设计优化及改进措施

在隧洞的开挖、支护施工中，为了加快工程进度，提高施工安全和质量的保障，减小隧洞开挖范围，缩短施工工期，对不良地质条件下的隧洞采用控制性开挖、加强支护的处理方式，已成为隧洞工程施工的主导思路。但采用何种支护方式较为经济合理，必须结合工程的地质情况确定支护方案，达到既经济合理又能满足工程需要的效果。

龙开口电站水资源综合利用一期工程输水隧洞15条，隧洞全长15 679.8 m，占线路总长度的23.28%，隧洞穿越线路地质条件复杂，特别是在挤压破碎带和穿越砂卵砾石层地质条件下，普通超前锚杆和超前导管因成孔困难，注浆效果差，支护效果并不理想。为加快施工进度，确保施工质量和安全，经方案比较选用自进式超前注浆锚杆进行超前支护，如图2-4所示。从目前国内已有的文献资料得知，自进式超前注浆锚杆施工资料匮乏，从施工机具、施工工艺、质量控制等多方面需进行现场试验方能确定。

以15#隧洞在不良地质条件下为试验段进行支护方案的分析，方案一是用普通超前锚杆，方案二是用超前导管，方案三是用自进式超前注浆锚杆。

图2-4　自进式超前注浆锚杆示意图

自进式超前注浆锚杆，是一种集钻进、注浆、锚固于一体的新型锚杆，包括锚杆主体，锚杆主体包括至少两段杆体，杆体为内部中空的杆体，杆体的外表面均设有外螺纹，杆体的侧壁上均匀的设有注浆孔，注浆孔在杆体的侧壁上呈交错布置，注浆孔的直径沿杆体的侧壁向杆体的中心逐渐变小；连接套将至少两段杆体连接为一体。本实用新型将钻孔、注浆和锚固有机地结合起来，锚杆通过钻头打入岩体，利用杆体内部空腔将配制好的水泥浆液，采用注浆泵注浆，浆液从锚杆壁注浆孔压入锚杆周边岩体内，将锚杆锚固在岩体内，同时对周边松散岩体进行固结，完成超前支护及松散岩体的固结灌浆。

自进式超前注浆锚杆，由杆体、钻头、连接套、止浆环、钢垫板等组成，杆体采用中空的螺纹钢管制成。杆体采用强度高于HRB400型螺纹中空钢管，强度高，具有较强的抗力特性，杆体的内部中空腔体的直径不小于15 mm，在杆体壁打注浆孔的直径为6～10 mm，注浆孔之间的间距为20 cm；连接套的内表面设有与所述外螺纹配合的内螺纹，连接套采用强度较高的钢材制成；钻头采用前度较高的合金钻头。

在同等工况下，于一般破碎区和严重破碎区，采用与设计长度和型号相同的，4.5 m长的φ25普通超前锚杆、φ42超前导管和φ25自进式超前注浆锚杆进行技术指标和经济指标试验，试验结果比较分析见表2-4。

表2-4　锚杆抗拔强度对比表（单位：kN）

1.抗拔强度

从表2-4可见，在一般破碎区：4.5 m长普通超前锚杆拉拔极限值在60～90 kN，超前导管杆抗拔极限值均在140～150 k，而自进式超前注浆锚杆抗拉拔极限值均在160～180 kN，自进式超前注浆锚杆抗拔力增加也更为明显。严重破碎区：4.5 m长普通超前锚杆拉拔极限值在55～70 kN，超前导管杆抗拔极限值均在130～145 kN，而自进式超前注浆锚杆抗拉拔极限值均在150～170 kN，较普通超前锚杆和超前导管抗拔力优势明显。一般而言，随着岩体完整性降低，锚杆的拉拔极限值随之降低，普通超前锚杆随着岩体破碎程度加剧拉拔极限值下降更加显著，而自进式超前注浆锚杆在严重破碎岩体中拉拔极限值损失较小。

2.注浆效果(www.xing528.com)

锚杆的注浆质量至关重要，直接影响到支护围岩效果。注浆压力和注浆量是反映注浆效果的两个主要指标。

1）注浆压力

岩体破碎程度严重影响到注浆压力，一般破碎区注浆压力在1.0 MPa以上，而在严重破碎区，第一次的注浆压力为0.35～0.5 MPa，经二次灌浆，压力可达到1.0 MPa以上。在一般破碎区，中空注浆锚杆的注浆压力略大于普通砂浆锚杆，而在严重破碎区，自进式超前注浆锚杆注浆压力明显大于普通砂浆锚杆的注浆压力。

2）注浆量

严重破碎区内锚杆的注浆量远高于一般破碎区的注浆量，可达3～6倍，自进式超前注浆锚杆的注浆量亦明显大于普超前浆锚杆和超前导管的注浆量，约为它们的2～2.5倍。

3.变形分析

锚杆的变形间接反映了杆体的力学及变形特性。从锚杆的极限变形和循环加荷变形情况来对比分析普通超前锚杆、超前导管、自进式超前注浆锚杆的变形性能。循环加卸载的变形能体现锚杆在反复作用力下的变形性能。是三种锚杆在严重破碎区的循环加卸分析图，从循环加卸图分析，自进式超前注浆锚杆的最大变形为20 mm，最终变形为16 mm；具体变形过程为：在加载段内，自进式超前注浆锚杆初始变形较大，而后逐渐增加，在荷载150 kN下，自进式超前注浆锚杆变形仅为20 mm，在卸载过程中，锚杆的变形较小，三者均只有4mm的减少量。

根据循环加卸载试验和极限拉拔试验分析，在正常的设计值内，自进式超前注浆锚杆的变形要略小于其他两种锚杆，而达到拉力设计值后卸载后两者的变形减小均较少。围岩破碎程度越高，自进式超前注浆锚杆加固效果相对于其他两种锚杆越明显。自进式超前注浆锚杆在一般破碎区内极限拉拔力和全长其他两种的相差不大，本试验区在180 kN附近，在严重破碎区，自进式超前注浆锚杆的极限值（179 kN）大于普通超前锚杆（153 kN），自进式超前注浆锚杆和其他两种锚杆相比，变形相差不大，不因杆体中空而加剧杆体的变形量，其变形性能和一般锚杆性能类似。

自进式超前注浆锚杆在加固破碎围岩中具有较大的优点，节省钢材，施工方便，注浆压力易控制，能有效提高灌浆压力，增加灌浆量，有效增加杆体同围岩黏结力。鉴于上述，本项目在施工过程中遇到围岩为砂卵砾石层及围岩严重挤压破碎带采用自进式超前注浆锚杆优于普通超前锚杆和超前导管注浆，在实际工程当中取得了较好的加固效果。

4.施工效率

普通超前锚杆和超前导管在一般破碎区施工效率区别不大，自进式超前注浆锚杆因一次钻进成型，效率约增加10%～20%；在严重破碎区，存在塌孔、卡钻、插杆困难等问题，普通超前锚杆、超前导管施工效率低下，有时需超前压浆固化后再造孔，特别地质条件特别差的地段超前导管无法施工，而自进式超前注浆锚杆不存在塌孔、卡钻、插杆困难等问题，其效率是前两者的2～5倍，其经济优势明显。

5.经济性

在同样难度的施工条件下，一根普通砂浆锚杆的单价是100～120元/根，而一根中空自进式注浆锚杆的单价是200～250元/根。表2-4是普通中空锚杆与中空自进式锚杆在龙开口电站水资源综合利用一期工程隧洞工程施工中的统计数据。从每米锚杆造价来分析：自进式超前注浆锚杆较普通砂浆注浆锚杆高15%左右；从每千牛抗拔力造价来分析：对一般破碎围岩区，自进式超前注浆锚杆较普通中空注浆锚杆高30%左右，对严重破碎区，较普通砂浆锚杆低10%左右，所以从每千牛抗拔力造价来分析，严重破碎围岩区自进式超前注浆锚杆较普通砂浆锚杆经济优势明显。