隧道噴錨支護施工技術分析

魏勇

（中鐵一局集團有限公司第三工程分公司，陜西 寶雞 721000）

噴錨支護是指在工程施工中，借助或應用高壓噴射裝置，進行混凝土材料的噴射，并聯合金屬錨桿的使用，進行工程中巖層結構的加固處理。可以將噴錨支護結構劃分成永久性結構與臨時性結構[1]。此項技術是隧道工程施工中一種較為常見的技術，合理、規范地應用此項技術，不僅可以提高地質結構層結構的穩定性，也可以對隧道結構自身結構進行加固，避免或降低工程施工中出現的安全事故，實現為隧道內參與工程施工的工人提供全面的安全保障[2]。為規范噴錨支護施工行為，下述將以某項目隧道工程為例，對噴錨支護施工技術展開詳細的設計的分析。

1 噴錨支護施工技術設計

1.1 隧道開挖面圍巖處理及材料選擇

為實現隧道空間有效支護，采用噴錨支護的方式開展施工。在施工前，首先需要根據施工區域的實際情況，對其開挖面圍巖結構進行處理。施工面出碴完成后，對其進行凈空量的測量，并根據測量得出的結果，綜合標準數值進行危石去除和淺挖處理[3]。針對一般區域可采用機械設備進行開挖，針對特殊結構地段可以通過人工方式完成開挖。針對相對較硬的地段需要進行合理補坡，直到圍巖的凈空尺寸符合噴錨支護施工的設計要求。在實際處理中，根據不同的圍巖類型需要采取不同的處理措施，同時還需要對噴錨支護材料進行合理選擇[4]。針對水泥材料和骨料的選擇，可選用425 號普通型硅酸鹽水泥材料，針對細骨料的選擇可選用黃砂，并將其砂率控制在40%～50%范圍內，將含泥量控制在小于3%的范圍內。在對粗骨料進行選擇時，可直接就地選材，將從隧道當中排除的碎碴作為主要骨料，這一部分碎碴是由石灰巖破碎形成，其規格通常在0.5cm～1.0cm 范圍內。在實際對材料進行配制時，需要先經過試驗，并確保試驗結果符合要求的前提條件下才能夠將其應用到具體施工當中[5]。除上述材料外，在選擇材料時，還需要完成對速凝劑的選擇，可選用RH 型速凝劑，并將其水泥重量控制在5%左右，在5min 時完成初凝，在8min 時完成終凝。在配制材料時還需要充分考慮到水灰比問題，對其比例進行嚴格控制才能夠保證混凝土的回彈量在規定范圍內[6]。

通常情況下，水灰比的數值應為0.49，以此能夠達到最佳的噴射效果。

1.2 噴錨支護基本構造設計

在完成對隧道開挖面圍巖處理以及對噴錨所需材料的選擇后，圖1 為三種噴錨支護構造類型。

圖1 三種噴錨支護構造類型

根據隧道施工現場的實際情況對上述三種類型噴錨支護基本構造進行選擇。圖1 中a 構造是將注漿圓柱體作為主體結構。圖1 中b 構造是將擴大的圓柱體或不規則體作為主體結構，并在無粘性土層當中形成面積較大的擴展區域[7]。圖1 中c 構造是通過特殊擴孔工具在擴眼內向這一個方向完成對一個或多個圓柱體的擴大，將圓柱體作為噴錨支護的主體結構，這種錨桿更適用于特制的擴孔機械，并且在粘土層和無粘土層中都適用。針對支護面層結構而言，通常選用混凝土材料作為主要材料，將其覆蓋在鋼筋網上，起到良好的拉結作用，在受到力與錨桿相連的作用下，錨桿承受更大壓力，并將整個支護結構看作一個完整的整體，這一結構能夠有效避免隧道施工時出現局部坍塌現象，從而具有穩定性。

1.3 確定錨桿參數

在確定噴錨支護基本構造后，針對錨桿參數進行設計。在噴錨支護中利用錨桿結構將其懸吊，并盡可能深入到穩定的巖層當中。為進一步提高錨桿的支護作用，對其承載力進行計算[8]。假設在施工中存在塊體危石墜落，此時錨桿結構除了會受到拉力以外，還會產生一定剪切力，如圖2 所示。

圖2 錨桿受力情況示意圖

在圖2 所示內容基礎上，根據靜力平衡原理，確定錨桿所受剪力與承載力之間的關系，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 為錨桿與地質結構之間形成的夾角。再根據抗拉作用，對錨桿橫截面直徑進行進一步計算：

公式（2）中d 為錨桿的橫截面直徑；K 為錨桿安全系數；N 為錨桿所能夠承受的最大拉力；R 為錨桿的抗拉強度。根據上述公式，計算得出錨桿的最小橫截面直徑，在制備錨桿時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性能。

1.4 噴射機選擇及混凝土初噴、復噴

在明確錨桿的各項參數后，對混凝土初噴和復噴進行設計。采用噴射同時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當中，并適量添加清水，水的比例需要按照水灰比配制要求添加。將拌好的材料用運輸車將其運輸到施工現場，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，按照上述設計參數對錨桿、網片以及鋼格柵等結構進行安設，在完成施工后，進行混凝土復噴。復噴的工序與初噴相同。區別在于，復噴作業時需要分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，同時兩側作業之間的間隔應控制在10min 左右。

2 工程應用

完成對施工技術的設計后，下文將以某項目隧道工程為例，開展如下文所示的對比實驗。

本次所研究的工程項目為南丹至天峨高速公路**隧道，該項目所在地區位于廣西河池，獲取與此工程項目相關的信息，將其統計成表格，見表1。

表1 **隧道工程項目信息概況

此隧道的洞身埋深相對較淺，通過地質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，由專業的地質人員在施工前，進行此工程所處地理位置的考察，發現隧道覆蓋地段的土體以粉土為主，土層中含有少量的角礫、植被生長根系與碎石，對土壤進行采樣分析后發現，其中還含有少量的有機物質，土層中不同物質的組成成分受到地形遷移變化的控制，可以認為土層在空間分布上存在顯著性的差異。

根據此區段地質資料顯示，隧道結構的先后位置存在10 條斷層結構穿越此隧道，穿越結構的寬度在0.5m～2.5m 不等。大部分斷層在其中屬于節理發育結構，其中的巖體與巖層呈現一定的碎裂性，在此位置開展工程施工，極易出現結構坍塌或邊坡坍落等風險。綜合施工方與地質勘查方對此施工段的評估，最終選擇在此施工段按照噴錨支護的方式進行施工。

在完成上述相關信息的獲取后，獲取施工所在區域的氣候條件。根據數據庫所獲取數據分析可知，當地氣候存在極端性，綜合而言，氣候變化差異較大。地區年平均溫度為7.3 攝氏度，在冬季極端氣候條件下，氣溫最低可以達到零下10 攝氏度。

借鑒該地區其他工程項目的施工經驗，綜合所研究地區的氣候環境與地質條件，選用埋式錨桿、I-18 型號的鋼架與網噴方式，進行隧道工程的聯合支護施工。施工中，考慮到部分圍巖已出現碎裂問題，整體結構的自穩定性能較差，因此，要將“短進尺、強支護、快封閉、弱爆破”等作為施工原則。設計噴錨支護施工標準化工藝，見圖3。

圖3 噴錨施工工藝

掌握工程標準化施工過程后，為確保工程施工可以達到預期的質量，應在施工前，對噴射的混凝土材料進行優化設計。配置的噴射混凝土原材料共有5 種，分別為水泥、細砂、自然水、外加試劑與卵石。原材料中的水泥直接選用等級為R-32.5的硅酸鹽水泥，確保水泥強度與彎折強度達到標準后，選用665-A 型號的速凝試劑作為噴射混凝土原材料中的外加試劑。同時，選擇細度約為2.9、含泥量<3%的細砂作為材料，在進行卵石的選型時，控制卵石的粒徑在6.0mm～12.0mm 范圍內、含泥量在1.0%范圍內、其他檢測指標均符合JTJ058-97 即可。經過綜合測算，設定細砂：卵石：水泥=1:2.009:2.498。

完成施工準備后，根據本文所設計的內容，對施工段展開噴錨支護施工，完成施工后，在施工段隨機選擇測點，對不同養護時間下的支護結構承載力進行檢測（承載力檢測參照鉆芯檢測法），將檢測完成后的結果整理成為實驗數據表格，見表2。

表2 **隧道噴錨支護施工段隨機測點承載力分析

從上述實驗結果可知，在養護達到28 天時，所有測點的承載力檢測結果趨近于穩定，通過對隨機4 個測點的分析可知，所有測點的承載力檢測結果均大于22.00KPa，符合隧道工程在支護施工中的承載力需求，說明本文所設計的支護技術可以起到提高綜合承載力的作用。

3 結論

本文以某隧道工程為例，開展了噴錨施工技術的研究，實驗結果證明，按照本文所設計的施工技術進行工程施工，可以保證施工成果測點承載力檢測結果均大于22.00KPa，從而保證在橋梁隧道工程中，結構的穩定性與安全性。