1、工程概况

 

　　八字岭隧道位于湖北省宜昌市及恩施土家族苗族自治州交界境内，隧道出口位于恩施自治州巴东县野三关镇栗子园村四渡河东岸。左右线隧道出口及洞身均位于直线或不设超高的圆曲线上，左右线隧道纵坡均为2.41%的单向下坡。

 

　　1.1工程地质情况

 

　　1.1.1隧道洞口

 

　　洞口位于低中山斜坡位置，西临峡谷，基岩裸露，出露地层为弱风化灰岩，薄～中层状，山坡自然坡度40~60°，地表植被发育，多生长灌木林，水土保持良好，山坡临空面方位270°，与路线走向一致，岩层产状342∠72，走向与坡面斜交，洞口岩石浅部岩溶裂隙发育，岩体欠完整，呈块状砌体及块石状结构，围岩类别为Ⅲ类偏好，成洞条件较好。洞口段灰岩地表岩溶较发育，洞口处标高较高，地表、地下水自然排泄条件较好，洞口施工主要受大气降水形成的坡面面流沿地表岩溶渗漏过境水影响，对洞口施工影响较小。

 

　　综上所述，隧道出口位于山坡斜坡位置，斜坡与路线正交，岩性为弱~微风化灰岩，地表岩溶较发育，岩体较完整，围岩类别为Ⅲ类偏好，成洞条件较好，洞口围岩稳定。

 

　　1.1.2大拱段隧道洞身

 

　　YK100+264.2～YK100+205.6；ZK100+259.2～ZK100+200.6隧道大拱段穿过的岩石主要为三叠系下统大治组上段，岩性特征微晶灰岩：灰色，薄～中层状，主要矿物成分为方解石，微晶结构，层状、块状构造，受地表水风化影响，节理岩溶裂隙发育，溶洞基本不发育，岩体欠完整，呈块状砌体及块石状结构，围岩类别为Ⅲ类偏好，成洞条件较好。

 

 

　　2.1设计参数

 

　　大拱段设计长度58.6m（YK100+264.2～+205.6ZK100+259.2～+200.6），开挖最大宽度24.695m，高度12.108m。设计支护参数为：20b工字钢，纵向间距1.0m，6.0m长φ25预应力锚杆和3.5m长φ22全长粘结药卷锚杆，间距200×100cm（环×纵）梅花形布置，φ8钢筋网，网格间距20×20cm，25cm厚C20喷射砼及90cm厚C25钢筋砼衬砌。

 

　　2.2开挖支护

 

　　采用上下台阶法，第一步：进行上断面开挖，短进尺、弱爆破，循环进尺控制在2.0m左右，紧接着施做初期支护—20b工字钢（纵距1.0m）和6.0m长φ25预应力锚杆及3.5m长φ22药卷锚杆；第二步：根据现场监控量测，围岩的收敛和沉降趋于稳定后，进行下断面中槽开挖，循环进尺在3.5m左右，同时量测紧跟。第三步：待中槽58.6m开挖完成后，进行下断面左右马口跳槽开挖，特别注意左右两侧拱脚不能同时落底，初期支护及监控量测紧跟施工。

 

 

　　3.1预应力锚杆概述

 

　　预应力锚杆是近年来工程界大力推荐的锚杆形式，其是在普通砂浆锚杆或中空注浆的基础上改良的结果，一般由锚头、中空锚杆体、止浆塞、垫板、螺母组成。在隧道施工中主要用于分岔洞口的四车道大拱上，由于受这种特大跨径公路隧道的施工方法及二次衬砌模板难以安设的制约，较长时间段内荷载将全部作用在初期支护上，结合大拱段结构受力分析和相关科研，初期支护特别设置了6m长φ25预应力锚杆形式，由于锚杆的预应力作用，将大大减小洞室周边岩体的收敛变形，更有利于在锚杆作用范围内形成稳定的承载拱，更好的发挥围岩的承载能力，减小了开挖施工过程中可能发生的坍塌事故的风险。

 

　　3.2设计参数

 

　　八字岭隧道大拱段初期支护设计6.0长φ25预应力锚杆（20MnSiφ25Ⅱ级钢筋），杆体抗拉强度约为170KN，在Ⅳ类围岩地段一般施加80~100KN的预应力，局部围岩较完整的地段施加30~50KN的预应力。注浆时可以采用分段注浆施加预应力或一次性注浆完毕达到要求后施加预应力至设计值，注浆材料采用M30水泥砂浆。

 

　　3.3施工工艺及质量

 

　　八字岭隧道大拱段在施工中采用了钢质涨壳式预应力锚杆，是由钢质涨壳式锚头、中空锚杆体、止浆塞、垫板和螺母组成。

 

　　3.3.1施工工艺

 

　　Ⅰ、开挖后先初喷3~5cm厚混凝土，对周边围岩进行封闭并架立好钢支撑；

 

　　Ⅱ、在拱部及边墙范围内确定预应力锚杆的孔位，风钻准备就位、调整角度、钻孔、清孔。钻孔要求：钻孔的孔深、孔径应该符合设计要求，孔位允许偏差±15mm，利用风钻进行钻孔，钻孔方向应该尽量与岩层结构面垂直，孔径40mm，孔深6.0m，孔深允许偏差±50mm，钻孔与锚杆预定的方位允许偏差为1~3度；钻孔和清孔时候应注意以下两项（1）钻孔直接用其高压水冲洗直至孔口流出清水为止，最后一定要用高压风吹出孔内残碴、石屑和积水，确保孔内清洁干净，清孔的质量直接影响锚杆的锚固力，是决定锚杆质量的重要环节（2）孔口整平，孔口周围与锚杆垫板接触的岩面要保持平整并垂直孔轴线。可以人工用锤子凿平，或用C20水泥砂浆抹平；

 

　　Ⅲ、安装锚头及杆体，将锚头安装在杆体端头，同时将注浆管插入，并注意检查排气回浆管是否导通，以防造成注浆困难。人工或辅以小型机具（如风头顶在杆体垫片上）将锚杆送入孔内，杆体长度不够时用套管将两根杆体连接起来继续送入孔内，孔外预留安装拉拔器的长度40cm左右；

 

　　Ⅳ、预应力张拉，预应力施工机械应根据现场情况灵活选用。施加预应力前应该对拉拔器进行校正，张拉应该按照程序进行，边张拉边用扳手旋紧锚杆体尾端的螺栓，当拉拔器预加拉应力达到设计值时（一般在Ⅳ类围岩地段施加80~100KN的预应力，局部较完整地段可施加30~50KN的预应力），固定好锚杆体尾端的螺栓。预应力张拉前应注意以下三项（1）预应力杆体应事先做现场预应力试验，一般取20%的设计张拉荷载，对其张拉1~2次，保证锚固体系的牢固和使其各部位接触紧密，钢筋完全平直（2）预应力锚杆张拉应该按照程序进行，编排张拉顺序，一般从左右两侧拱脚每跳隔一个钻孔向拱顶张拉，这样相邻钻孔的预应力锚杆的张拉不受另一个影响。

 

　　Ⅴ、注浆，（1）安装注浆设备，其位置应该尽量靠近作业面，以便于注浆手与注浆机司机的联络；（2）浆液拌和，按技术交底的施工配合比进行计量配料，搅拌时间≮3分钟，浆液拌和后1小时内用完，超过1小时的浆液不能再用，所以浆液要随拌随注，以免浪费；（3）注浆前，注浆机及管路应先用清水清洗，以湿润注浆管路，注浆时注意泵压，使其逐渐上升，若发现泵压上升过猛过大表明发生了堵管，应及时处理，维持在0.1~0.15MPa之间，最大不要超过0.18MPa，并一直保持到排气回浆管出浆为止，及时将注浆管折叠绑扎，并将回浆管堵严，制止浆液流出；（4）清洗，清洗注浆机及管路，以备下一循环使用。

 

　　以上工艺流程为先张拉后注浆，若采用先注浆后张拉，应该注意注浆和张拉的时间限制，防止张拉时候浆提受到破坏。

 

　　3.3.2质量检查和质量保证

 

　　Ⅰ、所使用的锚杆要有出厂合格证和工厂试验证明，并根据有关规定抽样对螺纹钢的极限强度、延伸率等性能进行试验。所用的水泥和砂应符合试验要求；

 

　　Ⅱ、锚杆施工严格按工艺技术要求进行，在锚杆施工现场，对已经施做的锚杆按规定比例和要求进行其抗拔力试验，不合格的锚杆应重新补打，确保施工质量；

 

　　4、影响岩体预应力锚固效果的主要因素

 

　　4.1锚固时机

 

　　洞身开挖后，如果锚固支护进行的太迟，即在岩体已经变形后进行，这时再阻止围岩的继续活动，则需要施加更大的力量。既对同一个不稳定的岩体，不同的锚固时机，其锚固效果是不同的。因此预应力锚杆必须在洞身开挖后及时加固，否则，围岩松散压力随时间增大，将使锚杆承受的荷载增加。

 

　　4.2岩体徐变

 

　　岩体徐变，是张拉锚杆预应力损失的主要原因之一。它的机理是，锚杆预应力荷载作用在岩体上，岩体在受压的情况下更加密实，天然的结构面（节理层理，裂隙）上会产生额外的压缩，预应力张拉锚杆也因此而松弛，使其应力降低，随着时间的推移，锚杆的预应力降低速度减慢，最终将达到平衡状态。岩体徐变引起的预应力损失并不可怕，只要采取措施以满足锚杆的预应力设计要求，除采用超荷载张拉来抵消一部分损失外，锚杆注浆前，再用扳手紧固螺栓一次以抵消一部分应力损失，然后在进行灌浆。

 

 

　　大拱段监控量测主要内容为，表面收敛位移、拱顶、地表沉降、钢拱架应力量测及锚杆应力测试等。通过实测，结果如下：

 

　　实测断面水平位移收敛量、沉降量统计结果

 

　　断面 水平收敛

 

　　地表沉降量统计结果

 

　　钢拱架应力随时间的增长，逐渐趋于稳定，实测拱顶稳定应力值40~50MPa，左拱腰拱架应力值为70~80MPa，右拱腰拱架应力值为20~25MPa。大拱段锚杆应力最大值50MPa。

 

　　从以上沉降、收敛、钢拱架及锚杆应力分析：总体上，实际累积收敛量、沉降量均较小，钢架变形量不大，锚杆设计最大承载力100KN，实际锚杆应力最大50MPa（约为20KN）。这些都说明大拱段围岩和支护结构一体，整体受力、变形量适当，稳定性好，安全储备足够。

 

 

　　八字岭隧道出口大拱段在设计和施工中采用长短相间预应力锚杆和药卷锚杆作为初期支护中是非常成功的，通过对预应力锚杆的施工工艺进行分析和探讨，并通过现场监控量测及时反馈的信息指导技术方案的落实，对保证隧道的稳定、掌握施工工艺流程，合理组织、均衡施工有着积极的作用。