噴錨支護在巖質(zhì)邊坡工程中的應(yīng)用

宿 祺，李 碩，劉心玲（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130012）

噴錨支護在巖質(zhì)邊坡工程中的應(yīng)用

宿 祺，李 碩，劉心玲
（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春 130012）

文中介紹了邊坡的破壞形式及影響因素，分析了噴錨支護的相關(guān)原理和方式。并將噴錨支護應(yīng)用于老龍口隧洞進口巖質(zhì)邊坡工程中，通過分析可知：噴錨支護措施在工程經(jīng)濟上是較優(yōu)的，在工程實際應(yīng)用上是可行的。

巖質(zhì)邊坡；噴錨支護；隧洞進口

邊坡是自然或人工形成的土體斜坡，是各種工程建設(shè)中最常見的工程形式。按其成因可分為自然邊坡和人工邊坡。自然邊坡是在自然界的物理、化學等自然力的作用下形成的邊坡。人工邊坡是人工開挖或填筑形成的邊坡。邊坡因風化，雨水，氣溫變化，凍融循環(huán)以及地震、雷擊等各種不利因素作用而趨于失穩(wěn)。邊坡失穩(wěn)輕則影響工程質(zhì)量與工程進度，重則造成人員傷亡和國民財產(chǎn)重大損失。

1　邊坡的破壞形式及影響因素

1.1邊坡的破壞形式

邊坡的破壞類型從運動形式上主要分為崩塌型、滑坡型和傾倒型［1］。

崩塌破壞是指塊狀巖體與巖坡分離，向前翻滾落下。一般情況巖質(zhì)邊坡易形成崩塌破壞，而且在崩塌過程中巖體無明顯滑移面。崩塌經(jīng)常發(fā)生在坡頂裂隙發(fā)育的地方，破壞時大塊巖體在重力作用下與巖坡分離而滑落。

滑坡型是指巖土體在重力作用下，沿坡內(nèi)軟弱面產(chǎn)生的整體滑動。與崩塌相比滑坡通常以深層破壞形式出現(xiàn)，其滑動面往往深入坡體內(nèi)部，甚至可以延伸到坡腳以下的基礎(chǔ)面。其破壞速度比崩塌緩慢，但不同的滑坡滑動速度相差很大，這主要取決于滑動面本身的物理力學性質(zhì)。當滑裂面通過塑性較強的土體時，其滑動速度一般比較緩慢；相反，當滑裂面通過脆性巖石，且滑動面本身有一定的抗剪強度，在構(gòu)成滑裂面之前可承受較大的下滑力，如果一旦形成滑裂面下滑，抗剪強度急劇下降，滑動往往是突發(fā)而快速的?；赂鶕?jù)滑動模式和滑裂面斷面形狀可分為平面滑動、楔形滑動、圓弧滑動和復(fù)合滑動。當滑動面傾向角小于坡腳且大于其摩擦角時，有可能發(fā)生平面滑動。平面滑動又可分為單平面，折線形、連續(xù)形等。圓弧滑動的滑裂面為圓弧面或者螺旋曲面，滑坡發(fā)生前在坡腳附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，剪應(yīng)力超過該部位土體的抗剪強度造成坡體蠕動，應(yīng)力調(diào)整，坡頂則產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞出現(xiàn)張拉裂縫，當滑裂面全部出現(xiàn)剪應(yīng)力大于土體的抗剪強度，滑坡將發(fā)生整體滑移。這類滑坡多出現(xiàn)在均質(zhì)土坡和全風化的破碎巖石斜坡。

傾倒破壞由陡傾或直立板狀巖體組成的斜坡，當巖層走向與坡面走向都趨近于垂直時，受到重力或其他因素影響沿結(jié)構(gòu)面向臨空面發(fā)生斷裂，彎折的現(xiàn)象被稱為傾倒破壞（彎曲傾倒）。

1.2影響邊坡穩(wěn)定的因素

影響邊坡穩(wěn)定性的因素就其主體而言：可分為內(nèi)部因素和外部因素兩個方面［2，3］。

內(nèi)部因素主要包括地質(zhì)巖性、巖土體結(jié)構(gòu)面和水文地質(zhì)條件三個方面：

1）地質(zhì)巖性。指組成邊坡土體的基本屬性，它是決定邊坡土體自身強度和穩(wěn)定性的主要因素。

2）巖土體結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面是指在地質(zhì)發(fā)展的歷史中，巖體內(nèi)形成具有一定方向、規(guī)模、形態(tài)和特征的縫、層、面等帶狀地質(zhì)界面。

3）水文地質(zhì)條件。水活動是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。水活動對邊坡穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在以下四個方面：①靜水壓力作用，能增大下滑力并減小摩擦阻力。②動水壓力作用。③水的軟化作用。④水的凍脹性質(zhì)。

外部因素主要包括爆破震動影響、邊坡高度、風化作用、邊坡幾何形狀等。

1）爆破震動影響。常見于礦山開采活動中。因為爆破是礦山日常生產(chǎn)活動之一，長期反復(fù)的爆破振動使結(jié)構(gòu)面的規(guī)模增大，數(shù)量增加，條件惡化，還會產(chǎn)生次生結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

2）邊坡高度。巖體中的自重應(yīng)力隨著高度的增加而增加，要保持邊坡的穩(wěn)定性，就要隨著邊坡高度的增加，相應(yīng)的放緩邊坡角度。

3）風化作用。是使原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的規(guī)模增大、并產(chǎn)生裂縫等次生結(jié)構(gòu)面；同時還會大大降低土體的強度和整體性，尤其是我國東北等嚴寒地區(qū)，由于凍融次數(shù)多，溫度變化大，巖體風化的強度大，速度快，更值得在工程中加以重視。

4）邊坡幾何形狀。邊坡的幾何形狀指的是邊坡在平面投影的形狀，它影響著巖體的應(yīng)力分布，從而影響邊坡穩(wěn)定。

2　噴錨支護

2.1噴錨支護原理

噴錨支護主要包括噴混凝土支護和錨桿支護，另外在各錨桿之間往往還設(shè)有掛網(wǎng)鋼筋。噴錨支護首先是在巖體外通過鉆孔將錨桿（一般是鋼筋或鋼絞線）植入孔中，往往配有錨具或砂漿藥卷。其作用主要是起到組合懸吊作用和擠壓加固作用。懸吊作用體現(xiàn)在：錨桿將若干層巖石組合成“厚梁”，或者將節(jié)理發(fā)育的巖石連接在一起，以防止巖塊沿裂隙面發(fā)生滑移和扭轉(zhuǎn)。擠壓作用體現(xiàn)在：當錨桿將巖塊連接后，滑坡體外部厚度相應(yīng)的增加，從而提高了巖體的整體強度。

2.2噴錨支護分類

噴錨支護按其構(gòu)件組成可分為四類：

1）錨桿支護，僅僅使用錨桿支護的邊坡往往是用來阻止堅硬巖質(zhì)邊坡中較大體積巖塊的失穩(wěn)，有時危險性小的臨時支護也采用鋼筋錨桿支護。

2）噴混凝土支護，該方法適用于巖體整體性好，噴混凝土是用來防止表面巖層破碎和細小塊體塌落，并能起到一定的封閉和方風化作用。

3）噴混凝土和錨桿綜合支護，該方法用于巖體和巖面都較差的邊坡。

4）錨桿、噴混凝土和鋼筋網(wǎng)支護，該方法用于破碎巖體邊坡，或者長期受人工荷載并要求達到一定安全性的巖質(zhì)邊坡。

2.3噴錨支護優(yōu)勢

與其它邊坡處理措施相比，噴錨支護技術(shù)有其主要優(yōu)勢從理論上講，是因為噴錨支護充分發(fā)揮了錨桿（鋼筋）的抗拉強度高，和混凝土抗壓能力強的特點。從工程實際上講，其優(yōu)點為：造價較低、工程較占地較少、支護及時、施工迅猛、安全可靠、穩(wěn)定性好等。其綜合經(jīng)濟技術(shù)效果顯著。這種優(yōu)勢的效果也可從以下幾方面體現(xiàn)：①靈活性；②緊密性；③優(yōu)化應(yīng)力分布；④改善塑性；⑤防風化和水的侵蝕作用。

3　算例

3.1工程概況及應(yīng)用

老龍口水利樞紐工程位于琿春河干流上，距琿春市區(qū)約30 km，壩址區(qū)位于吉林省延邊朝鮮族自治州琿春市哈達門鄉(xiāng)老龍口村。該工程是以防洪、供水為主，結(jié)合灌溉，兼顧發(fā)電的綜合利用工程。樞紐工程主要由土石壩、岸邊溢洪道、引水隧洞、電站廠房及魚道組成。

根據(jù)計算和分析，噴錨支護設(shè)計采用如下方案：噴混凝土總厚度100 mm，混凝土強度標號C20，掛網(wǎng)鋼筋采用φ8@200×200網(wǎng)格，采用水泥藥卷錨桿，錨桿為φ20鋼筋，錨桿長度8～15 m，間距2 m，排距2 m，采用梅花型布置。噴混凝土所用的水泥應(yīng)優(yōu)先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥強度等級不低于32.5 MPa。細骨料：選用中、細砂，砂的細度模數(shù)宜大于2.5；粗骨料粒徑為5～15 mm。錨桿型式采用全長粘結(jié)水泥藥卷錨桿，錨桿采用螺紋鋼楔型錨桿（錨桿末端鋼筋加工成楔型，加工V型楔頭），水泥藥卷采用水泥錨固劑，為了加強錨固效果，應(yīng)采用錨桿墊板，墊板厚度不小于6 mm，面積不小于150 mm×150 mm。

3.2結(jié)果分析

傳統(tǒng)的剛性支撐或襯砌，由于不能與圍巖緊密的接觸，架空部分的圍巖仍然繼續(xù)向洞內(nèi)變形，并可能產(chǎn)生部分坍塌壓在支護或襯砌上，嚴重時可導(dǎo)致支撐或襯砌的破壞。噴錨支護則不同，它能使混凝土噴層與圍巖連續(xù)的緊密貼合，并且噴層本身具有一定的柔性和變形特性，因而能及時有效地控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布，最大限度地保護巖體的結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)，防止圍巖的松動和坍塌。

噴錨支護能減小開挖斷面，加快施工進度，節(jié)約勞動力，邊坡處理總造價能省30%以上，文中所研究的隧洞進口邊坡噴錨支護設(shè)計節(jié)省投資為41.5%。通過對工程現(xiàn)場的勘察和施工記錄了解，噴錨支護措施在該邊坡處理中運行良好，未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

［1］許向?qū)帲叩卣鹆叶葏^(qū)山體變形破裂機制地質(zhì)分析與地質(zhì)力學模擬研究［J］．成都理工大學學報，2006，12.

［2］田華．影響邊坡穩(wěn)定的因素分析［J］．山西水利，2004，03.

［3］文俊，廖建忠．巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法綜述［J］．西部挖礦工程，2012，06.

［4］許經(jīng)宇．巖質(zhì)邊坡噴錨支護在老龍口水利樞紐工程中的應(yīng)用［D］．大連理工大學，2012日左右提前到6月30日左右。

4.2結(jié)束日期變化趨勢

從4個代表站1960—2013年高溫施工季節(jié)結(jié)束日期逐年演變可以看出，高溫施工季節(jié)結(jié)束日期年際變化具有較大波動，并且在8—9月份均有發(fā)生，但集中結(jié)束于8月底至9月中旬。

總體來看，高溫施工季節(jié)結(jié)束日期呈現(xiàn)推遲趨勢，其中大連推遲幅度較大，從8月19日左右推遲到9月1日左右。

4.3日數(shù)變化趨勢

從4個代表站1960—2013年高溫施工季節(jié)日數(shù)逐年演變可以看出，高溫施工季節(jié)日數(shù)年際變化具有較大波動。4個代表站的高溫施工季節(jié)日數(shù)均呈現(xiàn)延長趨勢，其中大連延長幅度較大，從大于15 d延長到30 d。

5　特征指標空間分布

5.1開始日期分區(qū)

從遼寧省高溫施工季節(jié)開始日期的多年平均值分布可以看出，遼寧省高溫施工季節(jié)開始日期呈從西北向東南逐漸推遲的分布。朝陽至遼陽、鐵嶺一帶高溫施工季節(jié)開始日期較早，均在6月上旬左右；其余地區(qū)大致在6月中旬至7月上旬。

5.2結(jié)束日期分區(qū)

從遼寧省高溫施工季節(jié)結(jié)束日期的多年平均值分布可以看出，遼寧省高溫施工季節(jié)結(jié)束日期整體上差別不大，集中發(fā)生在8月下旬。絕大部分在8月26—29日，只有少部分地區(qū)在8月22—25日（本溪、丹東東部，大連南部以及朝陽西部小部分地區(qū)）。

5.3天數(shù)分區(qū)

從高溫施工季節(jié)天數(shù)的多年平均值分布可以看出，遼寧省高溫施工季節(jié)天數(shù)呈由西北向東南逐漸縮短的分布。朝陽、阜新地區(qū)高溫施工季節(jié)天數(shù)均大于50 d，大連、丹東地區(qū)在40 d以下，中部地區(qū)在40～50 d之間。

6　結(jié)論

分析遼寧省水工混凝土高溫施工季節(jié)開始日期、結(jié)束日期、高溫季節(jié)日數(shù)的時空分布特征，得到以下結(jié)論：

1）時間變化趨勢方面，遼寧省水工混凝土高溫施工季節(jié)開始日期在5—7月份均有發(fā)生，但集中開始于6月份，呈現(xiàn)提前趨勢。高溫施工季節(jié)結(jié)束日期在8—9月份均有發(fā)生，但集中結(jié)束于8月底至9月中旬，呈現(xiàn)推遲趨勢。高溫季節(jié)日數(shù)年際變化具有較大波動，總體上呈現(xiàn)延長趨勢。

2）空間分布方面，遼寧省水工混凝土高溫施工季節(jié)開始日期在6月上旬至7月上旬，從西北向東南逐漸推遲。高溫施工季節(jié)結(jié)束日期整體上差別不大，集中發(fā)生在8月下旬。全省高溫施工季節(jié)日數(shù)多在30～50 d，呈由西北向東南逐漸縮短的分布特征。

[收稿日期]2016-04-02

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1002－0624（2016）08－0017－02

2016-04-27