錨噴支護技術在水電工程中的應用

姜成波

（深圳市深水水務咨詢有限公司，廣東 深圳 518000）

1 國外錨噴支護的發(fā)展現(xiàn)狀

錨噴支護 20世紀初期在美英等國家已經(jīng)試用，40年代即開始系統(tǒng)研究試驗，50年代以來已經(jīng)在金屬、煤礦、水利以及土木工程地下結構中廣泛應用。錨噴支護這項新技術，由于它從根本上能改變巖石強度的特性，有著傳統(tǒng)的外部支承所不能獲得的技術與經(jīng)濟效果，因而在世界各國發(fā)展很快。美國在50年代初已經(jīng)大量應用錨噴支護，特別是在煤礦中，近年來平均每年的錨桿使用量達1億根以上，成為煤礦巷道支護的主要形式。蘇聯(lián)煤田70年代錨噴支護量約占進尺的l0 %以上。法國煤礦井巷中2/3左右采用支護。加拿大每年錨桿用量也達570萬根。瑞典也將錨噴支護廣泛應用于金屬礦山中。當前，錨噴支護正在不斷發(fā)展中，全世界每年使用錨稈的總數(shù)量約在2億～3億根之間。每年僅錨桿的耗費就達10余億美元。

工程實踐證明，錨噴支護較傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土襯砌支護優(yōu)越。由于錨噴結構能及時支護和有效地控制圍巖的變形，防止巖塊墜落和坍塌的產(chǎn)生，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，所以錨噴支護結構比模注混凝土襯砌的受力更為合理。錨噴支護能大量節(jié)省混凝土、木材和勞動力，加快施工進度，工程造價可大幅度降低，并有利于施工機械化程度的改進和勞動條件的改善等。此外，錨噴支護是一種符合巖體加固原理的積極支護方法，加固體具有良好的物理力學性能。即它能及時地支護和加固圍巖，與圍巖密貼并封閉巖體的張性裂隙和節(jié)理，加固圍巖結構面，有效地發(fā)揮和利用巖塊間的鑲嵌咬合和自鎖作用，從而提高巖體自身的強度、自承能力和整體性。由于錨噴支護結構柔性好，它能同圍巖共同變形，構成一個共同工作的承載體系。在變形過程中，它能調(diào)整圍巖應力，抑制圍巖變形的發(fā)展，避免巖體坍塌的產(chǎn)生，防止過大的松散壓力出現(xiàn)。

2 錨噴支護施工

加強施工技術管理，在精心設計的基礎上做到精心施工，是錨噴支護能否收到預期的技術經(jīng)濟效果的關鍵環(huán)節(jié)。錨噴支護施工前，應根據(jù)地質(zhì)水文資料和設計，編制施工組織設計或作業(yè)規(guī)程，據(jù)此作好施工前的準備工作和組織施工。支護施工要達到快速、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、經(jīng)濟效益好和安全的要求，除加強設計與施工技術管理外，正確地選擇施工作業(yè)方式、采用科學的施工組織，也是很重要的。

2.1 錨噴支護的設計與施工步驟

勘察隧道工程地質(zhì)和水文情況，分析圍巖的穩(wěn)定條件。在圍巖分類的基礎上采用工程類比方法選擇支護類型及設計參數(shù)，對錨噴支護結構進行受力分析和結構計算，并提出施工注意事項。在支護結構施工中，密切注意地質(zhì)情況的變化，及時修改設計參數(shù)，變更施工工序。支護完成后，觀察隧道的穩(wěn)定狀況，對其長期穩(wěn)定性作出預測和評價。必要時，可對支護變形和應力進行量測，包括施工階段的監(jiān)測?？偨Y經(jīng)驗，改進設計與施工。掌握巖體變形、坍塌的規(guī)律之后，在恰當?shù)臅r間，采用適當?shù)姆椒ㄟM行支護。

錨噴支護不單純是一種施工方法，而是一種指導原則和思路。使用時應掌握三個基本點：圍巖是隧道穩(wěn)定的基本部分。支護是為了與圍巖共同形成能自身穩(wěn)定的“承載圈”或支承單元，因此應盡量維護圍巖體的強度性能，盡量采用控制爆破或無爆破開挖，盡量采用大斷面或全斷面掘進技術。支護、襯砌要薄而具有柔性并與圍巖密貼，使因產(chǎn)生彎矩而破壞的可能性達到最小。當需要增加支護襯砌強度時，宜采用錨桿、鋼筋網(wǎng)以及鋼支撐等加固，而不宜大幅度增加噴層或襯砌厚度。設計施工中要正確地估計圍巖特性及其隨時間的變化。需要進行必要的試驗和量測，以確定圍巖類型、自穩(wěn)時間和位移變形速率等重要參數(shù)，選擇最合適的支護措施和支護時間。

2.2 實施錨噴支護施工原則

即為了達到技術上可靠和經(jīng)濟上合理的目的。本節(jié)所述的錨噴支護施工原則雖然目前還不能完全以定量的關系反映出來，但它對指導錨噴支護的設計和施工卻是十分重要的。

保證錨噴支護與圍巖形成共同體。由于計算模型中把支護和圍巖視為不可分割的共同體，因此，在設計施工中要求保證實現(xiàn)圍巖、噴層和錨桿之間具有良好的黏結和接觸，使三者共同受力。例如，噴層與巖石、噴層與噴層、噴混凝土與鋼筋網(wǎng)、錨桿與巖石之間都要做到良好的結合。加強施工質(zhì)量檢驗，目前，國家規(guī)范已把噴層與巖石的黏結力和錨桿錨固力正式列入施工質(zhì)量檢驗的項目。錨桿錨固力的設計應力和與錨桿材料的承載能力應相匹配，以充分發(fā)揮錨桿強度作用。從這個角度看，采用黏結式螺紋錨桿效果較好，但如果沒有良好的錨固力和噴混凝土與巖體的黏結力，則錨桿與噴混凝土支承不穩(wěn)定塊體的承載力也將大大喪失。

2.3 選擇合理的支護類型

支護類型的確定應根據(jù)圍巖地質(zhì)特點、工程斷面大小和使用條件要求等綜合考慮，一般情況下，應優(yōu)先考慮選用噴混凝土支護或錨噴聯(lián)合支護。對于堅硬裂隙巖體中的大斷面隧道，錨噴支護技術發(fā)展速度快、使用范圍廣、技術經(jīng)濟效果顯著。錨噴支護的結構有錨桿支護結構、噴射混凝土支護結構、錨網(wǎng)支護結構、錨桿笆支護結構、錨噴聯(lián)合支護結構、錨網(wǎng)噴支護結構、混合支護結構等。從穩(wěn)定的巖石巷道到松軟破碎的巖石巷道、從靜壓巷道到動壓巷道、從采區(qū)上山到回采巷道都得到普遍應用。錨噴支護也成為巷道維修的重要手段。噴錨支護是噴混凝土支護、錨桿支護及噴混凝土與錨桿、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護的統(tǒng)稱。它是地下工程支護的一種新形式，也是新奧地利隧洞工程法（簡稱新奧法）的主要支護措施。這一層混凝土一般作為臨時支護，以后再在其上加噴混凝土至設計厚度作為永久支護。這種施工方法稱為“新奧法”。必要時加采用噴錨支護，可以減少襯砌工程量50 %以上，節(jié)約水泥1/2～1/3，減少勞動力和工程投資50 %左右，縮短工期50 %以上。

新奧法施工時常用的支護手段是噴射混凝土和錨桿支護。地層性質(zhì)較差時，可采用鋼網(wǎng)、鋼拱架、二次噴射混凝土或可縮性支架等加強噴層，也可采用注漿工藝或凍結工藝等預先加固地層。噴射混凝土、錨桿和現(xiàn)場臨控量測被認為是新奧法的三大支柱。為使周圍地層能夠有效地發(fā)揮其自承作用，確保洞室穩(wěn)定，除需及時施筑薄層噴射混凝土支護和錨桿加固外，通過臨控量測實行信息化設計和施工，控制調(diào)節(jié)周圍地層的變形，使地層、噴射混凝土和錨桿等共同發(fā)揮作用也是非常重要的。噴錨支護不需要安裝模板，也不需要進行回填灌漿，操作方便，施工安全。噴混凝土就是將水泥、砂、石等與料按一定比例拌和后裝入噴射機中，再用壓縮空氣將混合料送到噴嘴處與高壓水混合，噴射到巖石表面，經(jīng)凝結硬化而成的一種薄層支護結構。噴射到巖面上的混凝土，能填充圍巖的縫隙，將分離的巖面黏結成整體，提高圍巖的強度，增強圍巖抵抗位移和松動的能力，還能封閉巖石，防止風化，緩和應力集中。

噴混凝土支護是一種不用模板就能成型的新型支護結構，具有生產(chǎn)效率高、施工速度快、支護質(zhì)量好的優(yōu)點。噴錨支護適用于不同地層條件、不同斷面大小的地下洞室工程，既可用作臨時支護也可用作永久性支護。噴錨支護是在隧洞開挖后，及時在圍巖表面噴射一層厚3 cm～5 cm的混凝土，必要時加上錨桿、鋼筋網(wǎng)以穩(wěn)定圍巖。