隧道噴錨支護(hù)施工技術(shù)應(yīng)用

喻又平

（廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理處，廣東 河源 517369）

1 噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)

噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)是隧道工程施工中常見的技術(shù)，對(duì)于加固隧道結(jié)構(gòu)，提升地質(zhì)結(jié)層穩(wěn)定性，避免開挖施工中安全事故具有重大意義。錨桿作為噴錨支護(hù)中的有效支護(hù)手段，主要起到拱、懸吊、組合支護(hù)[1]等作用，錨桿擴(kuò)散固結(jié)半徑是衡量其支護(hù)效果的重要指標(biāo)。所謂拱效應(yīng)，即在隧道周邊按照一定間距呈放射狀布置錨桿，以使一定厚度范圍內(nèi)圍巖形成連續(xù)拱形壓縮帶，提升圍巖結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)能力[2]。

1.1 開挖面圍巖處理

施工面出渣后測量凈空量，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70/2—2014）要求和測量結(jié)果去除危石，一般區(qū)域通過機(jī)械設(shè)備開挖，特殊結(jié)構(gòu)地段須人工開挖。硬質(zhì)巖層地段須合理補(bǔ)坡，確保圍巖凈空尺寸滿足隧道噴錨支護(hù)設(shè)計(jì)要求。應(yīng)結(jié)合圍巖類型合理選擇處理材料，水泥使用32.5R以上的低堿普通硅酸鹽水泥，細(xì)集料則選用砂率40%～50%、含泥量<3%的黃砂，直接以隧道中排出的粒徑0.5～1.0cm 的石灰?guī)r碎渣為粗集料。為提升混凝土性能，還應(yīng)摻加速凝劑，并嚴(yán)格控制水灰比。以上原材料在使用前必須進(jìn)行性能試驗(yàn)，確保試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求后才可投入使用。

1.2 噴錨支護(hù)構(gòu)造

在處理好開挖面圍巖后，結(jié)合隧道實(shí)際情況選擇噴錨支護(hù)構(gòu)造形式。當(dāng)前對(duì)存在少量軟弱結(jié)構(gòu)面、層間結(jié)合差的Ⅱ類圍巖以及軟弱結(jié)構(gòu)面分布多、斷層破碎帶較長的Ⅲ類圍巖通?？刹捎萌悋婂^支護(hù)構(gòu)造，具體見圖1。其中（a）以注漿圓柱體為主體結(jié)構(gòu)；（b）以不規(guī)則體為主體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會(huì)在無黏性土層中形成大面積擴(kuò)展區(qū)域；（c）為借助擴(kuò)孔工具在擴(kuò)眼內(nèi)向擴(kuò)大圓柱體，并以擴(kuò)大圓柱體為主體噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于面層結(jié)構(gòu)的支護(hù)，通常以混凝土為原材料，將其覆蓋在鋼筋網(wǎng)上，與錨桿相連后，壓力主要由錨桿承受。所形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)能有效防止隧道施工過程中局部坍塌現(xiàn)象，提升圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1 噴錨支護(hù)構(gòu)造

隧道噴錨支護(hù)施工主要借助錨桿懸吊支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿必須深入穩(wěn)定巖層內(nèi)，為保證支護(hù)效果，還應(yīng)進(jìn)行錨桿承載力計(jì)算。當(dāng)隧道施工過程中有塊體危石墜落，錨桿結(jié)構(gòu)將同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切力，受力情況見圖2。按照靜力平衡原理[3]，錨桿所承受剪切力和承載力之間存在以下關(guān)系：

圖2 錨桿受力情況

式（1）中：Q—錨桿所承受的剪切力，kN；G—錨桿承載力，kN；—錨桿與垂線的夾角，°；ξ—錨桿和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的夾角，°。

結(jié)合抗拉作用原理[4]，錨桿橫截面直徑應(yīng)按下式確定：

式（2）中：d—錨桿橫截面直徑，mm；k—錨桿安全系數(shù)；N—錨桿所承受的最大拉應(yīng)力，kN；R—錨桿抗拉強(qiáng)度，MPa。

按照式（1）和式（2）所確定出錨桿所承受的剪切力和橫截面直徑進(jìn)行錨桿制備，以確保錨桿具備較好的力學(xué)性能。

1.3 混凝土噴射

混凝土初噴過程中應(yīng)適量添加清水，以減少施工中粉塵的產(chǎn)生量。將檢驗(yàn)合格的原材料投入攪拌機(jī)內(nèi)，并根據(jù)水灰比要求添加清水，按照規(guī)范要求進(jìn)行混凝土制備。拌制好的混合料由運(yùn)輸車運(yùn)至施工現(xiàn)場，到場后添加5%的速凝劑并進(jìn)行人工拌和。初噴完成后按照相關(guān)參數(shù)安設(shè)錨桿、網(wǎng)片和鋼格柵，再按照初噴工序復(fù)噴混凝土，為保證支護(hù)施工質(zhì)量，復(fù)噴必須分兩次完成，每次噴射厚度均控制在6～8cm 以內(nèi)，兩側(cè)同時(shí)復(fù)噴作業(yè)的時(shí)間間隔不得超出10min。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

半嶂隧道位于廣東省河源市東源縣康和鎮(zhèn)，進(jìn)口、出口分別位于水橙村和林田村場，呈200～208°方向展布。半嶂隧道左右線長861m 和854m，為中隧道。隧道類型為分離雙洞，雙向四車道設(shè)計(jì)，道路和隧道的設(shè)計(jì)速度均為100km/h，汽車荷載為公路-Ⅰ級(jí)。該隧道Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖長度分別達(dá)到272m 和518m，施工過程中應(yīng)盡可能縮短開挖面暴露時(shí)間，但是因無法緊跟開挖面進(jìn)行模筑混凝土支護(hù)，且工序復(fù)雜，很難使封閉圍巖；隧道開挖施工對(duì)邊坡存在較大影響，極易引發(fā)融塌等病害。

2.2 噴射混凝土原材料及配比

該隧道噴錨支護(hù)施工選用42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥性能指標(biāo)詳見表1。以質(zhì)地堅(jiān)硬、清潔干燥、不含易凍裂礦物質(zhì)、級(jí)配良好、砂率為50%、含泥量<3%的非堿活性河砂為細(xì)集料；同時(shí)以隧道出渣且破碎后的石灰?guī)r為粗集料。粗集料性能詳見表2?？紤]到低溫早強(qiáng)噴射混凝土性能特征，該隧道噴錨支護(hù)施工采用多功能復(fù)合外加劑及速凝劑等外加劑，前者可使混凝土液相冰點(diǎn)顯著降低，并提高噴射混凝土早期強(qiáng)度；后者則能加快混凝土硬化速度，減小回彈損失，增強(qiáng)噴射混凝土在潮濕及含水巖層中的適應(yīng)性。

表1 隧道噴錨支護(hù)所用水泥材料性能

表2 粗集料性能

在進(jìn)行噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮強(qiáng)度等級(jí)方面的要求，保證混凝土材料的早強(qiáng)性和抗?jié)B性，降低其水化熱和回彈率。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和比較，使混凝土回彈量達(dá)到最佳水平的噴射混凝土水灰比為0.48；水泥材料用量為400～480kg/m3，混合料配合比為水泥∶砂∶碎石=1.0 ∶2.33 ∶1.62。

2.3 施工過程控制

結(jié)合該工程區(qū)地質(zhì)條件及類似隧道施工經(jīng)驗(yàn)，半嶂隧道圍巖噴錨支護(hù)施工采用上下斷面臺(tái)階法，初支主要采用錨桿掛網(wǎng)、混凝土噴射、鋼格柵等結(jié)合工藝。施工過程中，因部分圍巖碎裂，結(jié)構(gòu)整體自穩(wěn)性差，故必須遵循短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、弱爆破的施工原則。

（1）開挖面處理。在隧道掌子面出渣結(jié)束后量測凈空，結(jié)合量測結(jié)果處理欠挖段并撬清危石，軟弱地段應(yīng)人工開挖，硬質(zhì)地段補(bǔ)炮，保證凈空尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）初噴。使用工作壓力0.2～0.4MPa 的BZ-5 混凝土噴射機(jī)，為防止噴射施工期間造成隧洞內(nèi)粉塵污染，采用濕噴工藝。噴射前用水清洗巖壁表面粉塵和雜物，并通過攪拌機(jī)拌勻水泥和粗細(xì)集料，再按照設(shè)計(jì)水灰比摻水，拌勻后將混合料輸送至噴射機(jī)，在噴射機(jī)前按照水泥總量的5%摻加速凝劑后采用人工方式拌和。送風(fēng)前應(yīng)將噴嘴朝下，避免速凝劑流入輸送管中；同時(shí)打開計(jì)量泵，防止高壓混凝土拌和物堵塞噴射孔；送風(fēng)后將風(fēng)壓控制在0.45～0.75MPa 之間，防止因風(fēng)壓過大使粗集料沖不進(jìn)砂漿層而脫落并造成混凝土回彈量增大，所以風(fēng)壓的控制應(yīng)以減小混凝土回彈量且表面濕潤為宜。

（3）布置錨桿、掛網(wǎng)及鋼格柵。在每次循環(huán)出渣結(jié)束后及混凝土初噴前布置錨桿，本隧道錨桿主要采用在施工現(xiàn)場切割成型的φ22mm 螺紋鋼材料，同時(shí)采用強(qiáng)度52～55MPa、固化時(shí)間6～12min 的8604 型小卷包裝的水泥錨固劑。鉆孔結(jié)束后，通過高壓風(fēng)機(jī)清孔，再將充分浸潤的錨固劑填塞進(jìn)鉆孔中至2/3 孔深；通過手風(fēng)槍將錨桿噴入鉆孔中固定，確保錨桿和錨固劑緊密黏結(jié)。鋼筋網(wǎng)片由φ8mm 圓鋼按照100cm×200cm尺寸制成，為確保隧道噴錨支護(hù)施工質(zhì)量，錨桿和網(wǎng)片之間必須牢固焊接，且鋼筋網(wǎng)片必須根據(jù)混凝土噴面起伏鋪設(shè)，其與噴面的間隙不得超過3cm。

（4）復(fù)噴。錨桿支護(hù)、網(wǎng)片及鋼格柵設(shè)置完成后進(jìn)行混凝土復(fù)噴，復(fù)噴施工工序與初噴基本一致，同樣采取濕噴方式，分片分段從下至上噴射。

2.4 施工效果

隧道噴錨支護(hù)結(jié)束后在施工段隨機(jī)選擇測點(diǎn)，采用鉆孔取芯法進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力檢測，將檢測結(jié)果整理成試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具體見表3。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28d 時(shí)，全部測點(diǎn)承載力均達(dá)到最大值，此后隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，承載力趨于穩(wěn)定；各測點(diǎn)最大承載力均在22kPa 以上，滿足該隧道工程支護(hù)承載力要求。

表3 隧道噴錨支護(hù)后承載力檢測結(jié)果（單位：kPa）

3 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于地質(zhì)條件不良、圍巖類別低、通過斷層帶和破碎帶、有水地段等隧道而言，開挖支護(hù)是十分關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)。以噴錨支護(hù)為半嶂隧道開挖初期支護(hù)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行二次襯砌，可充分利用隧道內(nèi)凈空并發(fā)揮圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證開挖施工安全。錨桿在隧道噴錨支護(hù)施工中應(yīng)用后可充分發(fā)揮出懸吊、組合支護(hù)效應(yīng)，利用桿體將圍巖松散破碎帶和穩(wěn)定巖層串接，在穩(wěn)定巖體和不穩(wěn)定巖體間傳遞重量，對(duì)巖體破壞小，也為隧道開挖施工質(zhì)量提供了保障，在隧道支護(hù)施工中具有重要作用。