超前錨桿加固與聯合支護在破碎帶斜坡道中應用

周 橋

（北京科技大學土木與環境工程學院，北京100083）

1 工程概況

武平紫金230斜坡道硐口位于武平縣中堡鎮嶺頭村，斷面為4 m×3.8 m的斜坡道通-160 m水平斜坡道所處地段。根據文獻 [1]及2005年6月紫金山地質處提供的資料，該礦床工程地質巖組劃分為堅硬巖組、堅硬-半堅硬巖組、半堅硬巖組、松軟巖組四類。①堅硬巖組：主要有粗安巖、花崗巖，分布于整個礦區。花崗巖為主要圍巖，巖石完整，但局部存在構造破碎帶和強烈蝕變。抗壓強度值一般為60.8～95.9k Pa。②堅硬-半堅硬巖組，該組巖性為變質砂巖，巖石普遍綠泥石化，局部蝕變強烈。抗壓強度30～60k Pa。③半堅硬巖組，該組巖性為凝灰質礫砂巖和英安巖，抗壓強度略大于30k Pa。英安巖常為礦體頂板，分布較廣。④松軟巖組，地表殘坡積土、洪沖積土及強風化巖組組成，厚度一般10～20 m。

礦區常見一些規模大小不一、呈透鏡或不規則狀產出的構造破碎帶，帶中巖石往往被擠壓破碎形成松散狀，裂隙發育，它往往造成漏水、涌水、坍塌、掉塊或水位突變等水文異常現象。給斜坡道進出口施工和斜坡道的穩定性帶來較大的困難。

2 超前錨桿加固設計

超前預加固技術，因其相對于井巷的施工 （主要是相對于復合式襯砌）為輔助施工措施，因此國內習慣上稱作輔助工法，而國外多稱預加固技術或地層處理技術，為便于論述和交流，稱為預加固技術。超前預加固技術除超前錨桿外，還有小導管、管棚、水平旋噴注漿、機械預切槽襯砌法、盾構法等，但由于這些方法成本昂貴或施工擾動大，不太適合礦山使用。而對于超前錨桿支護，以往采用5～10 m的中長錨桿，不能用掘進巷道的淺孔鑿巖設備打錨桿孔，阻礙了該項技術的發展。

根據現場實際情況，采取其他隧道施工工程類比，認為較為合理的施工辦法是采用超前支護措施。根據文獻 [3]，該破碎帶圍巖為隧道IV～V級圍巖，可及時采用超前錨桿加固，形成巖石圍壁，提高圍巖的自穩能力，從而保證施工的順利進行。

對徑向錨桿支護的理論研究方面，目前有壓力拱理論、懸吊理論、最大水平應力理論、裂隙體理論、圍巖松動圈支護理論、斷裂損傷理論、增韌止裂理論、巷道圍巖的關健承載圈理論及錨桿支護的擴容——穩定理論等。但在超前錨桿原理研究方面，雖然認為有 “銷釘”作用、組合梁作用、人為拱效應作用原理等，但至今對其預支護的機理研究遠落后于工程實踐，且機理研究多停留在定性的解釋上，缺少完整的理論體系和計算方法。因此，在本課題中，采取對破碎帶先進行具體再分類 （在另文發表），結合計算機數值模擬技術，確定超前錨桿加固參數。

（1）設置范圍：對于拱部超前錨桿，設斜坡道拱部外弧半長為a，則L=1/2～2/3 a。式中L為需要設超前錨桿范圍內之半弧長。

（2）錨桿直徑：IV類圍巖為20 mm，V類圍巖為22 mm。

（3）錨桿長度：為3.5 m與鉆孔機具的鉆孔能力和開挖工序的循環進尺相配合。拱部超前錨桿縱向兩排之間，應重疊l m以上的水平搭接段。

（4）錨桿間距 （徑間距與排距相等）：IV類圍巖采用0.4 m，V類圍巖采用0.3 m。

（5）錨桿鉆孔：鉆孔直徑D=40 mm。拱部超前錨桿孔口位于開挖輪廓線以外10～20c m。

（6）錨桿外插角：拱部為IV類圍巖采用8o，V類圍巖采用15o。

3 聯合支護設計

由于破碎帶圍巖表面約束能力差，使得支護體首先在較為薄弱的地方出現過量變形、巖石松動和破壞，因此采用噴混凝土、徑向錨桿、內置拱形槽鋼、充填噴混凝土等聯合支護方式，依據文獻 [5]分別按IV類，V圍巖設計。

（1）錨桿直徑：同上文超前錨桿設計。

（2）錨桿長度：為4 m與鉆孔機具的鉆孔能力和開挖工序的循環進尺相配合。

（3）錨桿間距 （間排距相等）：對于徑向錨桿，IV類圍巖采用0.8 m，V類圍巖采用0.6 m。

（4）錨桿鉆孔：鉆孔直徑D=40 mm。拱部超前錨桿孔口位于開挖輪廓線以外10～20c m。

（5）錨桿外插角：拱部為IV類圍巖采用8o，V類圍巖采用15o。

（6）內置拱形槽鋼間距：IV類圍巖為1.5 m，V類圍巖為1.2 m。

（7）噴、充填混凝土標號：200#，早強水泥砂漿。

（8）壁后充填厚度：150 mm。

4 施工工藝

在確定了設計方案后，施工工藝流程為：①超前錨桿鉆孔與安裝：即先用淺孔鑿巖設備打超前錨桿孔，然后插入縱向錨桿 （鋼筋）；②縱向噴混凝土，再噴斷面四周；③ 徑向錨桿鉆孔與安裝；④內置拱型槽鋼：將預先焊接及栓好接口的拱型槽鋼用鐵絲或鋼筋等相互連接；⑤填混凝土：即壁后充填。在模板里有內置拱型槽鋼，另外里面加均勻鐵絲 （網）或鋼筋，然后澆混凝土。

在超前錨桿安裝后，用拱形槽鋼圈連接插入掌子面的鋼筋，這樣使鋼筋所受的豎向卸荷力被拱分散到巷道 （隧洞）兩側和地面的巖石上。及時噴射了砼，能及時對圍巖提供抗力，并可噴入裂隙的一定深度內，對巖體進行加固，以抵抗巖石的剪切，提高圍巖的承載能力。采用噴混凝土、再打徑向錨桿 （文獻 [3]錨桿施工一般規定），也可以是打完徑向錨桿后，繼續再噴混凝土。通過這種聯合支護，使拱頂一方面避免了由于巖石不斷風化而由小塌方變大塌方的危險，另一方面，也不可能發生大的卸荷變形坍塌。

值得注意的是，在施工時要保持毛斷面，符合設計要求，輪廓線圓滑平整，必須采用光面爆破，保證光爆質量，減少巖石破壞。光爆成形規整，可減少局部支護體上應力集中，使變形壓力在支護體均衡分布，并使支護厚度均勻。均勻的支護體，能更好承受較大的變形應力。

另一個要說明的問題是，在打完徑向錨桿后，也可鋪設金屬網，這樣可以相應增大錨桿托板的面，從而改變了原來的四壁的點錨固，為全面積錨固擠壓，在錨桿長度相同、密度相同的情況下，增大擠壓加固拱的厚度，提高工程的抗破壞力。

在實際施工時，在錨噴后，即釋放圍巖大部分壓力的柔性支護后，再內置拱型槽鋼，然后用充填混凝土，形成很強剛性支護，阻止了工程圍巖的變形。

5 結論

（1）采用超前錨桿的施工工藝，用淺孔鑿巖設備鉆，一個小班可鉆3.5 m的孔10～15個，與其他超前支護方式比，無論在工時和材料消耗方面，都是經濟的，并且安全可靠性強。

（2）在錨噴柔性支護后，然后內置拱形槽鋼，進行壁后充填等剛性支護，既釋放了一部分壓力，又阻止了巷道的變形。經成巷三月后監測，該破碎帶斜坡道的變形量只有0.01 m。

（3）用超前短錨桿，縮小錨桿間距的聯合支護方法，可降低支護成本，確保安全、提高巷道成巷速度。