浅议喷锚支护在水工隧洞的应用

摘要：在输水隧洞中要推广喷锚支护，必须从水工隧洞的特点出发， 研究用喷锚支护代替混凝土衬砌所遇到的问题，并找出发展较慢的原因和解决办法，方能促进喷锚支护在水工隧洞中的应用，并使其得到迅速的发展。本文探讨了喷锚支护在水工隧洞的应用。

关键词：喷锚支护；水工隧洞；应用

中图分类号：TV554+.12文献标识码： A 文章编号：

水利工程，尤其是山丘区的水库、电站、渠道等工程，经常需要开凿隧洞以利输水。而隧洞属于地下工程，不仅洞室开挖和混凝上衬砌的工程量很大，而且技术复杂，施工条件也差， 工程进度和施工安全都不易保证。特别是经常还会遇到复杂的地质条件，隧洞工程往往就成了控制整体工程的关键。

一、喷锚支护的优点

1、能保持和加固围岩的二次强度

（1）在洞室开挖后极短的时间内，立即喷射一薄层混凝土，及时封闭围岩，隔绝大气对围岩的风化作用，防止岩体二次强度急剧下降，特别是对软弱围岩来说，这是保持和发挥围岩自稳能力的关键。由于在速凝剂作用下， 喷射混凝土很早就具有早期强度，故能在软弱围岩局部破坏前及时地提供支护力，限制围岩变形发展，使岩体结构面中的粘结力最大限度的保持不变，以维护围岩的整体稳定。

（2）以高压射流形式喷射的混凝土, 部分砂浆渗人岩体结构面, 使互不联系或联系较弱的岩块胶结成一个整体。以不同角度穿过结构面的锚杆，直接提高了这些结构面的抗剪抗拉能力； 喷层和锚杆提供的约束和支护力， 改善了围岩的受力条件，使接近二向的受力状态朝向三向受力状态转化， 从而提高围岩的强度。

2、支护的及时性和柔性

及时密贴的喷锚支护，除承受部分岩体的松脱压力外，还要随围岩的蠕变过程整体变形，并承受变形压力。喷层属于一种弹性“或弹塑性” 结构，作用于其上的变形压力的大小， 取决于围岩的蠕变性能和喷层的刚度, 刚度越大， 变形压力越大。减小变形压力的办法是减薄喷层厚度， 使支护具有一定的柔性，这种柔性支护应当既能适应围岩蠕变而充分变形，又不致使变形量大到使局部围岩松脱破坏的程度。喷锚支护就是利用其及时性和柔性，正确处理了松脱压力和变形压力之间的矛盾，因而能够充分地发挥围岩的作用，减轻自身的负担。

3、 能改善喷层受力状态

众所周知，喷锚支护通常是分层喷射或锚固的，各个工序都相隔有一定的时间，而围岩的变形压力也在一定的时间内发展变化。在这种结构厚度“或边界条件”和荷载大小都同时变化的情况下，喷层中的应力状态显然不可能是单一的， 它必然会随时间的变化而发展变化， 最终形成一个所谓的复合应力状态。如果初喷层选择得恰当，满足及时性和柔性要求，早喷薄喷，又能充分发挥初喷层的材料潜力，将第二次喷射时间尽可能放得长些，实现晚喷喷足，那就能最大限度地减小后期压力， 从而使喷层中的应力处于最有利的状态。

二、喷锚支护在水工隧洞的应用

1、控制爆破

采用控制爆破( 即光面爆破或预裂爆破) 法全断面一次开挖成型, 减少对围岩的扰动是保持岩体自承能力及其稳定性的一种最经济方法, 而且比任何加固措施都更为有效.

在软岩中开挖隧洞的实践经验证明, 一次爆破成洞比“分部”开挖更有利于保持围岩的稳定, 因为“分部”开挖时, 多次的应力再集中( 短期的) 现象可能导致围岩的破坏; 多次爆破振动对围岩有不利影响, 而且也不利于完整性支护系统的建造和工作. 当然, 由于第三系岩层强度低, 应用人工开挖法也是可行的, 而且它对围岩的扰动要比钻爆法小得多, 但是由于生产效率低, 无法对围岩进行及时而有效的支护, 而围岩的时间过长对其稳定性是十分有害的.

2、 支护紧跟掌子面

过大的变形是围岩破坏的起因, 必须对它加以限制. 紧跟掌子面进行喷锚支护就是抑制变形的一种重要而有效的手段,宜遵循快开挖、先护后挖、边挖边护、超前支护的开挖支护方法, 做到一掘一支护, 稳步前进, 坚持多循环原则, 并快速封闭岩面, 合理控制变形. 根据观测资料, 第三系岩层在成洞以后其变形发展很快, 而且在掌子面附近6 m 的范围内, 围岩变形占其总量的80%以上. 就一般情况而言, 围岩的变形是随时间的延长而不断发展的, 但第三系岩层时间因素与掌子面的约束作用相比较只能占次要地位( 至少当H 较小时是这样) . 因此,在靠近掌子面施工喷锚支护就可避免围岩发生过大的变形, 同时也不致形成很大的变形压力, 一般“空顶距离”不应大于2 m.

3、分期喷锚及设置仰拱

由于软弱围岩变形的发展较快, 支护系统应在距掌子面1-2 m之内建成, 并在下一循环开始之前就能发挥作用, 因此,喷锚支护是一种较优的支护方案. 从总体上看, 由于围岩应力大, 应采取加强的支护体系, 但第三系岩体的主要特点是在隧洞开挖后, 围岩变形量大, 延续时间长. 在这种情况下, 按照 围岩、支护相互作用原理, 若采用一次完成刚性大的永久支护, 对围岩过早地施加过强的约束力, 会导致支护结构承受较大的荷载, 甚至常出现弯曲破坏. 因此, 一般应分两次支护, 即初期支护与后期支护. 初期支护采用喷层厚度不大于100 mm 的锚喷支护; 后期支护视具体情况采用锚喷支护或其他类型支护, 最终喷混凝土厚度达到150- 200 mm, 时机可根据现场观测资料来定, 但一般不宜大于1 个月. 初期支护的作用是及时提供一定的支护抗力, 使围岩不致发生松散破坏, 同时, 又允许围岩的变形有一定发展, 以充分发挥围岩的自支承作用. 后期支护的作用是维持隧洞的长期稳定性. 显然, 在第三系岩体中, 采用柔性较大的薄层喷混凝土加锚杆做初期支护是十分理想的. 但是, 岩体变形也具有明显的时间效应, 必须适时地提高支护抗力, 进行后期支护, 以保证隧洞的长期稳定性.

开挖完成后立即喷射第一层混凝土, 喷射作业应当紧跟开挖工作面, 混凝土终凝到下一循环时间不应小于3 h; 接着进行边墙锚杆施工; 锚杆的长度应超过塑性区厚度( 它随部位不同而有不同的数值) ; 在塑性区很厚的地段应该考虑采用以长锚索为骨干, 并与一般锚杆联合使用的方案. 在特别软弱的地段还要考虑喷锚与钢拱架联

合支护的方案, 此时的钢拱架应与喷锚形成整体; 锚杆布置的密度由“不被剪断”前提来决定, 可采用梅花型布置, 以便于在必要时加密.在软岩岩体隧洞边拱或边墙加固后, 提高了围岩的自承能力, 但同时也提高它的实际作用应力值, 由于岩体潜在应力的释放或岩体吸水膨胀, 沿四周逐渐向洞内挤出. 而支护结构在一定程度上抑制了岩体的挤压膨胀, 若底部没有约束, 围岩, 必然形成膨胀和应力释放的集中, 从而可能导致底板岩层

因“过载” 而产生的膨胀现象,即产生底鼓. 如不加控制, 任其发展, 常常造成隧洞墙角内移和支护结构的严重破坏, 这在实际工程中屡见不鲜. 因此, 必须设置仰拱封底( 对直墙型而言) , 形成全封闭环结构, 并及早进行封闭( 若为圆洞, 底拱也应尽早完成) , 以提高支护抗力, 保证围岩的整体稳定性. 假若底拱为现浇混凝土衬砌结构, 亦可先作一个具有一定厚度的喷锚网( 锚杆可短些) 底拱, 最后再补浇混凝土到设计尺寸. 此时, 可把先期施作的喷锚网底拱作为衬砌结构的一部分考虑.

4、保持喷锚支护系统完整性

软岩中喷锚支护的工作情况与硬岩不同, 保持其整体性是使它正常发挥作用的一个重要因素, 许多工程实践已证明, 忽视这个环节就可能造成不良的甚至是灾难性的后果.整体性是指其在整个断面上的连续性, 洞室全断面一次开挖成型对保证连续性是很有利的, 应该努力推行. 在必须采取“分部”开挖的场合, 应该作好设计和施工安排, 保证喷混凝土处处都能落“根” , 切忌采取“割断”或“挖脚”等办法.

参考文献：

[1] 谢真.新奥法施工在供水隧洞设计中的应用[J]. 中国高新技术企业. 2010(36)

[2] 杨根春,谭善文.喷锚支护在理县九架棚水电站中的应用[J]. 水利科技与经济. 2009(10)

[3] 赖汉玲.浅谈土石坝填筑施工方法[J]. 科技经济市场. 2007(07)