崩塌治理工程

崩塌治理工程
3.1 锚喷支护结构施工
喷射混凝土是利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成的，锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形式，可以根据不同崩塌区域的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。

工程实践证明，锚喷支护较传统的现浇混凝土支护优越。

由于锚喷结构能及时支护和有效地控制危岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥岩石的自承能力，所以铺喷支护结构比混凝土衬砌受力更为合理。

锚喷支护能大量节省混凝土、木材和劳动力，加快施工进工程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。

3.1.1 锚喷支护结构的受力与计算
锚喷支护结构的设计是基于喷射混凝土与锚杆作为加强和利用岩层自身支承能力的手段。

因此，设计时必须从具体岩层的变形、破坏和稳定性出发，进行分析研究。

由于不同的岩层，其变形、坍塌的原因和应注意的问题不同，因而锚喷支护结构对于各类岩层所起作用和设计原理也不同。

锚喷支护的设计与施工，大体可按以下五个步骤进行：
（1）勘查工程地质和水文情况，分析岩层的稳定条件。

（2）在岩层分类的基础上采用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护结构进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项。

（3）在支护结构施工中，密切注意地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序。

（4）支护完成后，观察危岩的稳定状况，对其长期稳定性做出预测和评价。

必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测。

（5）总结经验，改进设计与施工。

掌握岩体变形、班塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的方法进行支护。

锚喷支护结构的受力情况与岩层的应力状态密切相关，其影响因素比较复杂，虽然有各种计算方法，包括有限元法计算，但需要按经验估计的参数较多，又不能比较完善的反映锚喷支护加固岩层的作用
特点，因此，锚喷支护的受力分析和结构计算尚处于半经验半理论阶段，还有很多问题有待今后逐步研究解决。

传统的支护结构总是在开挖后先支撑，使开挖工作面推进到相当远后，即经过一段相当长的时间后，才能逐步拆除支撑进行衬砌。

支撑只能在少数点上与岩层接触，初砌与岩层之间如不经过回填灌浆，是不密贴的。

实际上，这就等于允许岩层有较长时间的松动变形，使松弛带发展得很宽。

喷锚支护则不同，开挖断面一经形成，便可及时而迅速地支护，随挖随喷。

根据需要在喷混凝土的同时，还可配置钢筋网和钢拱架，这样很快就能形成与岩层紧密衔接的连续支护结构。

同时，还能将岩层中的空隙填实，使之同支护结构一起构成支承岩层荷载的承载结构，“主动”地制止岩层变形的发展，使岩层能自承。

喷锚支护，一方面由于喷混凝土渗入岩体裂隙，起了加固作用，提高了岩体的稳定值；另一方面，连续喷射层对危岩体表面作用有封护抗力使岩体的稳定性得到保证。

当崩塌范围加大到一定程度时，薄的喷混凝土层不足以作为一种防护和加固危岩的措施，而必须加设锚杆。

崩塌范围越大，岩体越软弱，就越需要定型布置锚杆系统，甚至加钢拱架或钢筋网，以提供一个加固拱（或称承重环），锚杆与喷凝土相结合就构成了喷铺联合支护。

3.1.2 锚杆支护结构
砂浆锚杆是依靠注入岩孔中的水泥砂浆将锚杆和岩壁固结起来，靠砂浆的黏结与危岩起锚固作用。

它使岩层的整体联结作用较好，但只有等砂浆具有一定强度之后，才能起锚固作用。

为了提高锚固效果，可采用楔缝式金属锚杆和树脂黏结型等锚杆。

锚杆的类型按照作用原理可划分为全长黏结型、端头锚固型、摩擦型和预应力型四类。

全长黏结型锚杆应用最广，其价廉、施作简单，适用于岩层变形量不大的各类地下工程的永久性系统支护；端头锚固型锚杆，其安装后能立即提供支护抗力，并能对岩层施加不大的预应力，适用于作坚硬裂隙岩体中的局部支护和系统支护。

这类锚杆由于杆体和锚头易发生镑蚀，所以，当作永久性支护时，必须采取灌注水泥砂浆或其他防腐措施；摩擦型锚杆，安装后也可立即提供抗力，
其最大特点是能对危岩施加三向预应力，韧性好，适于软弱破碎、预应力型锚杆或锚索，由于能对危岩施加较大的预应力，适于大跨度高边墙隧道的系统支护及加固大的不稳定块体的局部支护，但是这类锚杆成本较高。

锚杆加固危岩可以根据不同岩层的岩层产状和稳定状况灵活进行。

其作用原理主要有联结作用、组合作用、整体加固作用等。

1.锚杆的联结作用
崩塌区有不稳定的岩块和岩层时，可用锚杆将它们联结起来，并尽可能地深入到稳定的岩层中。

应考虑锚杆承担全部不稳定岩石的重力。

（1）锚杆承载力计算。

当块体危石坠落时，除使锚杆受拉外，还对锚杆产生剪切作用，根据静力平衡有：
式中N——锚杆所受拉力；
Q——锚杆所受剪力；
G——危石重力或一根锚杆承担的岩石重力；
ξ——锚杆与地质结构面的夹角；
φ
——锚杆与垂直线夹角。

1
如果根据地质构造节理或形成的裂隙确定了危石的形状和重量G，即可根据上述公式计算锚杆强度。

以抗拉为例，锚杆直径可用下式计算：
式中k——安全系数，可取2；
R
——锚杆抗拉强度；
g
N——锚杆所受拉力；
d——锚杆直径。

（2）砂浆锚杆所需锚固长度。

砂浆锚杆在国内是常用的，它的锚固深度越大，锚固力也越大。

螺纹钢筋比光圆钢筋锚固力大，而且钢筋直径增加，它与砂浆的接触面加大，其锚固力也随之增大。

要保证砂浆锚杆具有足够的锚固力，首先要保证它有一定的锚固深度。

一般中等石质岩层条件下，螺纹钢筋的锚固深度应取其直径的20～30倍以上，而光面钢筋锚固深度则取大于直径的30倍以上，有条件时可在现场进行锚固力试验确定。

通常锚固深度可用下式计算：
式中d——钢筋直径；
D——锚杆钻孔直径；
τ——水泥砂浆与岩孔的抗剪强度k为安全系数，可取3～5。

锚杆长度应为
L m =L
1
+L
2
+L
3
式中L
1
——锚杆锚固深度；
L
2
——危石或不稳定岩层厚度；
L
3
——外露长度，应略小于喷射混凝土的厚度。

2.锚杆的组合作用
锚杆组合作用是依靠锚杆将一定厚度的岩层，尤其是成层的岩层组合在一起，组成组合拱或组合梁，阻止岩层的滑移和坊塌。

锚杆提供的抗剪力、抗拉力，以及由于锚杆的锚固力使岩层层面摩擦力增加，使将要滑动的岩块加固稳定，阻止层面的互相错动，提高岩层与锚杆组合的岩石梁或岩石拱的抗弯和抗剪能力。

布置锚杆时应注意按垂直层面的方向设置。

如对锚杆施加预应力，可提高其支护效果，按组合作用来进行锚喷支护的受力分析和结构计算时，应注意锚杆的组合作用是主要的，喷混凝土仅是封闭和支护锚杆之间的表层岩体，以避免局部塌落，并提高组合结构内表层的强度。

3.锚杆支护整体加固作用
通过有规律布置锚杆群，将崩塌体一定深度的岩层进行挤压和黏结加固，组成一个承载环。

在锚杆预应力的作用下（或岩层松弛时，在锚杆中产生的拉力），每根锚杆周围的岩体形成一个两头带圆锥的筒状压缩区，每根锚杆的压缩区彼此联结。

形成厚度为t的均匀压缩带。

由于锚杆支护力的作用，压缩带获得径向支
护力σ
r
使压缩带中的岩体处在三向受压状态，使岩体强度大为提高，从而形成能承受一定荷载的稳定岩体，即承载环。

承载环的岩体径向应力由σ
r =0提高到σ
r
，岩体切向应力破坏强度由R（单
轴抗压强度）提高到岩体沿剪切破坏面滑动时的抗剪切强度也从τ
1提高到τ
2。

这就增大了岩体塑性区的卸载作用，使得最后传到喷层支护上的荷载大为减少，此外，锚杆本身在承载环中，也提高了剪切滑动面上的抗剪强度。

砂浆锚杆依靠它周围的水泥砂浆与岩层之间的黏结作用和本身在岩体中的抗剪能力，达到加固和提高岩层强度，增强岩层体承载能力的目的，砂浆锚杆的承载力可用下式表示：
P s =πDL
1
(C
s
+σ
1
tanφ
s
)
式中P
s
——砂浆锚杆的承载力；D——锚杆孔的直径；
L
1
——锚杆的锚固长度；
C
s
——砂浆与岩石的黏结力；
σ
1
——岩体内切向应力；
φ
s
——砂浆与岩石的摩擦角。

当岩层产生位移时，锚杆单位长度上的承载力P
s /L
1
与σ
1
的合力阻止岩层位
移的发展，产生支护抗力，并使在锚杆间的岩层产生压缩和成拱作用，从而提高了岩层体强度和缩小了岩层承载跨度（等于锚杆间距），达到稳定和加固岩层的目的。

岩层内缘、锚杆之间筒状压缩区以外的岩体，或砂浆锚杆之间的内缘松弛带，应及时喷射混凝土层来保证其稳定性，使其不致进一步松弛、塌落。

3.1.3 喷混凝土支护结构
喷混凝土支护结构通过局部和整体稳定岩层两个方面起支护作用。

1.局部稳定原理
喷混凝土支护结构通过及时的封闭岩层表面的节理、裂隙，填平或缓和表面的凹凸不平，从而提高节理裂隙间的黏结力、摩擦阻力和抗剪强度，减少应力集中现象出现。

防止岩层表面风化、剥落、松动、掉块和坍塌的产生，使岩层稳定下来，发挥岩层体的自承能力。

其崩塌的形成往往是因为其中一块危石的掉落，引起邻近的块石相继裂开、错动、脱落，导致全局性的失稳、坍塌，发生恶性连
锁反应，喷混凝土只要支护住最先掉落的危石（或称冠石），封闭加固附近的岩体，则洞室就能稳定。

而喷混凝土层在危石自重力作用下，可能出现冲切破坏和撕开破坏。

喷混凝土若被危石冲切破坏时，其喷层厚度可按下式计算：
式中G——由危石重量引起的作用力，当危石处于拱顶位置时，
G——危石重量u——危石底面周长；
——喷射混凝土的计算抗拉强度。

R
L
k——安全系数，可取3～5。

（1）撕开作用计算。

喷层受剪切的同时，它与危石周岩层石之间将产生拉应力，当最大拉应力大于喷层的计算黏结强度时，喷层就会在该结合面处撕开。

简化计算可用下式：
式中G——危石重量；
——喷层与岩石间的计算黏结强度。

R
Lu
2.整体稳定原理
喷混凝土层与岩层体表面紧密黏结、咬合、使洞室表面岩体形成较平顺的整体，依靠结合面处的抗拉、抗压、抗剪能力，与岩体密贴组成“组合结构”或“整体结构物”共同工作。

薄的喷层支护柔性大，变形能力强，它能在与岩层共同承载和变形过程中对岩层提供支护力，使岩层变形得到控制，应力得以调整，从而使岩层体获得稳定。

作为“整体结构物”一部分的喷层也同时受到来自岩层的压力，这种压力不是由岩体坍塌的岩块重量引起的，而是由岩层的变形引起的，是喷层支护与岩层共同变形中对喷层支护施加的称为形变压力。

3.1.4 锚喷联合支护的应用
1.锚喷联合支护修建隧道的基本概念
上面介绍了锚杆支护和喷混凝土支护的作用原理和部分计算，一般在较好的岩层中（如V类以上岩层）可将喷混凝土作为主要的支护手段，辅以锚杆加固，
而在较差的岩层中，则以锚杆，尤其是预应力锚杆作为主要的岩体加固手段，并与喷混凝土、钢筋网喷混凝土或加钢拱的钢筋网喷混凝土配合使用。

锚喷联合支护不同于传统的开挖、支撑、模注衬砌的施工方法，它是将隧道全断面一次掘出，在开挖洞室的同时，尽可能迅速地连续观测岩层的位移和变形，并以及时的锚喷作为临时支护，称其为第一次衬砌，它起稳定岩层，控制岩层应力和变形，防止松弛、坍塌和产生松散压力等作用。

所谓“及时”，对差的岩层是指“尽快”，对好的岩层是指“适时”。

凝结后即连续地对支护喷层的变形进行监测。

在临时支护基础上逐步增加支护措施，把喷层加厚。

或增设（长）锚杆、钢筋网等。

待其基本稳定后，再加做模注混凝土二次衬砌。

此时，原来的临时支护（锚喷支护）成为永久衬砌的一个组成部分。

（1）锚喷支护不单纯是一种施工方法，而是一种指导原则和思路。

使用时应掌握基本点。

（2）支护要薄而具有柔性并与岩层密贴，使因产生弯矩而破坏的可能性达到最小。

当需要增加支护衬砌强度时，宜采用锚杆、钢筋网以及钢支撑等加固，而不宜大幅度增加喷层厚度。

2.设计原理
支护结构的设计原理是采用岩层体和柔性支护共同变形的弹塑性理论。

当隧道开挖后，将引起一定范围内的岩层应力重分布和局部地层残余应力的释放。

在重新分布的应力作用下，一定范围内的岩层产生位移，形成松弛，同时也降低或恶化了岩层的物理力学性质，则隧道岩层将在薄弱处产生局部破坏，局部破坏的扩大，会造成整个隧道的坍塌。

3.保证锚喷支护与岩层形成共同体
由于计算模型中把支护和岩层视为不可分割的共同体，因此，在设计施工中要求保证实现岩层、喷层和锚杆之间具有良好的黏结和接触，共同受力。

支护类型的确定应根据岩层地质特点、工程断面大小和使用条件要求等综合考虑在一般的情况下，应优先考虑选用喷混凝土支护或锚喷联合支护。

对于坚硬裂隙岩体中的大断面隧道，通常在长锚杆之间还要加设短锚杆以支承其间的岩体。

对于破碎软弱岩体，其特点是岩层出现松动早，来压快，容易形成大塌方，出现这种情况一定要早支护、早封闭，设仰拱、加强支护。

一般采用锚喷网联合
支护。

塑性流变岩体的特点是岩层变形与时倶增，变形量很大，岩层压力也大且变化延续时间长。

处理这类岩体的原则是：
（1）选择合理的锚杆类型与参数，在岩层中有效形成承载圈
锚杆支护设计，主要是根据岩层地质、工程断面和使用条件等，选定锚杆类型，确定锚杆直径、长度、数量、间距和布置方式。

锚杆间距的选定，除考虑岩体稳定条件外，一般应能充分发挥喷层作用和施工方便，即通过锚杆数量的变化使喷层始终具有有利厚度。

合理的锚杆数量是恰好使初期喷层刚好达到稳定状态，这样复喷厚度才能作为支护强度提高的安全系数。

为了防止锚杆之间的岩体塌落，根据长期的工程经验和科学试验，通常要求锚杆的纵横向间距不大于杆体长度的一半即可，因此，锚杆间距的确定还受锚杆长度的制约。

在软弱岩体中，锚杆的密度是稳定岩层的重要因素，因而目前一些锚喷支护规范中，对Ⅱ，Ⅲ类软弱岩层还规定了锚杆的最大间距。

为了施工方便，锚杆的纵向间距最好与掘进进尺相适应。

所以，锚杆纵向间距的选定，还要结合施工方法综合考虑。

锚杆长度的选取应当以能充分发挥锚杆的功能作用，并获得经济合理的锚固效果为原则。

一般来说，锚杆长度愈长，支护效果愈好，但当锚杆长度超过塑性区厚度以后，锚杆的效率就大大降低，所以锚杆不宜太长。

为维持锚杆的经济效果，通常以不超过塑性区为宜。

锚杆主要是用来加固松动区的，使其加固并形成整体，因而锚杆的最小长度应超过松动圈厚度，并留有一定安全余量。

对于裂隙和层状岩体，锚杆主要是对节理裂隙面起加固作用，这时锚杆宜适当长些，尽量穿过较多的层理和裂隙。

根据我国锚喷支护的设计经验，锚杆长度可在隧道跨径的1/4～1/2的范围内选取。

而国外采用的锚杆长度一般都超过我国所用的锚杆长度。

诚然，锚杆太长会造成施工上的不便。

锚杆的布置应当采用重点（局部）布置与整体（系统）布置相结合。

为了防止危面和局部滑塌、应重点加固节理面和软弱夹层，重点加固的部位应放在顶部和侧壁上部。

为防止岩层整体失稳，当原岩最大主应力位于垂直方向时（即λ值＜1），应重点加固两侧，以防止该处出现所谓压剪破坏，但在顶部仍应配置相当数量的锚杆。

通常只锚固两侧的做法则不能收到预期的效果。

两侧和顶部都进行锚固的效果要好得多。

当最大主应力位于水平方向时（即λ值＞1），则应把锚杆重点配置在顶部和底部。

锚杆的方向应与岩
体主结构面成较大角度，这样则能穿过更多的结构面，有利于提高结构面上的抗剪强度，使锚杆间的岩块相互咬合。

（2）选择合理的喷层厚度，充分发挥岩层和喷层自身的承载力最佳的喷层厚度（刚度）应既能使岩层维持稳定，又允许岩层有一定塑性位移，以实现“卸压”，利于岩层自承和减少喷层的受弯应力。

根据上述定性原则，无论是喷层初始厚度还是总厚度，过厚都是不合理的。

根据工程经验，通常初始喷层厚度宜在5～15 cm之间，喷层总厚度不宜大于20 cm，只有大断面隧道才允许适当增大喷层厚度。

在地应力较大，喷层不足以维持岩层稳定的情况下，应采取增设锚杆、配置钢筋网等联合支护或其他控制措施，而不能盲目地加大喷层厚度。

喷层由4 cm增大至30 cm（7.5倍），应力仅降低约16%，效果是极微小的。

同时当喷层超过15 cm后，对限制岩层位移的效果不再有显著影响。

总之，期望以增大喷层厚度的办法来改善支护效果是不可取的，也是不经济的。

另外喷层太厚，对发挥喷层材料的力学性能是不利的。

可以看出，随厚度的增加，支护的弯矩也显著增大。

当喷层厚度d＜D/40时，喷层接近于无弯矩状态。

显然这是最有利的受力状态。

为了有效地限制岩层的变形以防松动破坏，并协同锚杆有效地形成加固圈，喷层过薄也是不适宜的。

根据对大量工程使用情况调查，厚度在2 cm以下的喷层，常出现大量开裂和剥落，在3～4 cm时，也有开裂和剥落现象，而5 cm以上则较少见到。

因此，除了仅起防风化作用者外，喷层支护的最小厚度一般不能小于5 cm，而在有较大岩层压力的破碎软弱石体中，喷层厚度以不小于8～10 cm 为宜。

（3）合理配置钢筋网。

基于钢筋网具有防止或减少喷层收缩裂缝，提高支护结构的整体性和抗震性，使混凝土中的应力衬砌厚度与内力的关系得以均匀分布和增加喷层的抗拉、抗剪强度等功能，在下列情况下可考虑配置钢筋网：
①在土砂等条件下，喷射混凝土从岩层表面可能剥落时；
②在破碎软弱塑性流变岩体和膨胀性岩体条件下，由于岩层压力大，喷层可能破坏剥落时，或需要提高喷混凝土抗剪强度时；
③地震区或有震动影响的隧道。

（4）合理选择钢支撑。

在下列场合必须考虑使用钢支撑：
①在喷射混凝土或锚杆发挥支护作用前，需要使隧道岩面稳定时；
②用钢管（棚架）、钢板桩进行超前支护需要支点时为了抑制地表下沉，或者由于压力大，需要提高初期支护的强度或刚性时。

（5）采取正确的施工方法。

施工方法的正确性和合理性对锚喷支护的成败和效果有重大影响，分上下台阶一次开挖的方案，以减少扰动次数，提高工效。

尤其在松散岩体中，则可采用分部开挖方案，化大断面为小断面，以减小扰动的强度。

掘进进尺根据岩层类别、等级和施工技术、作业等因素确定。

对于松散、自稳性差的岩层，进尺应短些，且对开挖面与支护面的距离要做出限制。

支护的顺序及初期支护时机与岩层自稳时间（指从开挖到发生局部坍塌的时间）关系密切。

若自稳时间长，可先锚后喷；若自稳时间短或岩层比较破碎，则应改用“喷一锚一喷”施工顺序。

岩层变形压力的大小与支护的刚度和施作时机关系很大。

因为岩层的力学性态是随着时间的推移而发生变化，同时还受开挖面推进的影响，所以，在不同阶段进行支护就会取得不同的支护效果。

另外，当岩层进入塑性后，在减少支护前岩层的位移释放量和限制塑性区半径方面，支护的时机要比支护的刚度还重要。

这些都说明了为取得最优支护效果，就必须依据“岩层一支护”体系的力学动态，掌握好支护的时机。

初期支护一般应作为永久支护的一部分。

因此，不允许初期喷层完全破裂（但允许有微小裂缝），作为最终支护的复喷混凝土层的复喷时间，视设计方法而异，目前有两种做法：一种是待岩层完全稳定后进行，这种隧道的安全储备大，对防止二次喷层出现受力裂缝和防水都有利；另一种是当岩层变形尚未趋于稳定时（如规定岩层变形量达到喷层破裂时变形量的80%时）施作，在不重要或服务年限不长的隧道可以采用这种做法，以取得明显的经济效果。

（6）依据现场监测数据指导施工。

由于锚喷支护理论目前还不够成熟，故需依靠现场监控测量来掌握岩层动态、修正设计、指导施工和对支护效果做出正确估价。

量测工作是“新奥法”的重要标志之一，也是现代支护理论所凭借的主要手段。

现场监测方案的制订，主要应解决如下问题：需要进行哪些量测项目，采用何种量测手段有效可靠，测试的方法，测试数据的整理，分析与反馈，以及监控工作的程序等。

制定量测方案一般应考虑的原则：
①根据监控的目的选定量测项目的种类，同时要与设计和施工相匹配。

量测项目一般可归结为位移量测（包括洞周收敛、洞周边位移、岩层内部位移、地中位移、洞顶下沉、地表沉降等）、岩层应变一应力量测、支护受力量测（包括锚杆轴力、喷层应力、接触压力等）、声波探测等四大类。

根据目前量测技术和手段的发展水平，一般应以位移（特别是收敛）量测和声波探测为主。

因为位移反映了岩层动态的综合指标，能直观判断岩层稳定性，且安设快，数据直观可靠，对施工干扰也小。

声波探测肩负岩层分类和现场监测双重任务，它也能综合反映岩体的完整性与强度，是岩层分类的重要依据。

②量测断面的数量应根据岩层的地质条件和工程的重要性来确定。

因现场监测的工作量和耗资都较大，所以除科研和特殊需要外，一般应少而精。

力争在有限的测试规模和条件下，选用一举多得的项目和手段。

③测试断面和测点的位置要由监测、地质、设计和施工四方面共同选定。

具体位置一要考虑量测的目的，二要能反映实际情况。

如果确认为一般地段的锚喷支护设计的修正和指导施工服务，应选在岩层地质有代表性的典型地段；如果出于预报险情和制订防患施工技术措施为目的，则应选在地质条件差的特殊地段。

测点应主要布置在可监视岩层力学动态和支护工作状况的关键部位。

④要保证测试数据的可靠性，并注意便于在设计和施工中反馈和分析计算。

应尽量采用断面间互检、手段间互校、同部位间互比、项目间相通的测试方案和数据分析方法。

对所测得的数据，应采用随时间变化的曲线表示，用回归分析处理，并及时反馈到设计和施工中去。

⑤量测手段的选择上应注意其有效性、经济性和技术上的可能性，以及长期稳定性。

⑥力求把施工期间的监控量测与使用后的长期观测结合起来，以减少工作量，保证资料的连续性。

⑦注意为深入研究支护与岩层相互作用机理和完善及发展设计理论积累现场实测资料。