掛網錨噴支護在圍巖隧洞支護中的應用

阿拉坦吐力古爾

（新疆塔城地區魯斯臺草原生態修復工程建設管理局，新疆 塔城 834700）

1 引言

隨著中國經濟的快速發展，水利水電工程建設成為當前社會發展的重點方向，其中新建水電站項目中所涉及的輸水隧道工程施工過程中經常存在圍巖變形的情況，其形成原因通常是由于高地應力環境中巖體中能量通過應變能釋放所導致，而在圍巖開挖后自穩時間通常較短，將會產生較為顯著的圍巖流變效應，此階段圍巖無法得到有效的支護將會導致圍巖變形的發展，甚至發生侵入隧道開挖凈空以及支護損毀的情況。目前新疆地區水利工程中輸水隧道工程的安全施工對于工程整體而言意義頗深，就目前輸水隧道的開挖現狀來看，采用科學、合理的支護結構形式，對于確保水利工程中輸水隧道工程施工的安全以及圍巖的穩定性具有重要的作用。

2 工程概況

木扎提河引水建設工程位于新疆拜城縣境內，工程所在區域西北高、東南低，海拔高度為1 200～1 800 m，區域地貌形成以第三紀末開始的新構造運動的抬升作用及裙皺作用為主導，以第四紀以來強烈的干燥侵蝕，流水侵蝕堆積，風的吹蝕為改造營力，形成現在的地貌形態。根據地貌的成因及形態將此區域地貌分為四種：中、低山地貌，低山丘陵地貌，木扎提河沖洪積平原地貌，木扎提河谷地貌。

木扎提河引水建設工程內容主要包括管線及隧道施工項目，根據現場的地質勘探結果顯示項目中輸水隧道區域圍巖地質不理想，其巖性為粉砂巖和泥質巖，地質勘探結果顯示隧道洞身為Ⅲ類圍巖，并具有斷層破碎帶，而隧道進出口為Ⅳ類圍巖，原設計為單一支護形式，但實際效果不理想，因此改用錨網噴聯合支護，從而提升圍巖結構的穩定性。

3 工程支護設計分析

針對工程中輸水隧道頂部巖體松動利用錨桿加固可有效防止折斷、冒落的現象；通過噴射混凝土則可將圍巖裂隙進行密封，阻絕水流滲透；利用鋼筋網可以在使用錨桿固定后更對圍巖進行加固處理，并通過將單一的錨桿進行關聯從而組成加固防護網絡，將圍巖的應力分散。此外，由于錨噴網聯合支護所使用材料的特性，使其具有較好的柔性，能夠適應圍巖的變形，使其能夠在維持圍巖強度的同時滿足在較差的地質條件下的支護需求。

3.1 錨網噴注漿加固工藝分析

在進行輸水隧洞施工過程中通常會造成地質應力平衡受到破壞，并且隨著開挖等施工的進行，將逐漸改變圍巖的應力分布狀態，當局部區域的應力分布較為呈現為集中且其數值大于圍巖強度時將會加劇圍巖彈塑性變形，且其中部分應力將會得到釋放，但此狀態下圍巖仍具有承載力強度，若及時實施有效支護則仍能夠產生較好的支護效果。

錨網噴注漿加固工藝將圍巖作為施工的主要基礎，通過將其作為連續介質的形式實現改變應力分布狀態的目的，施工的最佳時間節點通常為隧道發生塑形變形并且釋放能量的過程中，主要的方式為在節理發生閉合后將形體分解的圍巖采用錨網噴注漿加固工藝處理，使其表面形成薄壁混凝土結構，從而重新形成統一的整體，并且在圍巖自承作用下起到更好的支護效果。

3.2 錨桿選型

在實際工程中發現，錨桿的選擇將會對錨桿支護效果產生一定的影響，其中錨桿的承載性能、規格以及布設方式、安裝形式以及圍巖地質條件等均是重要的影響因素，因此在進行錨桿支護方案設計時需要涉及各個相關因素：如錨桿在具有足夠強度情況下才能保障其在圍巖應力改變時，既能產生良好的穩定效果又能避免錨桿發生破裂；按照懸吊理論計算錨桿的長度、錨桿間排距計算（應確保錨桿布設間距能夠保障圍巖在錨桿兩端作用下形成有效的壓力拱），錨桿的安裝時不可與節理裂隙面相平行避免發生支護失效；結合圍巖地質條件調整支護施工工藝，選取適用規格的錨桿以發揮出其支護作用。目前工程建設中所使用的錨桿類型較多，因此需要根據工程項目的實際情況進行錨桿參數的計算及選型，案例工程中采用錨桿支護采用快速施工技術，并根據施工情況選擇適當調整墊片與錨桿頭的數量，可有效地增加實際工程中的支護效果。案例工程中所采用的錨桿以及幫錨桿規格為?22 mm、長度2 m，間排距為1 m。

3.3 噴射混凝土及掛鋼筋網實施方案

工程中支護施工以《水工隧洞設計規范》為標準，并采用最小覆蓋厚度，表示為：

式中：γw表示為水的重度（單位：kN/m3，此研究中取值為10 kN/m3）；γr表示為巖體重度，（單位：kN/m3，此研究中取值為23 kN/m3）；D表示為最小覆蓋厚度（單位：m）；H表示為最大內水壓力水頭（單位：m，此研究中取值89 m）；K表示為施工中經驗系數（此研究中K取值為1.15）；α表示為坡面傾角（當α＞45°時取值為45°）。

通過計算得到隧道最小的覆蓋厚度為60.23 m，對于工程中土層覆蓋厚度低于此計算結果的則需要開展特殊的工程處理：案例工程中土層厚度不達標的洞段主要集中在（0+603.72～0+756.65 m），經過協商研究后決定該洞段增加內襯鋼管，其他洞段使用混凝土襯砌；工程中混凝土型號為C25；由于隧道存在不同類型的圍巖，因此針對各類型圍巖采用相對應的支護方案（如表1所示）。

表1 不同圍巖分類對應的支護措施表

4 輸水隧洞圍巖穩定性分析

此研究中采用仿真軟件Flac 3d對案例工程隧洞圍巖的進行穩定性分析：對不同工況（實施錨噴/未實施錨噴）下的圍巖塑性進行模擬分析；繪制圍巖灌漿圈最大/最小應力分布圖；一次開挖成巷后隧道壁施加應力擾動載荷，探究圍巖穩定狀態。洞身段支護結構如圖1所示、材料力學參數如表2所示。

表2 施工中所用材料力學參數表

圖1 洞身段支護形式示意圖

4.1 圍巖應力

根據案例工程中實際的地質情況選擇平衡拱原理作為圍巖應力計算方式，當隧道開挖后頂拱區域的巖石在上部壓力作用下將造成結構的垮落，從而構成拱形結構，其高度與垮落的持續時間具有直接聯系。此時圍巖的壓力主要來源為平衡拱與襯砌之間破碎巖體的自重，使用公式可以表示為：

式中：p表示為巖體密度（kg/m3）；g表示重力加速度（m/s2）；

結合隧道圍巖松動圈支護理論，工程中Ⅲ類、Ⅳ類圍巖的平衡拱高度分別取值為150、200 cm；經過計算Ⅲ類圍巖平衡拱半跨為450 cm、拱面積為963.44 cm2；Ⅳ類圍巖平衡拱半跨為486 cm、拱面積實測為1 082 cm2。

通過上述參數計算可以得到Ⅲ類、Ⅳ類圍巖的平衡拱圍巖壓力，即：

4.2 隧洞混凝土襯砌段結構受力分析

襯砌段中主要荷載是由山體壓力、襯砌重量以及水壓力所構成，襯砌內力力學參數如表3所示。

表3 隧洞混凝土襯砌段結構內力力學參數表

4.3 構建模擬計算網格

研究中所構建的模擬計算網格為實際結構的一半，大于模擬邊界至隧洞距離3倍，邊界約束條件設置為上邊界自由及單連桿約束，研究中所構建的網格如圖2所示。

圖2 計算網格圖

4.4 模擬結果及穩定性分析

隧道在未錨噴（工況一）以及錨噴（工況二）狀態下的屈服區分布情況、灌漿圈最大/最小主應力分布情況分別如圖3、圖4所示。

圖3 隧道不同工況下屈服區分布示意圖

圖4 灌漿圈最大/最小主應力分布情況圖

根據上述分析結果顯示，隧道斷面圍巖強度較低，且巖性狀態不佳，屈服區主要存于頂底板60°區域，深度為0.62～1.64 m，為防止洞壁周圍發生較大面積的屈服失穩，應及時采用加錨噴灌漿支護。工程案例采用錨噴灌漿支護施工后有效地提升了圍巖強度，并且在相等的應力下圍巖產生的屈服面積有效地減少，在實際施工中能夠產生極為理想的穩定效果。

5 結論

錨噴網聯合支護技術在隧道工程施工中具有顯著的效果，能夠提升支護結構的穩固性，對整體支護結構起到較好的支護作用，因其優異的特性必將使其成為在今后隧道加固工程中的主要應用技術。此研究結合實際工程案例展開對錨噴網聯合支護技術的應用分析，驗證了錨噴網聯合支護技術對提高圍巖穩定性的效果，因此，在未來的隧道工程施工中強化錨噴網聯合支護技術的研究與發展，可以不斷提升工程結構的強度與穩定性，能夠工程建設的安全性提供有力的支持。