锚喷支护技术在水电工程中的应用

姜成波

（深圳市深水水务咨询有限公司，广东 深圳 518000）

1 国外锚喷支护的发展现状

锚喷支护 20世纪初期在美英等国家已经试用，40年代即开始系统研究试验，50年代以来已经在金属、煤矿、水利以及土木工程地下结构中广泛应用。锚喷支护这项新技术，由于它从根本上能改变岩石强度的特性，有着传统的外部支承所不能获得的技术与经济效果，因而在世界各国发展很快。美国在50年代初已经大量应用锚喷支护，特别是在煤矿中，近年来平均每年的锚杆使用量达1亿根以上，成为煤矿巷道支护的主要形式。苏联煤田70年代锚喷支护量约占进尺的l0 %以上。法国煤矿井巷中2/3左右采用支护。加拿大每年锚杆用量也达570万根。瑞典也将锚喷支护广泛应用于金属矿山中。当前，锚喷支护正在不断发展中，全世界每年使用锚秆的总数量约在2亿～3亿根之间。每年仅锚杆的耗费就达10余亿美元。

工程实践证明，锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌支护优越。由于锚喷结构能及时支护和有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力，所以锚喷支护结构比模注混凝土衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省混凝土、木材和劳动力，加快施工进度，工程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。此外，锚喷支护是一种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。由于锚喷支护结构柔性好，它能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围岩应力，抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。

2 锚喷支护施工

加强施工技术管理，在精心设计的基础上做到精心施工，是锚喷支护能否收到预期的技术经济效果的关键环节。锚喷支护施工前，应根据地质水文资料和设计，编制施工组织设计或作业规程，据此作好施工前的准备工作和组织施工。支护施工要达到快速、优质、高效、低耗、经济效益好和安全的要求，除加强设计与施工技术管理外，正确地选择施工作业方式、采用科学的施工组织，也是很重要的。

2.1 锚喷支护的设计与施工步骤

勘察隧道工程地质和水文情况，分析围岩的稳定条件。在围岩分类的基础上采用工程类比方法选择支护类型及设计参数，对锚喷支护结构进行受力分析和结构计算，并提出施工注意事项。在支护结构施工中，密切注意地质情况的变化，及时修改设计参数，变更施工工序。支护完成后，观察隧道的稳定状况，对其长期稳定性作出预测和评价。必要时，可对支护变形和应力进行量测，包括施工阶段的监测。总结经验，改进设计与施工。掌握岩体变形、坍塌的规律之后，在恰当的时间，采用适当的方法进行支护。

锚喷支护不单纯是一种施工方法，而是一种指导原则和思路。使用时应掌握三个基本点：围岩是隧道稳定的基本部分。支护是为了与围岩共同形成能自身稳定的“承载圈”或支承单元，因此应尽量维护围岩体的强度性能，尽量采用控制爆破或无爆破开挖，尽量采用大断面或全断面掘进技术。支护、衬砌要薄而具有柔性并与围岩密贴，使因产生弯矩而破坏的可能性达到最小。当需要增加支护衬砌强度时，宜采用锚杆、钢筋网以及钢支撑等加固，而不宜大幅度增加喷层或衬砌厚度。设计施工中要正确地估计围岩特性及其随时间的变化。需要进行必要的试验和量测，以确定围岩类型、自稳时间和位移变形速率等重要参数，选择最合适的支护措施和支护时间。

2.2 实施锚喷支护施工原则

即为了达到技术上可靠和经济上合理的目的。本节所述的锚喷支护施工原则虽然目前还不能完全以定量的关系反映出来，但它对指导锚喷支护的设计和施工却是十分重要的。

保证锚喷支护与围岩形成共同体。由于计算模型中把支护和围岩视为不可分割的共同体，因此，在设计施工中要求保证实现围岩、喷层和锚杆之间具有良好的黏结和接触，使三者共同受力。例如，喷层与岩石、喷层与喷层、喷混凝土与钢筋网、锚杆与岩石之间都要做到良好的结合。加强施工质量检验，目前，国家规范已把喷层与岩石的黏结力和锚杆锚固力正式列入施工质量检验的项目。锚杆锚固力的设计应力和与锚杆材料的承载能力应相匹配，以充分发挥锚杆强度作用。从这个角度看，采用黏结式螺纹锚杆效果较好，但如果没有良好的锚固力和喷混凝土与岩体的黏结力，则锚杆与喷混凝土支承不稳定块体的承载力也将大大丧失。

2.3 选择合理的支护类型

支护类型的确定应根据围岩地质特点、工程断面大小和使用条件要求等综合考虑，一般情况下，应优先考虑选用喷混凝土支护或锚喷联合支护。对于坚硬裂隙岩体中的大断面隧道，锚喷支护技术发展速度快、使用范围广、技术经济效果显著。锚喷支护的结构有锚杆支护结构、喷射混凝土支护结构、锚网支护结构、锚杆笆支护结构、锚喷联合支护结构、锚网喷支护结构、混合支护结构等。从稳定的岩石巷道到松软破碎的岩石巷道、从静压巷道到动压巷道、从采区上山到回采巷道都得到普遍应用。锚喷支护也成为巷道维修的重要手段。喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护及喷混凝土与锚杆、钢筋网联合支护的统称。它是地下工程支护的一种新形式，也是新奥地利隧洞工程法（简称新奥法）的主要支护措施。这一层混凝土一般作为临时支护，以后再在其上加喷混凝土至设计厚度作为永久支护。这种施工方法称为“新奥法”。必要时加采用喷锚支护，可以减少衬砌工程量50 %以上，节约水泥1/2～1/3，减少劳动力和工程投资50 %左右，缩短工期50 %以上。

新奥法施工时常用的支护手段是喷射混凝土和锚杆支护。地层性质较差时，可采用钢网、钢拱架、二次喷射混凝土或可缩性支架等加强喷层，也可采用注浆工艺或冻结工艺等预先加固地层。喷射混凝土、锚杆和现场临控量测被认为是新奥法的三大支柱。为使周围地层能够有效地发挥其自承作用，确保洞室稳定，除需及时施筑薄层喷射混凝土支护和锚杆加固外，通过临控量测实行信息化设计和施工，控制调节周围地层的变形，使地层、喷射混凝土和锚杆等共同发挥作用也是非常重要的。喷锚支护不需要安装模板，也不需要进行回填灌浆，操作方便，施工安全。喷混凝土就是将水泥、砂、石等与料按一定比例拌和后装入喷射机中，再用压缩空气将混合料送到喷嘴处与高压水混合，喷射到岩石表面，经凝结硬化而成的一种薄层支护结构。喷射到岩面上的混凝土，能填充围岩的缝隙，将分离的岩面黏结成整体，提高围岩的强度，增强围岩抵抗位移和松动的能力，还能封闭岩石，防止风化，缓和应力集中。

喷混凝土支护是一种不用模板就能成型的新型支护结构，具有生产效率高、施工速度快、支护质量好的优点。喷锚支护适用于不同地层条件、不同断面大小的地下洞室工程，既可用作临时支护也可用作永久性支护。喷锚支护是在隧洞开挖后，及时在围岩表面喷射一层厚3 cm～5 cm的混凝土，必要时加上锚杆、钢筋网以稳定围岩。