头造孔，喷浆管能插入孔内，采用干硬性砂浆效果更好。

使用锚固剂灌注锚杆，当锚杆长度3.5m以下时，效果好，锚杆长度超过3.5m，甚至选4.5m，直至6m，则有一定困难。因为锚固剂浸泡后，要一卷一卷送入孔内，尤其高部位或顶拱锚杆，当把锚固剂送完，插入锚杆时，孔底先送入的锚固剂已经硬化，锚杆不易打入孔底。锚固剂卷被锚管胀开也不能流淌扩散，不能充分充填孔内缝隙，锚杆起不到应有的作用。所以使用锚固剂，必须在适当的部位，较短的锚杆应做好充分的施工准备，从锚固剂的浸泡时间掌握，传递和向孔内传送的过程都要加快。为了顺利打入锚杆，锚杆头部削成尖状，打入阻力减小，极易冲破锚固剂卷，确保锚杆灌注质量。

结语

本文只对本工程一期支护中随机锚杆的必要性、布设和保证锚杆质量的几个方面进行阐述，虽然隧洞施工技术不断进步，但锚杆支护必不可少，今后施工中更应加强这方面的研究，以确保工程施工安全。

[1]王小平;软岩巷道合理支护时间模拟研究[J];采矿与安全工程学报;2006（01）

[2]王同旭,秦忠诚,时连强;围岩变形的时间性与支护作用原理 [J];矿山压力与顶板管理;2001（04）