隧道噴錨支護(hù)施工技術(shù)分析

魏勇

（中鐵一局集團(tuán)有限公司第三工程分公司，陜西 寶雞 721000）

噴錨支護(hù)是指在工程施工中，借助或應(yīng)用高壓噴射裝置，進(jìn)行混凝土材料的噴射，并聯(lián)合金屬錨桿的使用，進(jìn)行工程中巖層結(jié)構(gòu)的加固處理?？梢詫婂^支護(hù)結(jié)構(gòu)劃分成永久性結(jié)構(gòu)與臨時(shí)性結(jié)構(gòu)[1]。此項(xiàng)技術(shù)是隧道工程施工中一種較為常見(jiàn)的技術(shù)，合理、規(guī)范地應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，不僅可以提高地質(zhì)結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也可以對(duì)隧道結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，避免或降低工程施工中出現(xiàn)的安全事故，實(shí)現(xiàn)為隧道內(nèi)參與工程施工的工人提供全面的安全保障[2]。為規(guī)范噴錨支護(hù)施工行為，下述將以某項(xiàng)目隧道工程為例，對(duì)噴錨支護(hù)施工技術(shù)展開(kāi)詳細(xì)的設(shè)計(jì)的分析。

1 噴錨支護(hù)施工技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 隧道開(kāi)挖面圍巖處理及材料選擇

為實(shí)現(xiàn)隧道空間有效支護(hù)，采用噴錨支護(hù)的方式開(kāi)展施工。在施工前，首先需要根據(jù)施工區(qū)域的實(shí)際情況，對(duì)其開(kāi)挖面圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。施工面出碴完成后，對(duì)其進(jìn)行凈空量的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量得出的結(jié)果，綜合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行危石去除和淺挖處理[3]。針對(duì)一般區(qū)域可采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開(kāi)挖，針對(duì)特殊結(jié)構(gòu)地段可以通過(guò)人工方式完成開(kāi)挖。針對(duì)相對(duì)較硬的地段需要進(jìn)行合理補(bǔ)坡，直到圍巖的凈空尺寸符合噴錨支護(hù)施工的設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際處理中，根據(jù)不同的圍巖類型需要采取不同的處理措施，同時(shí)還需要對(duì)噴錨支護(hù)材料進(jìn)行合理選擇[4]。針對(duì)水泥材料和骨料的選擇，可選用425 號(hào)普通型硅酸鹽水泥材料，針對(duì)細(xì)骨料的選擇可選用黃砂，并將其砂率控制在40%～50%范圍內(nèi)，將含泥量控制在小于3%的范圍內(nèi)。在對(duì)粗骨料進(jìn)行選擇時(shí)，可直接就地選材，將從隧道當(dāng)中排除的碎碴作為主要骨料，這一部分碎碴是由石灰?guī)r破碎形成，其規(guī)格通常在0.5cm～1.0cm 范圍內(nèi)。在實(shí)際對(duì)材料進(jìn)行配制時(shí)，需要先經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，并確保試驗(yàn)結(jié)果符合要求的前提條件下才能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到具體施工當(dāng)中[5]。除上述材料外，在選擇材料時(shí)，還需要完成對(duì)速凝劑的選擇，可選用RH 型速凝劑，并將其水泥重量控制在5%左右，在5min 時(shí)完成初凝，在8min 時(shí)完成終凝。在配制材料時(shí)還需要充分考慮到水灰比問(wèn)題，對(duì)其比例進(jìn)行嚴(yán)格控制才能夠保證混凝土的回彈量在規(guī)定范圍內(nèi)[6]。

通常情況下，水灰比的數(shù)值應(yīng)為0.49，以此能夠達(dá)到最佳的噴射效果。

1.2 噴錨支護(hù)基本構(gòu)造設(shè)計(jì)

在完成對(duì)隧道開(kāi)挖面圍巖處理以及對(duì)噴錨所需材料的選擇后，圖1 為三種噴錨支護(hù)構(gòu)造類型。

圖1 三種噴錨支護(hù)構(gòu)造類型

根據(jù)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)上述三種類型噴錨支護(hù)基本構(gòu)造進(jìn)行選擇。圖1 中a 構(gòu)造是將注漿圓柱體作為主體結(jié)構(gòu)。圖1 中b 構(gòu)造是將擴(kuò)大的圓柱體或不規(guī)則體作為主體結(jié)構(gòu)，并在無(wú)粘性土層當(dāng)中形成面積較大的擴(kuò)展區(qū)域[7]。圖1 中c 構(gòu)造是通過(guò)特殊擴(kuò)孔工具在擴(kuò)眼內(nèi)向這一個(gè)方向完成對(duì)一個(gè)或多個(gè)圓柱體的擴(kuò)大，將圓柱體作為噴錨支護(hù)的主體結(jié)構(gòu)，這種錨桿更適用于特制的擴(kuò)孔機(jī)械，并且在粘土層和無(wú)粘土層中都適用。針對(duì)支護(hù)面層結(jié)構(gòu)而言，通常選用混凝土材料作為主要材料，將其覆蓋在鋼筋網(wǎng)上，起到良好的拉結(jié)作用，在受到力與錨桿相連的作用下，錨桿承受更大壓力，并將整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)看作一個(gè)完整的整體，這一結(jié)構(gòu)能夠有效避免隧道施工時(shí)出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象，從而具有穩(wěn)定性。

1.3 確定錨桿參數(shù)

在確定噴錨支護(hù)基本構(gòu)造后，針對(duì)錨桿參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在噴錨支護(hù)中利用錨桿結(jié)構(gòu)將其懸吊，并盡可能深入到穩(wěn)定的巖層當(dāng)中。為進(jìn)一步提高錨桿的支護(hù)作用，對(duì)其承載力進(jìn)行計(jì)算[8]。假設(shè)在施工中存在塊體危石墜落，此時(shí)錨桿結(jié)構(gòu)除了會(huì)受到拉力以外，還會(huì)產(chǎn)生一定剪切力，如圖2 所示。

圖2 錨桿受力情況示意圖

在圖2 所示內(nèi)容基礎(chǔ)上，根據(jù)靜力平衡原理，確定錨桿所受剪力與承載力之間的關(guān)系，如公式（1）所示：

上述公式中Q 為錨桿所受的剪力；G 為錨桿承載力；φ 為錨桿與垂直線之間形成的夾角；ξ 為錨桿與地質(zhì)結(jié)構(gòu)之間形成的夾角。再根據(jù)抗拉作用，對(duì)錨桿橫截面直徑進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算：

公式（2）中d 為錨桿的橫截面直徑；K 為錨桿安全系數(shù)；N 為錨桿所能夠承受的最大拉力；R 為錨桿的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)上述公式，計(jì)算得出錨桿的最小橫截面直徑，在制備錨桿時(shí)需要確保其橫截面符合上述公式所示條件，以此保證錨桿的力學(xué)性能。

1.4 噴射機(jī)選擇及混凝土初噴、復(fù)噴

在明確錨桿的各項(xiàng)參數(shù)后，對(duì)混凝土初噴和復(fù)噴進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用噴射同時(shí)適量添加清水的方式完成混凝土初噴，以此能夠有效減小施工中的粉塵。將本文上述選擇的材料放入到攪拌機(jī)當(dāng)中，并適量添加清水，水的比例需要按照水灰比配制要求添加。將拌好的材料用運(yùn)輸車將其運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，并再次完成人工拌和，按照5%的比例添加速凝劑。在完成混凝土初噴后，按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)錨桿、網(wǎng)片以及鋼格柵等結(jié)構(gòu)進(jìn)行安設(shè)，在完成施工后，進(jìn)行混凝土復(fù)噴。復(fù)噴的工序與初噴相同。區(qū)別在于，復(fù)噴作業(yè)時(shí)需要分2 次完成，每一次噴射都需要將混凝土的厚度控制在6cm～8cm 范圍內(nèi)，同時(shí)兩側(cè)作業(yè)之間的間隔應(yīng)控制在10min 左右。

2 工程應(yīng)用

完成對(duì)施工技術(shù)的設(shè)計(jì)后，下文將以某項(xiàng)目隧道工程為例，開(kāi)展如下文所示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

本次所研究的工程項(xiàng)目為南丹至天峨高速公路**隧道，該項(xiàng)目所在地區(qū)位于廣西河池，獲取與此工程項(xiàng)目相關(guān)的信息，將其統(tǒng)計(jì)成表格，見(jiàn)表1。

表1 **隧道工程項(xiàng)目信息概況

此隧道的洞身埋深相對(duì)較淺，通過(guò)地質(zhì)勘察掌握隧道左洞的埋深約為50m，右洞的埋深約為52.5m。

為確保工程的順利施工，由專業(yè)的地質(zhì)人員在施工前，進(jìn)行此工程所處地理位置的考察，發(fā)現(xiàn)隧道覆蓋地段的土體以粉土為主，土層中含有少量的角礫、植被生長(zhǎng)根系與碎石，對(duì)土壤進(jìn)行采樣分析后發(fā)現(xiàn)，其中還含有少量的有機(jī)物質(zhì)，土層中不同物質(zhì)的組成成分受到地形遷移變化的控制，可以認(rèn)為土層在空間分布上存在顯著性的差異。

根據(jù)此區(qū)段地質(zhì)資料顯示，隧道結(jié)構(gòu)的先后位置存在10 條斷層結(jié)構(gòu)穿越此隧道，穿越結(jié)構(gòu)的寬度在0.5m～2.5m 不等。大部分?jǐn)鄬釉谄渲袑儆诠?jié)理發(fā)育結(jié)構(gòu)，其中的巖體與巖層呈現(xiàn)一定的碎裂性，在此位置開(kāi)展工程施工，極易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)坍塌或邊坡坍落等風(fēng)險(xiǎn)。綜合施工方與地質(zhì)勘查方對(duì)此施工段的評(píng)估，最終選擇在此施工段按照噴錨支護(hù)的方式進(jìn)行施工。

在完成上述相關(guān)信息的獲取后，獲取施工所在區(qū)域的氣候條件。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)所獲取數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)?shù)貧夂虼嬖跇O端性，綜合而言，氣候變化差異較大。地區(qū)年平均溫度為7.3 攝氏度，在冬季極端氣候條件下，氣溫最低可以達(dá)到零下10 攝氏度。

借鑒該地區(qū)其他工程項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，綜合所研究地區(qū)的氣候環(huán)境與地質(zhì)條件，選用埋式錨桿、I-18 型號(hào)的鋼架與網(wǎng)噴方式，進(jìn)行隧道工程的聯(lián)合支護(hù)施工。施工中，考慮到部分圍巖已出現(xiàn)碎裂問(wèn)題，整體結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定性能較差，因此，要將“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、弱爆破”等作為施工原則。設(shè)計(jì)噴錨支護(hù)施工標(biāo)準(zhǔn)化工藝，見(jiàn)圖3。

圖3 噴錨施工工藝

掌握工程標(biāo)準(zhǔn)化施工過(guò)程后，為確保工程施工可以達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量，應(yīng)在施工前，對(duì)噴射的混凝土材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。配置的噴射混凝土原材料共有5 種，分別為水泥、細(xì)砂、自然水、外加試劑與卵石。原材料中的水泥直接選用等級(jí)為R-32.5的硅酸鹽水泥，確保水泥強(qiáng)度與彎折強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，選用665-A 型號(hào)的速凝試劑作為噴射混凝土原材料中的外加試劑。同時(shí)，選擇細(xì)度約為2.9、含泥量<3%的細(xì)砂作為材料，在進(jìn)行卵石的選型時(shí)，控制卵石的粒徑在6.0mm～12.0mm 范圍內(nèi)、含泥量在1.0%范圍內(nèi)、其他檢測(cè)指標(biāo)均符合JTJ058-97 即可。經(jīng)過(guò)綜合測(cè)算，設(shè)定細(xì)砂：卵石：水泥=1:2.009:2.498。

完成施工準(zhǔn)備后，根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)施工段展開(kāi)噴錨支護(hù)施工，完成施工后，在施工段隨機(jī)選擇測(cè)點(diǎn)，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行檢測(cè)（承載力檢測(cè)參照鉆芯檢測(cè)法），將檢測(cè)完成后的結(jié)果整理成為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，見(jiàn)表2。

表2 **隧道噴錨支護(hù)施工段隨機(jī)測(cè)點(diǎn)承載力分析

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在養(yǎng)護(hù)達(dá)到28 天時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)的承載力檢測(cè)結(jié)果趨近于穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)隨機(jī)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的分析可知，所有測(cè)點(diǎn)的承載力檢測(cè)結(jié)果均大于22.00KPa，符合隧道工程在支護(hù)施工中的承載力需求，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的支護(hù)技術(shù)可以起到提高綜合承載力的作用。

3 結(jié)論

本文以某隧道工程為例，開(kāi)展了噴錨施工技術(shù)的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，按照本文所設(shè)計(jì)的施工技術(shù)進(jìn)行工程施工，可以保證施工成果測(cè)點(diǎn)承載力檢測(cè)結(jié)果均大于22.00KPa，從而保證在橋梁隧道工程中，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。