锚喷支护技术及其工程应用.doc

锚喷支护技术及其工程应用 锚喷支护是喷射砼、锚杆以及钢筋网（或钢纤维）用于围岩支护的总称。随着围岩稳定程度的不同，它们可以单独设置，也可以综合运用。当围岩稳定性较好时，可以采用锚杆支护或喷射砼支护；当围岩稳定性较差时，可以采用锚网喷联合支护。 目前，锚喷支护理论日益完善，但在实际施工实践中，理论成果运用不足，普及知识还须加强。阐述了锚喷支护在海军1206工程中应用经验，希望对其它工程建设有参考作用。 1锚喷支护的基本构造 1.1喷射砼 喷射砼是将符合要求的砂、碎石、水泥等按一定比例混合放在喷射机中，借助高压气流喷射（加水）到岩体表面凝固而成的。喷射砼不仅能够隔绝空气，防止围岩风化，而且可以作为结构物承受荷载，从而起到保护围岩稳定的作用。 喷射砼分为干喷和湿喷两种，喷射砼的标号不应低于C15，通常应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且强度等级不应低于32.5MPa。为了尽快获得强度，及早向围岩提供支护力，通常都在混合料中加入一定数量（通过试验确定）的速凝剂。 喷射砼喷射作业前的准备工作应达到规范要求，通常都采用分层喷射的方法，每次喷射的厚度应遵守设计要求或规范要求。 后一次喷射应在前一层砼终凝后进行，只要将喷射表面冲洗干净，先后喷射的两层砼一般都能粘结良好，不影响其受力性能。喷射作业紧跟开挖工作面时，砼终凝到下一循环放炮的时间，不应少于3小时。 为了提高支护的承载能力，也可以在喷射砼中设置钢筋网，称为网喷支护。通常沿洞室横向布置直径较大的受力钢筋，沿纵向布置直径较小的构造钢筋。钢筋网应随岩面铺设，并与锚杆联结牢固，防止喷射砼时震动。 近年来，钢纤维喷射砼技术发展较快。在喷射砼中掺入钢纤维或玻璃纤维以取代钢筋网，工艺简单，施工方便，既节约劳动力和时间，又能够提高抗拉强度，增大结构韧性，改善抗冲击荷载的性能，可能成为今后发展的一种趋向。 1.2锚杆支护 锚杆支护是在岩石中钻孔，并在其中固定各种材料或形式的锚杆，用来加固和支护围岩的一种是形式。它和喷射砼一起，广泛使用在地下工程中。 锚杆的种类很多，重点介绍钢筋砂浆全长锚固锚杆（简称砂浆锚杆）。锚杆杆体钢筋宜采用Ⅱ、Ⅲ级钢，钻孔直径为28～32mm时，宜采用Q235钢筋。杆体直径一般为16～32mm。固结锚杆的水泥砂浆强度等级不应低于M20,锚固力必须满足设计要求。 锚杆通常成梅花形布置，间距不宜大于杆体长度的二分之一。锚杆一般应与主结构面垂直或尽可能有较大的交角。当主结构面不明显时，则沿周边径向布置。 砂浆锚杆又有两种注浆方法。其一，在钻孔中先灌注水泥砂浆，然后插入锚杆；其二，在钻孔中先安设杆体，然后用真空法压注水泥砂浆。无论采用那一种注浆方法都必须保证砂浆在钻孔中充填饱满。砂浆锚杆的承载能力取决于钢筋与砂浆间的握裹力和砂浆与钻孔岩壁间的粘结力，它与钢筋的类型、直径以及锚杆的锚长度等因素有关，一般都由试验直接测定。 2锚喷支护的作用机理 锚喷支护的基本原理就是把作为荷载看待的围岩转化成能够承受外荷的一种结构（岩石结构），而把衬砌（人工结构）转变成扶持围岩稳定的一种支护措施。锚喷支护和围岩粘结在一起，形成一个统一体，二者互相依存，彼此制约，共同变形，联合受力，而真正起作用的是围岩。 和模注式衬砌相比，锚喷支护特点 1工艺简单，操作方便，能在爆破后几小时内及时加固围岩； 2和围岩紧密连接共同工作，直接提供径向和切向抗力； 3能够根据需要在不同时段分层构筑； 4厚度薄，刚度小，具有较大的韧性。 它的作用机理可以从以下几方面来认识 2.1锚喷支护能够积极保持和提高围岩的二次强度。 锚喷支护的及时性和密贴性，在保持和提高围岩二次强度方面有着特别积极的作用。 首先，在洞室开挖后的短时间内，喷射砼能够及时封闭围岩，隔绝大气对围岩的风化作用，防止围岩二次强度急剧降低，特别是对那些易于风化、解体的软弱围岩更加重要，它是保持和发挥围岩自稳能力的关键。另外，以高压射流形式喷射的砼，一部分砂浆渗入岩体结构面中，使互不联系或联系较弱的岩块胶结在一起，加强了围岩的整体性，提高了岩块间的抗剪能力。 掺加速凝剂的喷射砼很快产生早强，能在软弱围岩局部破坏前及时提供支护力，限制围岩变形发展，使岩体结构面中的粘结力最大限度地保持不变，以维护围岩的整体稳定。 穿过岩体结构面的锚杆，既起到一定的悬吊作用，又具有整体加固的效果。由于锚杆制约围岩变形，岩体结构面间的压密程度增加，摩阻力加大。锚杆本身的抗拉抗剪能力，能防止岩块松动和滑移。 喷射砼和锚杆提供的支护抗力，改善了围岩的受力条件，使接近二维的受力状态又向三维受力状态转化，大大提高了围岩的二次强度。从稳定围岩的角度分析，必须注意及时支护，支护的作用主要是针对那些暂时尚未滑移塌落但又难以长期自稳的岩块，在这些岩块周边上的粘结力和摩阻力急剧降低之前进行支护，就可以最大限度地利用围岩中尚存的那一部分强度，以达到最经济的支护效果。这样，既遏制了可能最先出现的那些局部破坏，也有利于维持洞室的整体稳定。 2.2锚喷支护能够使围岩的二次应力向有利的方向调整 围岩二次应力的特点是径向应力解除或减小，切向应力成倍增加而且增高的范围主要集中在洞室周边，成为洞室失稳破坏主要原因。因此，调整二次应力的关键，除增大径向抗力外，还在于缓和切向应力的集中程度。锚喷支护在这方面有着突出的优点，由于它能保持和提高围岩的二次强度，就限制和延缓了围岩的破坏过程，为二次应力的调整争取时间。锚喷支护能够利用自身的柔性来适应围岩的蠕变。在蠕变过程中，喷层又以越来越大的径向抗力和切向抗力来支护围岩，使变形速度进一步减慢，为充分利用围岩的塑性创造了条件。 围岩的塑性使应力不断地随时间进行调整，使二次应力的分布由过度集中向平缓转化。随着二次应力向深部调整转移，塑性区的范围不断增大，稳定洞室所需要的支护力相应降低，从而减轻锚喷支护的负担。 洞室开挖变形过程实质上是岩体内部能量进行释放再分配的过程。岩体的破坏是过度集中的能量急剧释放的一种形式。洞室开挖完后，部分弹性能迅速释放，剩余的能量集中于洞室周边围岩中。锚喷支护的作用是利用它的及时性争取时间，利用它的柔性既提供一定的支护力，又使围岩在约束条件下缓慢变形，通过变形有节制地继续释放一部分能量，通过塑性将另一部分多余能量转移到深部岩体。能量的释放和转移过程就是二次应力的调整和重分布过程。 2.3锚喷支护具有良好的受力状态 锚喷支护的密贴性、柔性和可分性，大大改善了它本身的受力状态，这是模注式衬砌难以比拟的。 锚喷支护和围岩紧密连接，二者相互提供粘滞力，彼此制约，共同变形，支护有助于围岩的稳定，围岩改善了支护的受力状态。在围岩和支护共同工作中，柔性支护处于极有利的地位。一方面，柔性支护易于变形，作用其上的变形压力变小；另一方面，在相同的荷载作用下，柔性支护的内力总比刚性支护要小得多。因此，当锚喷支护和围岩共同承载时，支护设计柔性大些，可以更好地发挥围岩的支撑能力。 分层喷射或锚固对支护内力的益处，更是其它一般结构所不具备的。对一般结构来说，材料、形式、尺寸一定时，在外力作用下，会产生一定的内力（拉应力、压应力或剪应力），这就是所谓的单一应力状态。锚喷支护分层喷射或锚固，各工序有时间间隔，间隔期内围岩的变形压力都相应发展变化。在这种结构厚度和荷载大小都发生变化的情况下，喷层中的应力状态必然随时间而变化，形成了复合应力状态，从而提高了结构的支护能力。 在实践中，初喷层厚度掌握不好，有时会出现裂隙现象，这正是初喷层材料强度被充分利用的一种表现，如果及时进行补喷，喷层的应力状态得到调整，不仅可以阻止裂隙的发展，甚至可以使裂隙重新闭合。 2.4锚喷支护具备比较有利的破坏形态 模注式衬砌由于刚度大，与岩面不密贴，弯曲（受拉）破坏的现象较为普遍。锚喷支护改善了围岩和支护的应力状态（减小或消除了拉应力），破坏形态以剪切破坏为主，少数情况下，才会出现弯曲破坏。 围岩的破坏形态主要取决于二次应力和二次强度。前者和构造应力、洞室形状、尺寸有着密切联系，后者与岩性、结构面有关。在一般情况下，构造应力不太复杂，洞室表面光顺，高跨比不过于悬殊，围岩的破坏主要以剪切形式出现。只有在构造应力很复杂，洞室成型不好或高跨比过于悬殊的情况下，围岩才出现局部弯曲破坏。 支护的破坏形态，既取决于围岩的破坏和变形情况，又与自身的形式有关。作用在支护上的力，一来自围岩的局部破坏，二来自洞室的整体变形，前者比较集中，后者相对均匀。柔性支护整体受力变形时的适应性强，力矩小，多出现剪切破形态。当承受局部压力时，应力相对集中，容易弯曲破坏。支护类型也有很大影响，厚度较小的锚喷支护多属剪切破坏，厚度较大的喷射砼或网喷支护则有可能出现弯曲破坏。围岩性质也有影响，坚硬完整且与喷层粘结牢固时，多属剪切破坏；松软破碎且与喷层粘结不牢时，则有可能出现弯曲破坏。 总之，锚喷支护主要以剪切破坏为主，弯曲破坏虽有存在的可能，但只要采取适当的措施，还是可以避免的，或者控制在最小范围内。 2.5锚喷支护能够合理解决围岩和支护之间的矛盾 锚喷支护的密贴性，它和围岩紧紧地粘结在一起。喷层可以看作是一层人工岩石，岩体可以看作是一个天然结构，二者形成一个统一的结构体，互相依存，彼此制约，共同变形，联合受力。同时锚喷支护和围岩在共同的工作中，存在着许多固有的矛盾 1变形大小的矛盾从有利于二次应力的调整和减轻支护负担来看，应当允许围岩有一定程度的变形，从保持围岩的二次强度上来看，变形愈小愈好； 2支护早晚的矛盾从保持围岩强度，防止局部破坏来看，支护愈早愈好，从减小支护上的变形压力来看，又不宜过早支护，从防止围岩松脱破坏来看，更不能过晚支护； 3喷层厚薄的矛盾从提高支护的强度和加大对围岩的抗力来看，喷层厚一些较好；从释放围岩蠕变变形、充分发挥围岩承载能力和改善支护受力状态来看，喷层薄一些比较有利。 变形大小，支护早晚和喷层厚薄之间的矛盾，在模注式衬砌中难以克服，而在锚喷支护中却可以合理解决，即把支护分成几部分，根据实际需要在不同时间里构筑。初期支护要力争早而薄，以便保证围岩在不产生过分松弛的情况下有足够的变形，后期支护则适当地晚和厚，在保证围岩稳定的同时，具有足够的安全储备。 综上所述，锚喷支护的作用机理概括成 锚喷支护和围岩紧密连接，构成支护围岩统一结构体，共同变形，联合受力。在这个统一结构体中，起主导作用的是围岩，在支护的辅助下，利用围岩的承载能力来维持自身的稳定性。利用围岩的关键是尽可能地保持和提高围岩的二次强度，并使围岩的二次应力合理地进行调整。要兼顾这两个方面，必须采取分期构筑的办法来解决变形大小、支护早晚和喷层厚薄之间的矛盾。在洞室开挖后，立即喷射较薄一层砼加固岩体，防止局部破坏，为洞室整体稳定创造条件。支护的柔性允许围岩产生一定的变形，使二次应力向深部岩体调整，并在洞室周围形成一个有一定自撑能力的岩石碹。支护向围岩提供径向抗力，使围岩逐渐趋向三维应力状态，但本身却避免了过大的变形压力，并使喷层中的弯曲应力减小。良好的受力状态，使锚喷支护的破坏大多以剪切形式出现，有利于发挥支护材料的潜力。当变形基本稳定以后，再构筑晚期支护，使围岩在形成松脱压力以前保持稳定，并有足够的安全储备。这样，锚喷支护就以少的材料消耗，达到了积极的支护效果。 3锚喷支护的优越性极其运用中必须注意克服的几个问题 3.1锚喷支护的优越性 和模注式衬砌或装配式衬砌相比，锚喷支护具有许多独特的优点 1锚喷支护将围岩从荷载转变为承载结构。 锚喷支护突破了一切旧的被复形式，它将消极的、被动的支护形式转变为积极的、主动的支护形式。它可以加强围岩的稳定性、完整性，控制围岩力学形态变化，限制围岩的风化、变形、位移和裂隙的发展，能充分发挥围岩本身的承载作用，将围岩从荷载转变为承载结构，这是锚喷支护的最大优点。实践一再证明只要光爆效果达到一定程度，锚喷支护设计和施工得当，强度就比较高，安全有保证。 2锚喷支护能够在洞室开挖后的短时间内，即可实施作业，不仅能够防止围岩风化，还能及时限制围岩变形急剧发展，避免围岩强度急剧降低。 3锚喷支护抗静载能力强 锚喷支护能够分层作业，因而可以根据围岩变形的发展和洞室稳定情况来选择支护参数和作业时机，使用少的材料，达到有效的支护效果。实践证明，在同样跨度和支护厚度的地下工程中，锚喷支护比模注式砼被复有较高的抗静载能力。 4由于工艺和机械的革新，锚喷支护施工变得简单，钻孔、注浆、搅拌、输送和喷射都很容易实现机械化，减轻体力劳动强度。 5锚喷支护造价低廉 锚喷支护的厚度一般比模注式砼被复要薄1/2～2/3，不仅节约材料，而且减少毛洞的幅员尺寸和开挖的土石方量，降低爆破器材的消耗，从而降低工程造价。据统计，在中等跨度地下工程中，锚喷支护的成本降低30～50。 3.2锚喷支护在应用中必须注意克服的几个问题 锚喷支护，由于它的优越性，在地下工程中得到愈来愈广泛的运用，大有取代传统衬砌的趋势。目前，锚喷支护的运用，已经从小跨度洞室发展到中大跨度洞室，从坚硬岩石发展到松软岩石，从洞室支护发展到门框构筑、边坡加固和对模注式衬砌的加固处理，甚至利用锚喷支护制止塌方和通过流沙层。 据统计，锚喷支护成功的经验占主流，但也存在少量的失败教训。通过总结和分析，我们认为主要是技术人员对这项技术成果掌握不够，施工管理不到位造成的。为此，我们在此强调在锚喷支护施工中必须注意并克服以下几个问题 1岩石表面冲洗不净，以致喷层和围岩粘结不牢，形成空鼓开裂； 2锚杆注浆不饱满，安装不牢，造成滑脱； 3爆破成型不好，起伏不平，突出部位应力集中严重，喷层较薄，容易开裂； 4钻孔少，放“大炮”，围岩破坏严重，增加支护负担； 5重复爆破，应力重复扰动，特别是支护措施不当，后次爆破往往破坏前期支护，形成大塌方； 6在应力较大的洞室中，支护时机和方案选择有误，未能及时形成封闭体系； 7一次喷射过厚，在围岩变形较大的初期，支护刚度过大，容易超载； 8技术人员对锚喷支护技术掌握不够，处置失当。 总之，锚喷支护的裂缝、剥离和破坏基本都能查到原因，多数属于施工质量的问题（如厚度没有达到设计要求、喷射时机掌握不准、配合比不正确、与围岩粘结不牢等）。因此可以断定，锚喷支护的作用是可以信赖的。 4结束语 锚喷支护也存在一些缺点，如表面起伏不平，不够美观，渗水较多的地段，洞室比较潮湿等。因而采用锚喷支护通常要求洞室开挖采用光面爆破，严格控制幅员，并在内部构筑离壁式衬套。解决防水防潮，可以采用防排结合的方式（如采用柔性透水管或稻草绳布设经络排水管网排水，采用抗渗抗裂砼和表面涂刷防水涂料进行防水防潮等）。至于美观问题，在重要部位可以进行装修，等等。这一切都有待于广大地下工程技术人员去进一步探索、研究并加以解决，以使锚喷支护技术在工程实践中日趋完善。