隧道噴錨支護施工技術應用

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 噴錨支護設計

噴錨支護設計是隧道工程施工中常見的技術，對于加固隧道結構，提升地質結層穩定性，避免開挖施工中安全事故具有重大意義。錨桿作為噴錨支護中的有效支護手段，主要起到拱、懸吊、組合支護[1]等作用，錨桿擴散固結半徑是衡量其支護效果的重要指標。所謂拱效應，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圍巖形成連續拱形壓縮帶，提升圍巖結構的自穩能力[2]。

1.1 開挖面圍巖處理

施工面出渣后測量凈空量，根據《公路隧道設計規范》（JTG D70/2—2014）要求和測量結果去除危石，一般區域通過機械設備開挖，特殊結構地段須人工開挖。硬質巖層地段須合理補坡，確保圍巖凈空尺寸滿足隧道噴錨支護設計要求。應結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 的石灰巖碎渣為粗集料。為提升混凝土性能，還應摻加速凝劑，并嚴格控制水灰比。以上原材料在使用前必須進行性能試驗，確保試驗結果滿足規范要求后才可投入使用。

1.2 噴錨支護構造

在處理好開挖面圍巖后，結合隧道實際情況選擇噴錨支護構造形式。當前對存在少量軟弱結構面、層間結合差的Ⅱ類圍巖以及軟弱結構面分布多、斷層破碎帶較長的Ⅲ類圍巖通常可采用三類噴錨支護構造，具體見圖1。其中（a）以注漿圓柱體為主體結構；（b）以不規則體為主體結構，該結構會在無黏性土層中形成大面積擴展區域；（c）為借助擴孔工具在擴眼內向擴大圓柱體，并以擴大圓柱體為主體噴錨支護結構。對于面層結構的支護，通常以混凝土為原材料，將其覆蓋在鋼筋網上，與錨桿相連后，壓力主要由錨桿承受。所形成的支護結構能有效防止隧道施工過程中局部坍塌現象，提升圍巖結構的穩定性。

圖1 噴錨支護構造

隧道噴錨支護施工主要借助錨桿懸吊支護結構，錨桿必須深入穩定巖層內，為保證支護效果，還應進行錨桿承載力計算。當隧道施工過程中有塊體危石墜落，錨桿結構將同時承受拉應力和剪切力，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—錨桿和地質結構的夾角，°。

結合抗拉作用原理[4]，錨桿橫截面直徑應按下式確定：

式（2）中：d—錨桿橫截面直徑，mm；k—錨桿安全系數；N—錨桿所承受的最大拉應力，kN；R—錨桿抗拉強度，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行錨桿制備，以確保錨桿具備較好的力學性能。

1.3 混凝土噴射

混凝土初噴過程中應適量添加清水，以減少施工中粉塵的產生量。將檢驗合格的原材料投入攪拌機內，并根據水灰比要求添加清水，按照規范要求進行混凝土制備。拌制好的混合料由運輸車運至施工現場，到場后添加5%的速凝劑并進行人工拌和。初噴完成后按照相關參數安設錨桿、網片和鋼格柵，再按照初噴工序復噴混凝土，為保證支護施工質量，復噴必須分兩次完成，每次噴射厚度均控制在6～8cm 以內，兩側同時復噴作業的時間間隔不得超出10min。

2 工程應用

2.1 工程概況

半嶂隧道位于廣東省河源市東源縣康和鎮，進口、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，雙向四車道設計，道路和隧道的設計速度均為100km/h，汽車荷載為公路-Ⅰ級。該隧道Ⅱ級和Ⅲ級圍巖長度分別達到272m 和518m，施工過程中應盡可能縮短開挖面暴露時間，但是因無法緊跟開挖面進行模筑混凝土支護，且工序復雜，很難使封閉圍巖；隧道開挖施工對邊坡存在較大影響，極易引發融塌等病害。

2.2 噴射混凝土原材料及配比

該隧道噴錨支護施工選用42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥性能指標詳見表1。以質地堅硬、清潔干燥、不含易凍裂礦物質、級配良好、砂率為50%、含泥量<3%的非堿活性河砂為細集料；同時以隧道出渣且破碎后的石灰巖為粗集料。粗集料性能詳見表2。考慮到低溫早強噴射混凝土性能特征，該隧道噴錨支護施工采用多功能復合外加劑及速凝劑等外加劑，前者可使混凝土液相冰點顯著降低，并提高噴射混凝土早期強度；后者則能加快混凝土硬化速度，減小回彈損失，增強噴射混凝土在潮濕及含水巖層中的適應性。

表1 隧道噴錨支護所用水泥材料性能

表2 粗集料性能

在進行噴射混凝土配合比設計時，須考慮強度等級方面的要求，保證混凝土材料的早強性和抗滲性，降低其水化熱和回彈率。經過反復試驗和比較，使混凝土回彈量達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

結合該工程區地質條件及類似隧道施工經驗，半嶂隧道圍巖噴錨支護施工采用上下斷面臺階法，初支主要采用錨桿掛網、混凝土噴射、鋼格柵等結合工藝。施工過程中，因部分圍巖碎裂，結構整體自穩性差，故必須遵循短進尺、強支護、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束后量測凈空，結合量測結果處理欠挖段并撬清危石，軟弱地段應人工開挖，硬質地段補炮，保證凈空尺寸達到設計要求。

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

（3）布置錨桿、掛網及鋼格柵。在每次循環出渣結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場切割成型的φ22mm 螺紋鋼材料，同時采用強度52～55MPa、固化時間6～12min 的8604 型小卷包裝的水泥錨固劑。鉆孔結束后，通過高壓風機清孔，再將充分浸潤的錨固劑填塞進鉆孔中至2/3 孔深；通過手風槍將錨桿噴入鉆孔中固定，確保錨桿和錨固劑緊密黏結。鋼筋網片由φ8mm 圓鋼按照100cm×200cm尺寸制成，為確保隧道噴錨支護施工質量，錨桿和網片之間必須牢固焊接，且鋼筋網片必須根據混凝土噴面起伏鋪設，其與噴面的間隙不得超過3cm。

（4）復噴。錨桿支護、網片及鋼格柵設置完成后進行混凝土復噴，復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

隧道噴錨支護結束后在施工段隨機選擇測點，采用鉆孔取芯法進行不同養護時間下隧道支護結構承載力檢測，將檢測結果整理成試驗數據，具體見表3。根據試驗結果，在養護時間為28d 時，全部測點承載力均達到最大值，此后隨著養護時間的延長，承載力趨于穩定；各測點最大承載力均在22kPa 以上，滿足該隧道工程支護承載力要求。

表3 隧道噴錨支護后承載力檢測結果（單位：kPa）

3 結語

綜上所述，對于地質條件不良、圍巖類別低、通過斷層帶和破碎帶、有水地段等隧道而言，開挖支護是十分關鍵的施工環節。以噴錨支護為半嶂隧道開挖初期支護，在此基礎上再進行二次襯砌，可充分利用隧道內凈空并發揮圍巖結構穩定性，保證開挖施工安全。錨桿在隧道噴錨支護施工中應用后可充分發揮出懸吊、組合支護效應，利用桿體將圍巖松散破碎帶和穩定巖層串接，在穩定巖體和不穩定巖體間傳遞重量，對巖體破壞小，也為隧道開挖施工質量提供了保障，在隧道支護施工中具有重要作用。