超前锚杆加固与联合支护在破碎带斜坡道中应用

周 桥

（北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）

1 工程概况

武平紫金230斜坡道硐口位于武平县中堡镇岭头村，断面为4 m×3.8 m的斜坡道通-160 m水平斜坡道所处地段。根据文献 [1]及2005年6月紫金山地质处提供的资料，该矿床工程地质岩组划分为坚硬岩组、坚硬-半坚硬岩组、半坚硬岩组、松软岩组四类。①坚硬岩组：主要有粗安岩、花岗岩，分布于整个矿区。花岗岩为主要围岩，岩石完整，但局部存在构造破碎带和强烈蚀变。抗压强度值一般为60.8～95.9k Pa。②坚硬-半坚硬岩组，该组岩性为变质砂岩，岩石普遍绿泥石化，局部蚀变强烈。抗压强度30～60k Pa。③半坚硬岩组，该组岩性为凝灰质砾砂岩和英安岩，抗压强度略大于30k Pa。英安岩常为矿体顶板，分布较广。④松软岩组，地表残坡积土、洪冲积土及强风化岩组组成，厚度一般10～20 m。

矿区常见一些规模大小不一、呈透镜或不规则状产出的构造破碎带，带中岩石往往被挤压破碎形成松散状，裂隙发育，它往往造成漏水、涌水、坍塌、掉块或水位突变等水文异常现象。给斜坡道进出口施工和斜坡道的稳定性带来较大的困难。

2 超前锚杆加固设计

超前预加固技术，因其相对于井巷的施工 （主要是相对于复合式衬砌）为辅助施工措施，因此国内习惯上称作辅助工法，而国外多称预加固技术或地层处理技术，为便于论述和交流，称为预加固技术。超前预加固技术除超前锚杆外，还有小导管、管棚、水平旋喷注浆、机械预切槽衬砌法、盾构法等，但由于这些方法成本昂贵或施工扰动大，不太适合矿山使用。而对于超前锚杆支护，以往采用5～10 m的中长锚杆，不能用掘进巷道的浅孔凿岩设备打锚杆孔，阻碍了该项技术的发展。

根据现场实际情况，采取其他隧道施工工程类比，认为较为合理的施工办法是采用超前支护措施。根据文献 [3]，该破碎带围岩为隧道IV～V级围岩，可及时采用超前锚杆加固，形成岩石围壁，提高围岩的自稳能力，从而保证施工的顺利进行。

对径向锚杆支护的理论研究方面，目前有压力拱理论、悬吊理论、最大水平应力理论、裂隙体理论、围岩松动圈支护理论、断裂损伤理论、增韧止裂理论、巷道围岩的关健承载圈理论及锚杆支护的扩容——稳定理论等。但在超前锚杆原理研究方面，虽然认为有 “销钉”作用、组合梁作用、人为拱效应作用原理等，但至今对其预支护的机理研究远落后于工程实践，且机理研究多停留在定性的解释上，缺少完整的理论体系和计算方法。因此，在本课题中，采取对破碎带先进行具体再分类 （在另文发表），结合计算机数值模拟技术，确定超前锚杆加固参数。

（1）设置范围：对于拱部超前锚杆，设斜坡道拱部外弧半长为a，则L=1/2～2/3 a。式中L为需要设超前锚杆范围内之半弧长。

（2）锚杆直径：IV类围岩为20 mm，V类围岩为22 mm。

（3）锚杆长度：为3.5 m与钻孔机具的钻孔能力和开挖工序的循环进尺相配合。拱部超前锚杆纵向两排之间，应重叠l m以上的水平搭接段。

（4）锚杆间距 （径间距与排距相等）：IV类围岩采用0.4 m，V类围岩采用0.3 m。

（5）锚杆钻孔：钻孔直径D=40 mm。拱部超前锚杆孔口位于开挖轮廓线以外10～20c m。

（6）锚杆外插角：拱部为IV类围岩采用8o，V类围岩采用15o。

3 联合支护设计

由于破碎带围岩表面约束能力差，使得支护体首先在较为薄弱的地方出现过量变形、岩石松动和破坏，因此采用喷混凝土、径向锚杆、内置拱形槽钢、充填喷混凝土等联合支护方式，依据文献 [5]分别按IV类，V围岩设计。

（1）锚杆直径：同上文超前锚杆设计。

（2）锚杆长度：为4 m与钻孔机具的钻孔能力和开挖工序的循环进尺相配合。

（3）锚杆间距 （间排距相等）：对于径向锚杆，IV类围岩采用0.8 m，V类围岩采用0.6 m。

（4）锚杆钻孔：钻孔直径D=40 mm。拱部超前锚杆孔口位于开挖轮廓线以外10～20c m。

（5）锚杆外插角：拱部为IV类围岩采用8o，V类围岩采用15o。

（6）内置拱形槽钢间距：IV类围岩为1.5 m，V类围岩为1.2 m。

（7）喷、充填混凝土标号：200#，早强水泥砂浆。

（8）壁后充填厚度：150 mm。

4 施工工艺

在确定了设计方案后，施工工艺流程为：①超前锚杆钻孔与安装：即先用浅孔凿岩设备打超前锚杆孔，然后插入纵向锚杆 （钢筋）；②纵向喷混凝土，再喷断面四周；③ 径向锚杆钻孔与安装；④内置拱型槽钢：将预先焊接及栓好接口的拱型槽钢用铁丝或钢筋等相互连接；⑤填混凝土：即壁后充填。在模板里有内置拱型槽钢，另外里面加均匀铁丝 （网）或钢筋，然后浇混凝土。

在超前锚杆安装后，用拱形槽钢圈连接插入掌子面的钢筋，这样使钢筋所受的竖向卸荷力被拱分散到巷道 （隧洞）两侧和地面的岩石上。及时喷射了砼，能及时对围岩提供抗力，并可喷入裂隙的一定深度内，对岩体进行加固，以抵抗岩石的剪切，提高围岩的承载能力。采用喷混凝土、再打径向锚杆 （文献 [3]锚杆施工一般规定），也可以是打完径向锚杆后，继续再喷混凝土。通过这种联合支护，使拱顶一方面避免了由于岩石不断风化而由小塌方变大塌方的危险，另一方面，也不可能发生大的卸荷变形坍塌。

值得注意的是，在施工时要保持毛断面，符合设计要求，轮廓线圆滑平整，必须采用光面爆破，保证光爆质量，减少岩石破坏。光爆成形规整，可减少局部支护体上应力集中，使变形压力在支护体均衡分布，并使支护厚度均匀。均匀的支护体，能更好承受较大的变形应力。

另一个要说明的问题是，在打完径向锚杆后，也可铺设金属网，这样可以相应增大锚杆托板的面，从而改变了原来的四壁的点锚固，为全面积锚固挤压，在锚杆长度相同、密度相同的情况下，增大挤压加固拱的厚度，提高工程的抗破坏力。

在实际施工时，在锚喷后，即释放围岩大部分压力的柔性支护后，再内置拱型槽钢，然后用充填混凝土，形成很强刚性支护，阻止了工程围岩的变形。

5 结论

（1）采用超前锚杆的施工工艺，用浅孔凿岩设备钻，一个小班可钻3.5 m的孔10～15个，与其他超前支护方式比，无论在工时和材料消耗方面，都是经济的，并且安全可靠性强。

（2）在锚喷柔性支护后，然后内置拱形槽钢，进行壁后充填等刚性支护，既释放了一部分压力，又阻止了巷道的变形。经成巷三月后监测，该破碎带斜坡道的变形量只有0.01 m。

（3）用超前短锚杆，缩小锚杆间距的联合支护方法，可降低支护成本，确保安全、提高巷道成巷速度。