浅谈锚喷支护在隧道工程中的应用

浅谈锚喷支护在隧道工程中的应用
作者：张本亮
来源：《商品与质量·学术观察》2013年第06期
摘要：喷锚支护是用以加固岩层的临时或永久支撑。

它利用高压喷射混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用（根据地质情况也可分别单独采用），以达到支撑的目的。

它喷锚支护不仅可用于加固局部失稳的围岩和整治塌方，确保隧道施工安全，还可用于对隧道围岩进行系统支护加固。

因此，锚喷支护在隧道工程中得到广泛的应用。

本文结合工程实际，就锚喷支护在隧道工程中的应用谈一些看法。

关键词：锚喷支护隧道工程应用
一、锚喷支护在隧道结构体系中的作用
1、锚喷支护的特点
把锚固和喷混凝土结合起来，用以加固地下洞室围岩的措施。

喷混凝土是利用喷浆设备向地下洞室开挖面喷一定厚度的混凝土层，借以支护围岩。

由于混凝土喷层密贴围岩，并具柔软性等特点，所以能承受较大荷载，并能控制围岩变形，充填胶结岩体表层裂隙，保护和发挥岩体的潜力。

喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护，也可以作为永久性支护。

喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用的体系，防止岩体松动、分离。

把一定厚度的围岩转变成自承拱，有效地稳定围岩。

当岩体比较破碎时，还可以利用丝网拉挡锚杆之间的小岩块，增强混凝土喷层，辅助喷锚支护。

2、隧道的结构体系
隧道的结构体系是由围岩和支护结构（又称为衬砌）共同组成，其中围岩是主要的承载单元，支护结构是辅助性的，通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构也是主要的承载元素。

随着隧道的开挖，出现了临空面，打破了围岩原有的三维平衡状态，使围岩应力重新分布，形成了新的应力场，即围岩的二次应力，围岩也同时产生向隧道内部方向的位移。

如果围岩自身能完全抵抗二次应力，并保持长期稳定，这种情况下支护结构是不承载的，它只是用来防止围岩风化，以及作为安全储备以抵抗围岩状态恶化和特殊灾害所造成的意外荷载。

如果围岩的二次应力使围岩出现较大的变形和不能长期稳定，则支护结构就对围岩施加约束，改善围岩的应力状态，控制围岩不变形，此时支护结构就和围岩一起承受荷载。

3、隧道的支护结构
根据岩体力学理论及人们长期的工程实践总结，认为较理想的支护结构应满意以下两个方面的要求：一是支护结构必须能与围岩紧密接触，保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作；二是允许支护结构与围岩能共同产生有限的变形，围岩发生少量变形后，释放了部分围岩
内应力，它所需要支护结构提供的支护阻力就减少，同时支护结构发生少量变形后，它能提供给围岩的支护阻力就相应增加，如此达到平衡后就能保证隧道结构体系的稳定。

但围岩变形过大会导致围岩出现过度松驰，将大大降低了围岩自身的承载能力，因此支护结构又必须能够主动控制围岩的变形量，充分发挥围岩的承载能力。

因此，现代隧道支护结构主要采用能与围岩密贴、给围岩提供足够支护阻力并且能随同围岩一起发生有限制变形的柔性支护结构。

然而除稳定性很好的围岩外，大多数围岩的变形在相当长时间内不能稳定。

因此，设置柔性支护控制围岩变形基本收敛后，还设置刚性支护（称为二次支护或二次衬砌）来控制围岩的残留变形，防止围岩松动而降低承载能力，确保隧道结构长期稳定安全。

4、锚喷支护的作用
当前隧道的支护结构，主要采用以锚喷支护作为初期支护、模筑混凝土作为二次衬砌的复合衬砌结构。

在复合衬砌结构中，围岩和锚喷支护共同作用承担了隧道的全部或大部分荷载，而二次衬砌不承载或只承担少量荷载。

从分担隧道荷载方面来说，锚喷支护比二次衬砌更重要。

因此，锚喷支护的施工质量对隧道结构的稳定性和安全性方面起着至关重要的作用。

二、锚喷支护结构体系的施工技术
锚喷支护主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆喷射混凝土联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、锚杆喷射混凝土及钢筋网联合支护，以及上述几种类型中增设钢构件而组成联合支护。

1、锚杆施工
锚杆的种类很多。

按锚杆在围岩中的锚固形式，主要分为机械式锚固的锚杆和全长粘结式锚固的锚杆。

工程施工中，应根据围岩情况及设计要求，合理选用锚杆的类型，确保锚杆的长度、间距及粘结材料符合设计及技术规范的要求，以便得到良好的支护效果。

此外，锚杆施工中尚应注意以下几个方面：
（1）楔缝式锚杆和胀壳式锚杆，其锚头容易受围岩变形或爆破振动影响而松动，降低了锚固力。

因此，安装后要定期检查，及时紧固松驰的锚杆。

这类锚杆用于永久性支护时，还应补注水泥砂浆。

（2）对于全长粘结式锚杆，要使粘结材料均匀裹覆杆体，并密实充满杆体与孔壁之间的间隙，确保锚固力。

因此，钻孔后应检查孔内是否有落渣，必要时应使用高压风清孔，然后再安装锚杆。

使用树脂粘结剂或早强药包粘结剂时，应在孔内放入足够数量的粘结剂，并搅拌均匀。

使用水泥砂浆粘结剂时，砂浆要灌注密实并确保安插锚杆时，孔口有砂浆流出，否则应拔出杆体重新注浆。

（3）锚杆尾端都应设置垫板，垫板面积不少于设计要求，垫板要与锚杆联接牢固并与岩面紧贴。

设置垫板可以使围岩传递给锚杆的荷载增大，锚杆充分受力，发挥锚杆对围岩的三维约束效果。

（4）注意锚杆的方向。

对于有明显节理面的围岩，锚杆应垂直节理面或与节理面呈较大角度布设，否则，锚杆应垂直围岩内轮廓面，呈放射状布设。

（5）锚杆的锚固力，除与锚杆的类型及围岩情况有关以外，还与施工操作有很大的关系。

因此，锚杆安装后，要随机按不小于1% 的频率抽取锚杆做拉拔试验，拉拔力不到设计及规范要求时，要补打锚杆。

（6）锚杆与喷射混凝土联合支护时，应先对围岩表面初喷一层混凝土后，再施工锚杆，并使垫板紧贴初喷面，使锚杆与喷射混凝土联接紧密共同作用。

（7）渗水段围岩设置砂浆锚杆时，由于渗水会降低砂浆强度和粘结力，因此，应先处理渗水再施工锚杆，或改用对水不敏感的其它粘结材料，如早强药包锚杆，或其它型式的锚杆。

2、喷射混凝土施工
喷射混凝土施工有干式喷射法和湿式喷射法两种。

据统计，我国以干式喷射法为主，而欧美国家大多采用湿式喷射法。

无论选用哪种施工方法，都应该注意以下要点：
（1）确定合适的混凝土配合比。

喷射混凝土的配合比，除要满足设计强度外，还要满足喷射工艺、混凝土与岩面的粘结力、混凝土喷射时的回弹量等要求，因此配合比要通过试喷施工验证。

采用干法喷射施工时，由于干拌和料与水是在喷嘴处混合，水灰比不易严格控制，施工过程中混凝土的品质差异较大。

为保证施工强度，则其试配强度应适当加大。

配合比强度试件，应与喷射混凝土施工强度检验一样，用喷大板切割法或凿方切割法制取试件，不能用试模内浇筑制件方法。

（2）要使喷射混凝土与岩面有良好的粘结力，在喷射混凝土施工前，应对受喷岩面进行清理，清除松动岩石和粉尘杂物，处理好涌水。

（3）喷射混凝土应紧跟开挖面及早施工。

（4）控制好喷射混凝土的厚度。

厚度要满足设计及规范要求，并且要保证锚杆、钢筋网、钢支撑等有足够保护层，但也不能过厚而侵占二次衬砌空间。

（5）随时检查已施工完的喷射混凝土情况，有局部剥离脱落的要及时补喷，有较大开裂时要凿除喷层重新喷射施工，喷层中有微小裂缝且不扩展时，说明围岩变形趋于稳定，则可以不处理喷层。

（6）加强对喷射混凝土的养护，一般至少要养护 7 天。

冬天要避免混凝土被冻坏。

3、钢筋网的施工
（1）钢筋网应在初喷一层混凝土后铺设。

但在土砂围岩中，应先紧贴岩面铺设钢筋网，再喷混凝土，使喷射混凝土能阻附着在岩面上。

（2）钢筋网应随受喷面的起伏铺设，与受喷面的间隙一般不大于 3cm 。

（3）钢筋网的网格尺寸，不大于设计值。

钢筋交叉点要绑扎（或焊接）牢固。

（4）钢筋网应与锚杆、钢构件等连接牢固，必要时增设锚钉固定，在喷射混凝土作业时不得晃动。

4、格栅拱架和钢拱架施工
（1）拱架的外型尺寸及安装位置要准确，确保隧道的净空满足设计要求。

（2）加强拱架的连接。

拱架的连接有两个方面：一方面，拱架一般都是分段制作，分段安装，便于安装操作。

另一方面，相邻拱架之间必须设置纵向连接钢筋，连接钢筋一般使用直径不小于 20mm 的螺纹钢筋。

连接钢筋不仅能传递应力，使各格拱架共同承受荷载，还能增加拱架的稳定性。

（3）防止拱架下沉。

为防止拱架承受荷载后出现下沉，拱脚必须安装在承载力大的基岩。

如果拱脚处围岩的承载力不足，则可用加垫钢板等方式以增加拱脚与围岩的接触面积，或者设置钢托梁。

（4）拱架应尽量靠近围岩，拱架与围岩之间的缝隙必须用喷射混凝土填充密实。

如果开挖后围岩起伏较大，可先初喷一层混凝土找平，再安装拱架。

三、结束语
锚喷支护是一种柔性支护结构，是在充分发挥围岩自身承载能力的基础上设置的支护结构，具有施工方便快捷、有效地减薄支护结构厚度、提高成洞空间等诸多优点，随着我国基础建设步伐的加快和大量隧道工程的出现，锚喷支护在隧道工程的应用将进一步拓宽。

参考文献
[1] 张倬元，王士天，王兰生. 工程地质分析原理[M]. 北京：地质出版社，1994
[2] 冯卫星，况勇，陈建军. 隧道坍方案例分析[M]. 成都：西南交通大学出版社，2002
[3] 赵万山、阮正富，隧道锚喷支护的施工质量控制，《中国西部科技·学术》 2007年第5期。