隧洞锚喷支护.docx

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隧洞锚喷支护

第五节锚喷支护

地下洞室的开挖及形成，改变了围岩的原有应力场及受力条件，并在一定程度上影响围岩的力学性能，导致洞室变形，严重时出现掉块甚至坍塌等现象。

因此，围岩的稳定是决定地下工程施工成败的关键。

锚喷支护是地下工程施工中对围岩进行保护与加固的主要技术措施。

本节主要介绍如下内容:

一、新奥法与锚喷支护的原理

二、锚喷支护的作用与选型

三、锚杆支护及其施工工艺

四、喷混凝土施工

锚喷支护是地下工程施工中对围岩进行保护与加固的主要技术措施。

对于不同地层条件，不同断面大小、不同用途的地下洞室都表现出较好的适应性。

在DL/T5099-1999《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》中，明确规定了要优先采用锚喷支护。

实际上，我国在水电、铁道、矿山、军工及城市建设等行业不同类型的地下洞室施工中，锚喷支护已经得到了广泛的运用。

锚喷支护技术有很多类型，包括单一的喷混凝土或锚杆支护，喷混凝土、锚杆（索）、钢筋网、钢拱架等分别组合而成的多种联合支护。

锚喷支护具有显著的技术经济优势，根据大量工程统计，锚喷支护较之传统的模注混凝土衬砌，混凝土用量减少50%，用于支撑及模板的木材可全部节省，出渣量减少15%～25%，劳动力节省50%左右，造价降低50%左右，施工速度加快一倍以上，同时因其良好的力学性能与工作特性，对围岩的支护更合理更有效。

20世纪50年代开始发展起来的新奥地利隧道工程法（简称新奥法），特别强调锚喷支护措施的应用。

现代意义的锚喷支护技术就是建立在新奥法核心思想或理论基础上的，以此为基础，开展支护方案的选择、支护结构的设计、支护顺序的安排、支护工艺的实施，特别是支护时机的确定，将有利于全面发挥锚喷支护的作用，确保地下洞室围岩的安全稳定。

一、新奥法与锚喷支护的原理

新奥法的核心思想是“在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好地下洞室的开挖与支护”。

作为一个完整的概念，它强调运用光面爆破（或其他破坏围岩最小的开挖方法）、锚喷支护和施工过程中的围岩稳定状况监测，此亦称为新奥法的三大支柱.

新奥法运用锚喷支护，是基于如下支护原理：

把围岩视为具有弹性、塑性及粘性的连续介质，利用岩体开挖中洞室变形的时间效应与空间效应，适时采用既有一定刚度又有一定柔性的支护结构主动加固近壁围岩，使围岩的变形受到抑制，同时与围岩共同形成具有抵抗外力作用的承载拱圈或称广义的复合支护系统，从而有效增加洞室围岩的稳定性。

锚喷支护特别强调合适的支护时机。

过早了，支护结构要承担围岩向着洞室变形而产生的形变压力，这样不仅不经济，而且可能导致支护结构破坏；过迟了，围岩会因过度松弛而使岩体强度大幅度下降，甚至导致洞室破坏。

正确的做法是：

在洞室开挖后，先让其产生一定的变形，再施作一定的柔性支护，使围岩与支护在加以限制的情况下共同变形，不致发展到有害的程度。

锚喷支护的正确运用，必须特别重视支护结构、支护构筑时机、围岩应力状态及围岩变形过程四者的相互关系，下图体现了它们之间的相互作用关系。

洞室的开挖使围岩将向内空间的变形，为保持围岩的稳定，必须向围岩施加一个约束力即支护反力，以限制这种变形的自由发展。

若允许围岩变形量较大时，对围岩施加的约束力（支护力）可以小些；反之，则需要较大的约束力。

图6-20中的1号线，反映了围岩变形量△与约束力Pi的关系。

若围岩支护过迟或支护的约束力不够，围岩的变形就会继续发展，达到△k时，围岩将出现坍塌失稳，岩体松塌所形成的压力作用在支护结构上（3号线）。

由图可知，变形超过△k后，所需的支护力将越来越大。

因此，支护结构的施作，应该在围岩出现△k或相应时间Tk之前完成并发挥作用。

理论上，在Tk时提供支护反力Pik是最小的，即支护是最经济的。

由于支护结构强度的增长需要有一个发展过程（4号线为强度增长曲线），在实际工程中还必须留有余地，因此支护结构宜在Tk之前施作并发挥作用。

于是，往往要提前在T0时开始进行支护。

T0就是新奥法强调的“适时支护”的时刻。

图中2号线表示未进行支护时围岩变形率随时间的发展过程。

正常情况下，在成洞初期，围岩变形率最大，其后，变形率逐渐减小。

对于一般情况的围岩，其绝大部分的变形均是在3～7d内完成的。

因此，在T0（或△0）时开始施作支护结构，便可有效地抑制了围岩的变形，使围岩变形按5号线的规律发展，并控制在设计允许的变形△A以内（小于△k），其支护力达到PiA。

当然，对于围岩特性、断面尺寸、开挖方法及技术和结构要求不同地下洞室，PiA值及T0值是不一样的，因而其支护结构设计与支护时机均会有较大不同。

新奥法施工中，锚喷支护一般分两期进行：

①初期支护，在洞室开挖后，适时采用薄层的喷混凝土支护，建立起一个柔性的“外层支护”，必要时可加锚杆或钢筋网、钢拱架等措施，同时通过量测手段，随时掌握围岩的变形与应力情况。

初期支护是保证施工早期洞室安全稳定的关键。

②二期支护，待初期支护后且围岩变形达到基本稳定时，进行二期支护，如复喷混凝土、锚杆加密，也可采用模注混凝土，进一步提高其耐久性、防水性、安全系数及表面平整度等。

二、锚喷支护的作用与选型

锚喷支护的作用是加固与保护围岩，确保洞室的安全稳定。

由于围岩条件复杂多变，其变形、破坏的形式与过程多有不同，各类支护措施及其作用特点也就不相同。

在实际工程中，尽管围岩的破坏形态很多，但总起来看，可以归纳为局部性破坏和整体性破坏两大类。

1．局部性破坏

只在局部范围内发生破坏称为局部性破坏，其表现形式包括开裂、错动、滑移、崩塌等，一般多发生在受到地质结构面切割的坚硬岩体中。

这种破坏，有时是非扩展性的，即到一定限度不再发展；有时是扩展性的，即个别岩块首先塌落，然后由此引起连锁反应而导致邻近较大范围甚至是整个断面的坍塌。

对于局部性破坏，只要在可能出现破坏的部位对围岩进行有效的加固就可维持洞体的稳定。

实践证明，锚喷支护是处理局部性破坏的一种简易而有效的手段。

利用锚杆的抗剪与抗拉能力，可以提高围岩的c、φ值及对不稳定块体进行悬吊。

而喷混凝土支护，其作用则表现在：

①填平凹凸不平的壁面，以避免过大的局部应力集中；②封闭岩面，防止岩体的风化；③堵塞沿结构面的渗水通道、胶结已经松动的岩块，以提高岩层的整体性；④提供一定的抗剪力。

2．整体性破坏

整体性破坏也称强度破坏，是大范围内岩体应力超限所引起的一种破坏现象。

常见的形式为压剪破坏，多发生在围岩应力大于岩体强度的场合，表现为大范围塌落、边墙挤出、底鼓、断面大幅度缩小等破坏形式。

出现应力超限后，再任围岩变形自由发展，将导致岩体强度大幅度下降。

整体性破坏的处理:

在这种情况下应该采取整体性加固措施，对隧洞整个断面进行支护，而且某些部位的加固措施还要到达稳定岩层的一定深度。

为达到这一目的，常采用初复式喷混凝土与系统锚杆支护相结合的方法，这样不仅能够加固围岩，而且可以调整围岩的受力分布。

另外，喷混凝土锚杆钢筋网支护和喷混凝土锚杆钢拱架支护等不同支护复合型式，对处理整体性破坏也有很好的效果。

由于围岩状况的复杂性及锚喷支护理论尚处在发展中，对于具体的地下洞室支护结构型式选择与参数设计，目前一般多采用工程类比和现场测试相结合的方法。

根据大量工程实践的分析与总结，表6-5给出了不同类别围岩条件下建议的支护类型与设计参数，可供初步参考。

围岩类别

围岩特征

毛洞跨度（m）

支护型式和设计参数

Ⅰ

稳定

围岩坚硬，致密完整，不易风化的岩层

2～5

5～10

10～15

15～25

不支护

不支护或拱部5cm厚喷混凝土

5～8cm厚喷混凝土，2.0～2.5m长锚杆

8～15cm厚喷混凝土，2.5～4.0m长锚杆

Ⅱ

稳定性较好

坚硬、有轻微裂隙的岩层

2～5

5～10

10～15

15～25

3～5cm厚喷混凝土

5～7cm厚喷混凝土，1.5～2.0m长锚杆

8～12cm厚喷混凝土，2.0～2.5m长锚杆

喷12～20cm厚喷混凝土，2.5～4.0m长锚杆

Ⅲ

中等稳定

节理裂隙中等发育，易引起小块掉落的火成岩、变质岩；中等坚硬的沉积岩

2～5

5～10

10～15

15～20

5cm厚喷混凝土，1.5～2.0m长锚杆

8～10cm厚喷混凝土，2.0～2.5m长锚杆，必要时配置钢筋网

10～15cm厚钢筋网喷混凝土，2.5～3.0m长锚杆

15～20cm厚钢筋网喷混凝土，3.0～4.0m长锚杆

Ⅳ

稳定性较差

节理裂隙发育的强破碎岩层；裂隙明显张开、夹杂较多粘土质充填物的岩层或其他稳定性较差的岩层

2～5

5～10

10～20

8～10cm厚喷混凝土，1.5～2.0m长锚杆

10～15cm厚钢筋网喷混凝土，2.0～2.5m长锚杆

15～20cm厚钢筋网喷混凝土，2.5～3.5m长锚杆

Ⅴ

不稳定

严重的构造软弱带、大断层，易风化解体剥落的松软岩层或其他不稳定岩层

2～5

5～10

12～15cm厚钢筋网喷混凝土，1.5～2.0m长锚杆，必要时加仰拱

15～20cm厚钢筋网喷混凝土，2.0～3.0m长锚杆，加仰拱，必要时采用钢拱架

三、锚杆支护及其施工工艺

锚杆是用金属（主要是钢材）或其他高抗拉性能材料制作的杆状构件，配合使用某些机械装置、胶凝介质，按一定施工工艺，将其锚固于地下洞室围岩的钻孔中，起到加固围岩、承受荷载、阻止围岩变形的目的。

在工程中，常用的锚杆有金属锚杆和砂浆锚杆。

按锚杆与围岩的锚固方式，基本上可分为集中锚固和全长锚固两类。

楔缝式锚杆和胀壳式锚杆是属于集中锚固的两种锚杆[上图（a）、（b）]。

它们是由锚杆端部的楔瓣或胀圈扩开以后所提供的嵌固力而得到锚固的。

全长锚固的锚杆有砂浆锚杆和树脂锚杆等[上图（c）、（d）、（e）、（f）、（g）]。

它们是由水泥砂浆或树脂在杆体和锚孔间所提供的摩擦力和粘结力而得到锚固的。

全长锚固的锚杆由于锚固可靠耐久（这在松软岩体中效果尤为显著），工程建设运用较多。

其中，由水泥砂浆胶结的螺纹钢筋锚杆，由于施工简便、经济可靠，使用更为普遍。

随着我国基本建设速度的加快，有许多大跨度、大断面的地下洞室在十分复杂的岩体中修建，对锚杆材料及锚固介质有更高的要求。

如采用高强度或超高强度的金属作为杆件材料，并对杆体进行冷拉、滚丝处理，可大大提高支护效果。

树脂是一种高分子材料，具有优越的粘结性能，较之以快硬水泥为主要材料的砂浆锚固，在施工中具有较好的操控性和可靠性。

（锚杆材料以选用高强度的螺纹钢筋或其他变截面钢筋为好，其直径一般为16～25mm。

）

根据围岩变形与破坏的特性，从发挥锚杆不同作用考虑，锚杆在洞室的布置有局部（随机）锚杆和系统锚杆。

1．局部（随机）锚杆

洞室中锚杆的布置和锚杆参数的选择，应根据围岩特性和洞室跨度，通过试验确定。

局部锚杆，主要用来加固危石，防止掉块。

锚杆参数按悬吊理论计算。

悬吊理论认为不稳定岩体的重量（或滑动力）应全部由锚杆承担，即

式中n——锚杆根数；

d——锚杆的计算直径，cm；

Rg——锚杆的设计抗拉强度，N/cm2；

γ——危岩容重，kg/m3；

V——危岩的体积，m3；

g——重力加速度，m/s2。

锚杆锚入稳定岩体的深度

对于洞室侧壁有滑动倾向的危岩，上式右边项应为滑动力和抗滑力的代数和。

为了保证危岩的有效锚固，锚杆应锚入稳定岩体，锚入深度应满足下式要求：

即：

式中L1——锚杆锚入稳定岩体的深度，cm；

τ——砂浆与锚杆的粘结强度，N/cm2；

其余符号同上式。

锚杆总长度

因此，加固危岩的锚杆总长度应为：

L=L1+L2+L3

式中L——锚杆的总长度，cm；

L2——锚杆穿过危岩的长度，cm；

L3——锚杆外露的长度，一般取5～15cm。

2．系统锚杆

一般按梅花形排列，连续锚固在洞壁内。

它们将被结构面切割的岩块串联起来，保持和加强岩块的联锁、咬合和嵌固效应，使分割的围岩组成一体，形成一连续加固拱，提高围岩的承载能力。

系统锚杆不一定要锚入稳定岩层。

当围岩破碎时，用短而密的系统锚杆，同样可以取得较好的锚固效果。

锚杆长度视洞室跨度、围岩特性和锚固部位而定，跨度大、岩体不稳定时，应加长锚杆；顶拱部位的锚杆比两边的锚杆宜稍长；高边墙自上而下，锚杆长度可递减。

锚杆间距可根据岩体稳定程度和锚杆长度来考虑，并注意岩体节理裂隙的间距。

据试验，锚杆间距宜为裂隙平均间距的三倍左右。

通常，系统锚杆的锚入深度为1.5～3.5m，间距约为锚入深度的二分之一。

锚杆施工应按施工工艺严格控制各工序的施工质量。

下面主要介绍水泥砂浆锚杆的施工方法。

水泥砂浆锚杆的施工，可以先压注砂浆后安设锚杆，也可以先安设锚杆后压入砂浆。

其施工顺序主要包括：

钻孔、钻孔清洗、压注砂浆和安设锚杆等。

钻孔时要控制孔位、孔向、孔径、孔深符合设计要求。

一般要求孔位误差不大于20cm，孔向尽可能垂直岩层的结构面，孔径比锚杆直径大10mm左右，孔深误差不大于5cm。

钻孔清洗要彻底，可用高压风将孔内岩粉积水冲洗干净，以保证砂浆与孔壁的粘结强度。

压注砂浆要密实饱满，不允许有气泡残留。

先注砂浆后设锚杆时，注浆管宜插入孔底，随砂浆的注入徐徐匀速拔出，拔管过快会使砂浆脱节。

砂浆应拌和均匀，随拌随用，砂浆配合比应符合设计要求，一般水泥和砂的重量比为1:

1～1:

2，水灰比0.38～0.45。

砂子要洁净过筛，控制粒径不大于3mm，以防堵管。

安设锚杆应徐徐插入，插至孔底后，立即在孔口楔紧，待砂浆凝固再拆除楔块。

先安设锚杆后注砂浆的施工工艺，基本要求同上。

四、喷混凝土施工

喷混凝土是将水泥、砂、石等集料，按一定配比拌和后，装入喷射机中，用压缩空气将混合料压送到喷头处，与水混合后高速喷到作业上，快速凝固而成一种薄层支护结构。

特点：

这种支护结构在凝固初期，有一定强度和柔性，能适应围岩的松弛变形，减少围岩的变形压力。

喷混凝土不但与围岩表面有一定粘结力，而且能充填围岩的缝隙，将分离的岩面粘结成整体，提高围岩的自身强度，增强围岩抵抗位移和松动的能力；喷混凝土还能封闭围岩，防止风化，缓和应力集中，是一种高效、早强、经济的轻型支护结构。

1．喷混凝土材料

喷混凝土的原材料与普通混凝土基本相同，但在技术要求上有一些差别。

（1）水泥喷混凝土的水泥以选用普通硅酸盐水泥为好，标号应不低于425号，以使喷射混凝土在速凝剂的作用下，早期强度增长快，干硬收缩小，保水性能好。

（2）砂子一般采用坚硬洁净的中、粗砂，平均粒径0.35～0.5cm。

砂子过粗，容易产生回弹；过细，不仅会增加水泥用量，而且会增加混凝土的收缩，降低混凝土的强度。

砂子的含水率对喷射工艺有很大影响。

含水率过低，混合料在管路中容易分离，造成堵管，喷射时粉尘较大；含水率过高，集料有可能发生胶结。

工程实践证明中砂或中粗砂的含水率以4%～6%为宜。

（3）石料碎石、卵石都可以用作喷混凝土的粗骨料。

石料粒径为5～20mm，其中大于15mm的颗粒宜控制在20%以下，以减少回弹，保证输料管路的畅通。

石料使用前应经过筛洗。

（4）水喷混凝土用水与一般混凝土对水的要求相同。

地下洞室中的混浊水和一切含酸、碱的侵蚀水不能使用。

（5）速凝剂为加快喷混凝土凝结硬化过程，提高早期强度，增加一次喷射的厚度，提高喷混凝土在潮湿含水地段的适应能力，宜在喷混凝土中掺加速凝剂。

速凝剂应符合国家标准，其初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。

2．主要施工工艺

喷混凝土的施工方法主要有干喷、湿喷及裹砂法三种。

（1）干喷法。

将水泥、砂、石和速凝剂加微量水干拌后，用压缩空气输送到喷嘴处，再与适量水混合，喷射到岩石表面。

也可以将干混合料压送到喷嘴处，再加液体速凝剂和水进行喷射。

这种施工方法，便于调节加水量，控制水灰比，但喷射粉尘较大。

（2）湿喷法。

将集料和水拌匀后送到喷嘴处，再添加液体速凝剂，并用压缩空气补给能量进行喷射。

湿喷法主要改善了喷射时粉尘较大的缺点。

为了进一步改善喷混凝土的施工工艺，控制喷射粉尘，在工程实践中还研制出水泥裹砂法（SEC法）、双裹并列法和潮料掺浆法等喷混凝土新工艺。

（如渔子溪二级水电站、山东省青泉寺隧洞以及八一林隧洞中作了大量的试验研究，取得了可喜的成效。

）

下图分别介绍了干喷法、湿喷法及水泥裹砂法的喷射工艺流程。

3．施工技术要点

为了保证喷混凝土的质量，必须严格控制有关的施工参数，注意以下施工技术要求。

（1）风压

风压是指正常作业时喷射机工作室内的风压，一般为0.2MPa。

风压过大，喷射速度高，混凝土回弹量大，粉尘多，水泥耗量大；风压小，则混凝土不密实。

加料前或加料后风压估算可用以下公式：

P1=0.01L

P2=1+0.013L

式中P1——加料前空载压力，105Pa；

P2——加料后工作压力，105Pa；

L——输料管水平长度，m。

垂直向下输料时，风压与运距的关系，与水平输料相近；垂直向上输料时，由于克服重力，一般每增高10m，风压要加大（0.2～0.3）×105Pa。

（2）水压

喷头处的水压必须大于该处风压（1.0～1.5）×105Pa，并要求水压稳定，保证射水具有较强的穿透集料的能力。

水压不足时，可设专用水箱（能承受（6～8）×105Pa的压力），用压缩空气加压，以保证集料能充分湿润。

（3）喷射方向和喷射距离

喷射方向和喷射距离喷头与受喷面应尽量垂直，偏角宜控制在200以内，利用喷射料束抑阻集料的回弹，以减少回弹量。

喷头与受喷面的距离，与风压和喷射速度有关，据试验，当喷射距离为1.0m左右时，对于提高喷射质量、减少集料回弹都比较理想。

（4）喷射区段和喷射程序

喷射区段和喷射程序喷射作业应分区段进行，区段长度一般为4～6m。

喷射时，通常先墙后拱，自下而上，先凹后凸，顺序进行（参见附图6-37），以防溅落的灰浆粘附于未喷面，影响混凝土的粘结强度。

（5）喷射分层和间歇时间

喷射分层和间歇时间当喷混凝土设计厚度大于10cm时，一般应分层喷射。

一次喷射厚度，边墙控制在6～10cm，顶拱3～6cm，局部超挖处可稍厚2～3cm；掺速凝剂时可厚些，不掺时应薄些。

一次喷射太厚，容易因自重而引起分层脱落或与岩面脱开；太薄，当一次喷射厚度小于最大骨料粒径时，回弹率会迅速提高。

分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，但也不宜间隔过久，若终凝1～2h后再进行喷射，应用风水清洗混凝土表面，以利层间结合。

当喷混凝土紧跟开挖面时，从混凝土喷完到下一次循环放炮的时间间隔，一般不小于4h，以保证喷混凝土强度有一定增长，避免引起爆震裂缝。

（6）喷混凝土的养护

喷混凝土的养护喷混凝土单位体积的水泥用量比较大，凝结硬化快，为使混凝土强度均匀增长，减少或防止不正常的收缩，必须加强养护。

一般喷完后2～4h开始洒水养护，并保持混凝土的湿润状态，养护时间不少于14d。