大锁脚施工技术在软弱围岩施工中的探索应用

范永锋

中铁一局集团厦门建设工程有限公司，福建 厦门 361000

摘要：近几年，我国铁路建设突飞猛进，尤其是高铁及客运专线，都迎来了建设的高峰时期，高铁修建中，为了减少对土地的占用及环境的影响，大部分设计为隧道及桥梁通过，随着科技的发展，隧道断面设计越来越大，但是在修建过程中，由于山岭众多，工程地质条件复杂，经常遇到隧道洞身穿越软弱围岩或者地质断层的问题，若初期支护拱架的拱脚不能得到有效约束，隧道经常会出现拱架大变形、初支开裂、围岩失稳甚至坍塌等工程灾难。南龙铁路南门口隧道在施工过程中就遇到了软弱围岩大变形的情况，为解决软弱围岩大变形问题，南龙项目部邀请集团公司专家现场踏勘，论证施工方案，并遵循强支护，紧衬砌等隧道施工新理念，创新施工工艺，打设大锁脚方案。项目部经过多次研讨与现场试验，通过改变原设计的锁脚锚管的材料规格与锁脚锚管的打设长度，并在锁脚钢管与钢架连接方面进行优化创新，最终形成了大锁脚的施工工艺。使南门口隧道在软弱围岩施工中的大变形得到了有效控制，施工安全与衬砌质量得到了有效保障，受到了业主单位、设计单位、质监站及监理单位的一致肯定。

关键词：大锁脚；软弱围岩；大变形

1引言

1.1选题的背景

目前在软弱围岩隧道中大多采用锁脚锚杆或锁脚锚管支护的支护方式约束型钢钢架或格栅钢架，以提高支护强度。但由于隧道断面较大以及软弱围岩隧道易变形的特殊性，原设计的锁脚锚管的支护强度不足，未能起到支撑初支的作用，在施工过程中进行台阶转换施工时，易导致隧道初期支护严重变形，结构破坏，甚至引起塌方。

南龙铁路南门口隧道进口位于福建省龙岩市新罗区西陂镇联村，出口位于新罗区龙门镇湖一村，隧道全长10301m，隧道最大埋深380m。进出口里程分别为：DK231+898，DK242+199。是全线唯一一座Ⅰ级高风险隧道。

南门口隧道穿越岩性主要粉砂岩夹石英岩、灰岩、粉砂岩、花岗岩及石英砂砾岩与粉砂岩互层，除侵入接触带、断层破碎带及影响带、浅埋、岩性不整合带部位划为Ⅳ、Ⅴ级围岩外，其余围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级。在灰岩局部地段，岩溶较发育；隧道穿越8条断层带、2处岩层接触带和4处侵入接触带；隧道穿越地层岩质软、节理裂隙发育，岩溶发育，开挖易坍塌。

南门口隧道在穿越富水软弱围岩与断层破碎带地段，初期支护多次发生较大沉降、收敛，导致支护体系失效，隧道初期支护变形、坍塌。时常出现“前面干，后面换”的悲剧。对施工安全构成了威胁，也对项目成本造成了极大损失。

1.2研究的思路

台阶法开挖中，在仰拱未封闭以前，支护过程存在台阶转换的情况，软弱围岩施工时，钢架拱脚处若得不到有效约束，初期支护就会发生较大的变形。针对上述情况，研究如何加强隧道初期支护钢架拱脚的约束，通过改变传统锁脚锚杆（锚管）规格与打设长度，并在钢架与锁脚钢管的连接上进行创新，以及对锁脚钢管进行注浆措施，加固锁脚周边围岩，使锁脚钢管与围岩固结为一体，从而加强支护体系。并在施工过程中加强监控量测工作，及时统计变形情况，进而对施工工艺、工序及锁脚参数进行优化调整，总结出最优大锁脚施工工艺。

2 传统方案

目前在软弱围岩隧道中初支钢架大多采用锁脚锚杆或锁脚锚管的约束方式。

2.1锁脚锚杆方案

锁脚锚杆法是在以台阶法或分部开挖法开挖的软弱围岩隧道中沿隧道横向在拱、墙脚部位打设具有一定下插角和数量的锚杆，并将其尾端与钢架（型钢钢架或格栅钢架）牢固焊接，以增强初期支护整体性，充分发挥初期支护的承载能力。一般设计方案为Φ22或Φ25螺纹钢筋，长度3-4m。

2.2锁脚锚管方案

在围岩较差的隧道中，也就是常说的Ⅳ级、Ⅴ级围岩，可用锁脚锚管支护的方式，采用无缝钢管并在其壁面上钻有交错布置的注浆孔。一方面，利用锚管自身承载能力抑制隧道变形，另一方面，利用锁脚锚管对其周围一定范围内围岩进行注浆加固，提高围岩强度。一般设计方案为φ42*3.5mm或φ50*3.5mm无缝钢管，长度3-4m。与钢架焊接一般采用U型筋抱焊或者“耳朵筋”绑焊。如图1、图2所示：

图2.1 U型筋焊接示意图 图2.2 “耳朵筋”焊接示意图

2.3 传统方案的缺点

传统锁脚方案对钢架的约束方式主要是通过锚杆（管）的施作将钢拱架和围岩固定，并在一定程度上提高拱脚围岩强度。但在软弱围岩隧道中，拱脚围岩易掉块，容易造成拱架后方脱空，在围岩应力释放时施加给初期支护的作用力作用下，相对独立的单根钢拱架容易向净空方向产生大变形，引起其两旁的初期喷射混凝土开裂，导致初支破坏，对围岩的支护作用失效。严重时会导致初支侵线，从而进行拆换拱作业，增加了施工成本，多出了安全隐患。

3 大锁脚方案

3.1大锁脚支护装置结构

大锁脚支护装置包括锁脚钢板、钢花管、钢筋插销、管口止浆阀。

如图3.1所示：带孔的锁脚钢板在钢架加工厂焊接于钢架拱脚之上，每个基脚处钢板采用16mm厚钢板，上部锁脚钢板宽度35cm，高度12cm，下部锁脚钢板宽度45cm，高度19cm。上面割有锁脚钢管穿入的孔。上台阶施工时，先采用4m长φ50*3.5mm无缝钢管对钢拱架临时锁定。待中台阶钢架施工3-5榀时，施做上台阶与中台阶大锁脚。打设大锁脚采用管棚钻机进行施工。

锁脚钢花管无 76*5mm无缝钢管，外径76mm，壁厚5mm，长度6m。钢花管表面按梅花型布置溢浆孔，同一截面上对称布置2个孔眼，溢浆孔孔径10mm，沿钢管长度方向距离50cm。尾部1m范围内不设注浆孔，作为止浆段。

图3.1大锁脚与钢架连接示意图

钻孔角度：第一次施工小锁脚时，与水平方向夹角为8-10°，补打大锁脚时，大锁脚与水平方向的夹角为10-12°。如图3.2所示

图3.2锁脚钢管布置角度示意图

由于钻孔底部有残渣，为了避免钢花管直接与残渣接触，将钢花管底部加工成20cm长锥形头。如图3.3所示：

图3.3钢花管加工示意图

3.2大锁脚支护装置施工工艺流程

大锁脚支护装置具体施工流程如下：

步骤 1：锁脚板加工焊接

将初支钢拱架按照规定的尺寸加工完成后，将割好的锁脚钢板与钢架进行焊接。一般锁脚钢板贴在钢架翼缘板进行焊接，将钢架翼缘板与锁脚钢板相互交叉的四条边均进行焊接，焊缝高度hf=12mm；大锁脚连接钢板采用穿透钢架腹板的方式进行焊接连接，腹板两侧均需进行焊接，腹板割槽采用氧气乙炔进行割矩形孔，宽度17mm，高度170mm。焊缝高度hf=9mm。所有焊接均采用二氧化碳气体保护焊，保证焊接质量，焊接工作均在钢架加工厂完成。出厂前需经过试拼、尺寸检查、焊缝质量检验等工序，经检验合格后方可运至需用工点。

步骤2：小锁脚暂时锁定

将上台阶钢架运往需要需要的工点立设，先施做4m长φ50*3.5小锁脚将钢架暂时锁定。小锁脚钻孔采用风钻进行钻孔，钻头直径52mm，钻头从小锁脚钢板上所割出的孔钻入，钻杆与水平方向夹角10-15°。钻孔深度4m，钻孔完成后将事先加工好的锁脚钢管沿孔道装入。将小锁脚钢管与锁脚钢板焊接牢固，并向锁脚钢管内注1:1水泥浆，通过注浆将锁脚钢管与围岩进行固结。增加锁脚钢管与围岩之间的摩擦力，从而加强锁脚的抗拔力。

步骤3：喷射混凝土与台阶转换

将锚杆网片施做完成后喷射混凝土，喷射混凝土时将大锁脚连接钢板处不喷满，将大锁脚钢板位置与连接孔留出。隧道上台阶施做3-5m后开始进行台阶转换，向前依次下接中台阶，中台阶钢架拱脚也采用4m长φ50*3.5小锁脚将钢架暂时锁定。小锁脚施工工艺步骤与第二步中描述相同，在此不再累赘。由于大锁脚采用管棚机进行钻孔，管棚机作业高度有限，因此施做下台阶之前必须将上台阶以及中台阶基脚处的大锁脚施做完毕。

步骤4：大锁脚钢花管加工

加工大锁脚钢花管分两步进行，大锁脚钢花管加工采用委外批量加工，钢管切割采用砂轮切割机，钢管下料长度6m。

第一步：锥形头加工，采用氧气乙炔在一端割出20cm长的三角锥，分六瓣切割，三角锥高度20cm，底宽4cm。切割完成后将剩余的三角尖合拢，加工成锥形，接缝处采用焊接，最顶端可留出5-10mm不焊接作为溢浆孔。

第二步：钻孔，先用墨斗在φ76*5mm钢管上弹出4条墨线，沿周长等分，然后按50cm间距进行梅花型布孔。标记完成后采用台钻进行钻孔，钻孔直径8mm。钻孔完成后需将锁脚管内的钻渣清理干净。

步骤5：打设锁脚钢管安装孔

待 中台阶施做3-5榀时，根据量测情况，若量测数据未出现预警，则可将中台阶向前多施做3-5榀，若量测数据出现黄色预警或者红色预警时，则需及时补打上台阶基脚处与中台阶基脚处大锁脚，大锁脚打孔采用管棚钻机进行打孔。由于大锁脚钻孔采用管棚钻机施工，所以，管棚钻机进场前先将中台阶进行整平，将其他施工机具挪开，腾出管棚钻机摆放位置，一般每施工一次大锁脚时间需1-2天，因此需将上台阶与中台阶掌子面采用网喷混凝土进行临时封闭，以免掌子面出现掉块后失稳。管棚钻机钻头从大锁脚钢板连接孔穿过，与水平方向夹角10-12°向围岩内进行打孔。钻头直径选用φ80mm。钻孔深度6m。如图3.4、图3.5所示：

图3.4 管棚钻机打设中台阶大锁脚孔 图3.5 管棚钻机打设上台阶大锁脚孔

步骤6：大锁脚安装固定

孔钻完毕后将事先加工好的大锁脚钢花管送入孔内。管外壁靠孔口位置缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型，采用钻机冲击安设到要求深度，并用水泥基锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固不漏浆；将锁脚钢板与钢花管尾端采用两段半圆形φ12mm钢筋帮焊牢固，随后在距锁脚钢管端部5cm处采用氧气乙炔割处12mm孔洞，在孔洞内穿入钢筋插销，如图3.6所示。安装插销的目的是为了在围岩发生收敛的时候不至于脱焊，将钢筋插销与锁脚钢管焊接牢固。

图3.6 帮焊钢筋与插销钢筋示意图

步骤7：焊接注浆嘴与止浆阀

由于锁脚钢管直径较大，与注浆管无法连接，所以，先在钢管口焊接一块直径80mm，厚度3-5mm圆形封口钢板，钢板中间需加工出直径20-30mm的圆孔留作焊接注浆嘴用，焊缝需焊接严密，保证注浆时不漏浆，接下来焊接注浆嘴，注浆嘴采用无缝钢管加工而成，钢管直径根据封口钢板上所留置的孔直径大小而定 ，止浆阀两端安装注浆嘴，注浆嘴与止浆阀之间连接采用车丝连接，连接丝口缠生料带，保证连接的严密性，注浆嘴一端连接注浆管，另一端与封口钢板焊接，焊缝需焊接严密，防止漏浆。

步骤8：补喷混凝土

止浆阀安装完毕后，进行锁脚钢板处喷射混凝土的补喷，补喷前先需将注浆嘴采用塑料纸或者交到进行封堵，以防喷射混凝土将注浆嘴堵塞。注浆嘴封堵完毕后将上、中台阶基脚处锁脚板位置喷射混凝土补喷至设计厚度。

步骤9：注浆

注浆分双液浆与单液浆。注浆压力控制在1.0MPa～2.0MPa。

1）双液浆

由于地下水发育，围岩富水，所以第一次注水泥浆+水玻璃双液浆，现将锁脚周围围岩的水进行注浆封堵。或者采用硫铝酸盐水泥浆，水灰比0.6:1～1:1亦可达到注浆堵水的目的。水玻璃遇水泥浆凝固较快，因此现场应根据水量大小调配出适合现场使用的配合比。尤其是双液浆的配比。

2）单液浆

在水量较小或者无水地段，可采用一般水泥浆液，水灰比0.6:1～1:1。

3）注浆材料

注浆材料视围岩富水情况而定，无水或地下水弱发育地段注浆材料采用普通硅酸盐水泥单液浆，富水地段采用水泥—水玻璃双液浆。施工过程中根据涌水情况及地层吸浆情况进行材料种类及配比选择调整，如表1所示。

原材料：普通硅酸盐水泥：P.O42.5；

水玻璃：浓度：35°Be’^①，模数^②：2.4～2.8。

所使用材料必须合格、保质、新鲜。

表3.1 浆液配比参数表

4）注浆作业

注浆机选用带有浆液搅拌机和压力表、流量计的注浆机，配以专用的高压注浆管，以便注浆过程控制。注浆作业之前应将注浆管与注浆嘴相接，采用铁丝或者专用管箍进行固定，以防脱落和爆管。

5）注浆结束标准

在规定的注浆压力下，当注浆量不大于5L/min时继续10min结束注浆。注浆压力达到设计压力后、稳压10min结束注浆。

3.3大锁脚方案优点

传统锁脚方案在软弱围岩隧道中由于隧道围岩变形的特殊性往往起不到有效的约束钢架的作用，导致出现拱架大变形、初支开裂、围岩失稳等问题。而大锁脚方案则是在传统锁脚锚管方案的基础上作出改进，进一步增强了初期支护的整体性。

大锁脚支护装置的带孔带孔钢板焊接在上、中台阶拱脚处，增强了锁脚与钢架的连接效果，提高大锁脚支护强度。大锁脚在喷射混凝土施作完成后安装，同时采用6m长φ76*5mm钢花管 ，大大提高了大锁脚的支撑作用。通过锁脚锚管的注浆作用可以对其周围一定范围内围岩进行加固，另一方面，通过浆液凝结，提高锁脚锚管壁面与围岩的粘结力，增强了锁脚锚管对围岩的锚固作用，提高了锚管的抗拔力，减小了因围岩应力释放施加给初期支护的作用力，一定程度上限制了隧道向净空方向的位移。

大锁脚方案，与现有技术相比，具有工作效率高、省时省力、施工操作方便、安全可靠、支护强度高的优点，增强锁脚锚管的锚固作用，提高锚管的抗拔力，充分发挥锁脚锚管控制围岩变形的作用，能够适应软弱围岩的变形规律，大大提高了对围岩的支护强度，有效地控制了软弱围岩的大变形难题。

4 施工效果

南门口隧道进口初期支护采用大锁脚方案施工，其效果显著，工艺简单，操作方便，结构可靠，保证了南门口隧道的安全、快速通过了软弱富水围岩地段，降低了安全风险。

1）将原本拱架与锁脚的焊接方式进行了调整优化，大大增强了支护强度，充分抑制了隧道向净空方向的位移；施做大锁脚之前隧道的拱顶沉降与边墙收敛达到了50～70cm，导致初支侵线，施做大锁脚之后，同样的围岩拱顶沉降与上台阶收敛变形量控制在15-20cm以内。中台阶收敛控制在了10cm以内，使隧道的变形侵线得到了有效控制，减少了预留大变形量而导致的扩挖工程量，保证了二次衬砌的结构尺寸。有效控制了初期支护的拆换量。

2)钢花管的锚固力和注浆的粘结力增强围岩强度，提高锚固力，保证了围岩稳定性。降低了软弱围岩施工的安全风险。

5 结语

通过大锁脚支护方案，解决了南门口隧道在穿越软弱围岩时面临的初支易开裂、钢拱架大变形、围岩易失稳等问题，有效控制了软弱围岩隧道施工中的大变形，保证了工程质量和施工安全，提高了施工进度，减少了变形换拱，缩短了施工工期，提高了经济效益。

总之大锁脚支护装置得到了质监站、业主、监理、设计院的高度认可，取得了较好的效果，在南门口隧道进口工程初支施工中得到了成功的应用，在南门口隧道F5断层、F6/F7断层变更设计中，设计院隧道设计专册也采纳了并运用了大锁脚方案，将其纳入变更会议纪要，为单位创造了经济效益。同时也为其他类似工程的施工提供了参考和借鉴。

参考文献：

1. Q/CR9604-2015 高速铁路隧道工程施工技术规程；

2. 王永余 “桥式”大锁脚支护装置在膨胀性土层隧道中的应用[A].山西建筑，2015年第41卷14期：190-191.

3. 关宝树，赵 勇.软弱围岩隧道施工技术；

注：①：°Be’波美度（°Bé）是表示溶液浓度的一种方法。把波美比重计浸入所测溶液中，得到的度数就叫波美度。

②：水玻璃模数：水玻璃模数是水玻璃的重要参数，一般在1.5-3.5之间。水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解， n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大。

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