1. 引言
随着我国隧道建设重心逐渐向西部艰险山区转移，高应力软岩大变形隧道工程愈发普遍 [1]。传统以系统砂浆锚杆、喷砼和钢架为核心的全被动型支护模式，已难以取得较好的支护效果，如兰新线上的乌鞘岭隧道、广甘路上的杜家山隧道、兰渝线上的木寨岭铁路隧道等 [2] [3] [4]，均普遍出现了诸如锚杆拉断、喷射砼开裂脱落、钢支撑扭曲等问题，导致支护结构拆换率居高不下，严重影响施工进度，施工代价高昂。为此，从“调动”和“发挥”围岩自承载能力的理念出发，汪波等 [5] 提出的以“预应力锚固系统”为核心的快速主动支护理论预注浆成为了软岩隧道工程开挖支护的新发展趋势。
快速主动支护理论虽在我国煤矿巷道工程中已得到较多应用 [6] [7] [8]，但其对应的支护构件多仅适用于巷道工程的短期服役或临时支护需求，无法满足隧道工程耐久性的要求。如在巷道工程中广泛应用的端头树脂锚固系统，其支护效用性仅依赖于端头树脂段的锚固力，而树脂作为一种遇水易失效的化学药剂，可靠性较差，因此该支护结构不宜作为交通隧道工程的支护结构。同时，限于支护理念、习惯，隧道工程中的预应力锚索施作多是在喷砼完成之后，现有的隧道预应力锚索支护技术从环境、理念、材料等均难以实现及时主动支护理论。
综上，为在软岩大变形隧道中实现主动支护技术，研发一种能实现高强预应力快速施加且能满足隧道工程长期服役要求的锚固系统及在这基础上对其施工工艺、锚固效果和具体的支护情况进行初步试验研究将显得尤为重要、极具实践价值。故本文将以渭武高速木寨岭公路隧道为工程依托，分析研制的适用于软岩隧道的“及时(树脂端锚) + 永久(水泥浆全长锚固)”快速预应力鸟笼锚索系统(以下简称鸟笼锚索)；同时，在现场开展施工工艺研究，并试验其主动支护能力及其围岩位移控制性能。
2. 工程概况
渭武高速木寨岭公路隧道地处秦岭构造带，穿越漳河与洮河的分水岭木寨岭，横跨漳县、岷县，是甘肃及西北地区通往西南地区的重要通道。隧道为分离式两车道隧道，左线全长15,231 m，右线全长15,173 m，最大埋深为629.1 m。隧址区地质情况复杂，岩性主要为炭质板岩(见图1)，占比约为隧道全长的50%，单轴饱和抗压强度为16.37~28.48 MPa，且岩体完整性差。隧址区地应力以水平构造应力为主导，由水压致裂法测得其最大水平主应力高达24.95 MPa，方向为N34˚E，推算隧道围岩强度应力比为0.66~1.14，隧址区内均属极高应力。
Figure 1. Longitudinal section of Muzhailing highway tunnel
图1. 木寨岭公路隧道纵断面图
新建的木寨岭公路隧道与已建成的木寨岭铁路隧道基本平行，在充分调研铁路隧道实际大变形情况的基础上，隧道设计之初根据不同大变形的等级制定了相应的支护参数，以隧道右线YK218 + 800~+820段为例，衬砌结构支护参数如表1。
Table 1. Design support parameters of Muzhailing tunnel
表1. 木寨岭隧道试验段设计支护参数
表1可以看出，木寨岭公路隧道采用的是“及时被动强支护”模式，设计参数的取值均已达到或超过了规范推荐值 [9]。在该支护模式下，YK218 + 800~+820段累积下沉量247~529 mm，最大收敛速率112 mm/d，出现了局部侵限(见图2)、钢支撑扭曲、喷射砼开裂等大变形现象，说明了“及时被动强支护”模式在木寨岭隧道中的适用性有限。由此，结合锚杆在大变形隧道支护体系中扮演的重要角色，以现场拉拔锚固实验为依托，提出了以“预应力锚固系统”为核心的快速主动支护理论与技术。
3. 新研鸟笼锚索系统的结构组成及要求
为满足软岩大变形隧道支护结构对及时主动性和耐久性需求，考虑到机械锚固在软岩隧道适用性差 [10] 及水泥基锚固等待时间偏长的不足 [11] [12]，再结合树脂锚固具备快速施加预应力的能力 [13] [14] 和水泥浆液锚固具备良好的长期支护强度 [15] 等既有研究成果的前提下，提出、并研制了“树脂端锚 + 水泥浆全长锚固”的快速预应力鸟笼锚索系统，其结构如图3所示。
Figure 3. Resin and grouting (birdcage type) anchor system
图3. 树脂 + 注浆(鸟笼型)锚索系统
鸟笼锚索系统由锚索体(含鸟笼段)、注浆球垫、防腐套管、垫板和锚具等细部结构组成，其结构简图如图4所示，各结构依托其自身属性发挥不同的效用，具体的技术要求如下：
Figure 4. Sketch of birdcage anchor structure
图4. 鸟笼锚索结构简图
1) 锚索体采用1 × 19S-21.8 mm-1860 MPa 锚索，钻孔直径45 mm。鸟笼段是在原有锚索体上加工形成多个“鸟笼形”膨胀节，膨胀节的外径小于锚孔，但大于锚索(原)本体，因其形似鸟笼而命名，最大直径为34 mm，其结构如图5所示。“鸟笼形”膨胀节的作用分为两个方面，一方面，膨胀节的端部扩大且“分散型结构”可使得树脂锚固剂的搅拌更为充分，且可使锚索居中度提升，从而进一步增强锚固剂与索体之间的粘接，能有效增强锚固力，改善前端树脂锚固的效果；另一方面，该结构使得锚索系统既满足了隧道工程相关规范对锚杆/索保护层厚度(>8 mm)的要求 [16]，又实现了树脂锚固施工工艺中的三径(钻孔直径一般为45 mm、锚固剂直径和锚杆/索直径)匹配性要求 [17]。
Figure 5. The structure of the birdcage section
图5. 鸟笼段结构形式
2) 注浆球垫可视为由三部分组成：中空型球形垫圈、沿中轴线方向延伸的连接管和斜向伸出的注浆孔，其中球形垫圈的中心孔与注浆孔交汇连通，起到衔接的作用，其结构如图6所示。
3) 防腐套管为连续波纹型PVC薄壁管，长度稍短于锚索全长，尺寸为36 × 32 × 1 mm，其结构如图7所示。对比一般的圆管，防腐套管凹凸起伏的波纹结构不仅提高了自身刚度，便于套管的插入，且能防止阻塞浆液流动和粘结，还能提升与注浆材料的粘结强度，使得锚固完成后的锚固力得到有效提高，具有高强性的特点。进一步，锚索体上包裹防腐套管，浆液固结后形成了“双层”保护层体系，内保护层为索体与防腐套管的灌浆体，外保护层为防腐套管与锚孔壁中的灌浆体，且内、外保护层不相互连通，即若发生砂浆开裂等侵蚀物质，防腐套管将作为屏障防止其侵入锚索体，大大提升了锚索锚固系统的防腐能力，尤其是当锚固系统处于高应力状态下，该结构的作用将大为凸显，这也为隧道的长期支护要求提供了基础。
4) 垫板和锚具结构形式如图8，垫板尺寸采用250 × 250 × 20 mm的大尺寸垫板，以更好地实现预应力的扩散。其中心孔直径60 mm，该尺寸与注浆球垫尺寸相匹配；而锚具采用锥形3夹片形式，有利于提升锚固的可靠性。
4. 鸟笼锚索施工工艺、要点及“主动–永久”支护原理
Figure 9. Construction process flow chart
图9. 施工工艺流程图
图9为鸟笼锚索系统施工工艺流程图，其施工工艺核心是钻(钻孔)、锚(搅拌锚固)、注(注浆)，涉及搅拌时间和静置时间两个关键性参数。为保证施工进度推进中尽快形成“锚索–围岩”支护结构，应将锚索系统的施工应优先于其余常规支护措施，其施工主要控制流程包括施工准备、测量与放样(确定锚索位置)、钻孔、清孔与验孔、安装锚固剂、插入锚索、搅拌锚固、安装附件、张拉预应力和注浆。过程中的关键控制要点如下：
1) 施工准备：复核施工人员信息，材料及机械设备配套性与适用性；清除作业面杂物、附着泥土和松动岩块；施工风、水电、照明就绪。
2) 钻孔：由专人检查复核钻孔处安全情况和钻孔位置；钻孔方向应与岩面垂直或尽可能与岩层大角度相交，当夹角过小时，钻孔角度可视情况局部调整(施工中需征得监理工程师同意)；钻孔施工宜优先采用旋转式锚杆钻机，以确保成孔质量；每一钻孔至少应由两人协同完成，上台阶钻孔过程中，应密切注意顶部围岩，以防掉块伤人；钻孔深度以满足施加锚索预应力的要求(对照具体的预应力加载工具)并符合安装完成后锚索外露长度不大于350 mm的设计要求。
3) 安装锚固剂：宜采用PE管，沿钻孔壁缓慢、逐节推入至孔底；完成后应确保锚固剂不滑落；推入过程中应采取有效措施避免锚固剂破裂及无法推入等情况发生。
4) 插入锚索：鸟笼锚索推入应采用人工方式；必要时可采用钻机进行“旋转推入”(尽可能避免)，但应注意可能出现的机械伤害。
5) 搅拌锚固：树脂锚固剂搅拌宜采用手持式钻机进行；对不宜操作部位可采用锚杆钻机进行。搅拌时间要求根据采用树脂锚固剂的不同存在差异，常用CK (超快)型树脂锚固剂的一般搅拌的时间要求为30 s左右，具体的时间划分要求为：边旋转边匀速推至孔底的时间占总搅拌时间的70%左右，推至孔底继续搅拌的时间30%，搅拌过程中不得出现后退锚索。
6) 安装附件(垫板/注浆球垫/锚具)：附件的安装应在规范规定的锚固剂等待安装时间后方可开始，CKb系列锚固剂建议15 min后方可开始安装附件；防腐套管采用旋转方式与注浆球垫进行连接；垫板尽量在平顺的岩面上安装，保证垫板与岩面密贴，避免点接触与线接触等情况发生，保证垫板发挥作用。
7) 张拉注浆：张拉用设备、仪表应事先进行标定、复核；张拉在附件安装完成后实施；鸟笼锚索张拉施工宜采用气动锚索张拉机具，控制张拉力应满足设计要求。张拉完成后立即实施注浆；注浆材料符合设计要求；注浆压力宜保持在0.5 MPa左右，待浆液从垫板背后溢出停止注浆。图10为鸟笼锚索系统施工关键过程图。
上述鸟笼锚索系统的树脂端部在完成锚固之后，及时施加的预应力会通过垫板及时主动地对周边隧道洞壁围岩施加约束，并在垫板与端锚间形成压缩区，压缩区内岩体物理力学参数会得到一定的提升，从而达到改善变形的目的，谓之“及时主动支护”。而后注浆技术通过注浆球垫(注浆孔、连接管)、防腐套管、锚索形成的一个注浆通道完成，实现了浆液“自底向上”的“中空注浆”能力，确保了注浆的可靠性与密实度。在变形基本稳定之后进行后注浆一方面能够减少预应力损失，更重要的则是避免了锚索系统后期因端头锚固力不足失效后系统的整体失效，从而确保锚固系统在隧道全服役期间能发挥可靠的支护效应，从而提高结构的安全性，实现“永久支护”。综上，该鸟笼锚索结构实现了软岩隧道支护及时主动性及耐久性的双重要求，兼具了永久与临时支护的功能。
5. 鸟笼锚索支护技术的现场试验研究
1) 锚固效果试验
为检验鸟笼锚索系统在软岩大变形隧道中的适用性和可靠性，在木寨岭隧道渭源向里程YK218+030.0~020.0断面上、中台阶开展了鸟笼锚索现场锚固拉拔试验。该段岩性主要为薄层状炭质板岩(夹砂质板岩) (见图11)，产状90 (~135)˚∠45 (~60)˚，层厚1~20 cm；地下水主要为基岩裂隙水、不发育；岩块的点荷载换算强度23.3~33.4 MPa (3组)。
试验选用锚索体为无粘结型5 m长1 × 19s-21.80 mm-1860 MPa钢绞线，最大力583 kN，屈服力(0.2%) 513 kN，伸长率3.5%，鸟笼段长度1.2 m，含4节“鸟笼形”膨胀节，最大直径34~35 mm (见图5)；树脂锚固剂(见图12)采用3节CKb3540 (直径35 mm、长度40 cm)，换算理论锚固长度1.02 m。
试验过程中使用锚杆钻机打设Φ45 mm锚孔后，采用ZQS-50/2.3S型气动手持式钻机搅拌锚固，锚固15 min后，采用45 t手动油压穿心千斤顶(MQ22-450/60)进行拉拔(见图13)，设定极限拉拔力为加载过程中索体位移出现明显增长。
Table 2. Birdcage anchor pull-out test records
表2. 鸟笼锚索拉拔试验记录
备注：试验中为获取数据采用的是人工加载的方式，费时较长；而工程中将采用气动液压千斤顶单根锚索的预应力张拉时间在1~3 min即可完成。
表2为让压锚索3次的锚固拉拔的具体耗时和极限拉拔力值，分析可知1 m树脂锚固的锚固力超过了400 kN，显示研制的鸟笼锚索具备高强支护能力，可加载较高的预应力；同时，具体的施工耗时上，5 m鸟笼锚索从钻孔到最终注浆完成的时间一般在37~49 min (采用气动液压千斤顶加载预应力)，即单根锚索的施工耗时平均在43 min左右，具备很好的快速支护能力。
2) 鸟笼锚索支护效果分析
对比采用原“被动强支护”型支护YK218 + 780~+800和采用将系统锚杆替换为鸟笼锚索系统的及时主动支护YK218 + 800~+820位移数据，围岩变形控制效果极为明显，断面最大位移由247~529 mm降至132~229 mm。
6. 结论
本文提出一种适合于软岩隧道的快速预应力锚固系统，即“及时(树脂端锚) + 永久(水泥浆全长锚固)”快速预应力鸟笼锚索系统，并在木寨岭公路隧道典型大变形段进行了工艺性试验研究与支护效果分析，得到主要结论如下：
1) 鸟笼锚索系统由锚索体(含鸟笼段)、注浆球垫、防腐套管、垫板和锚具等组成。其中，“鸟笼形”膨胀节的存在既增强了锚固力，又满足了树脂锚固中的三径匹配要求，具备实现快速高强支护的能力；而注浆球垫与防腐套管等形成的注浆通道及多重防腐能力，既确保了注浆的可靠性和密实度，又提升了支护结构的长期耐久性，确保实现了永久支护。
2) 现场拉锚固拔试验结果表明，单根锚索的施工耗时平均在43 min左右，具备很好的快速支护能力；同时，1 m树脂锚固长度时，锚固力超过了400 kN，具备了高强预应力主动支护能力。
3) 木寨岭公路隧道典型大变形段试验结果表明，鸟笼锚索系统具有显著变形控制效果，隧道断面最大位移由采用原被动支护模式下的247~529 mm降至了132~229 mm。
基金项目
甘肃省科技计划资助(19ZD2GA005)。