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2010年一级建造师铁路工程辅导：锚喷支护技术及其工程应用

来源：一级建造师考试网收藏本页 2010/9/14 http://www.jzsedu.org/

锚喷支护是喷射砼、锚杆以及钢筋网（或钢纤维）用于围岩支护的总称。随着围岩稳定程度的不同，它们可以单独设置，也可以综合运用。当围岩稳定性较好时，可以采用锚杆支护或喷射砼支护；当围岩稳定性较差时，可以采用锚网喷联合支护。
    目前，锚喷支护理论日益完善，但在实际施工实践中，理论成果运用不足，普及知识还须加强。本文阐述了锚喷支护在海军1206工程中应用经验，希望对其它工程建设有参考作用。
    1  锚喷支护的基本构造
    1.1  喷射砼
    喷射砼是将符合要求的砂、碎石、水泥等按一定比例混合放在喷射机中，借助高压气流喷射（加水）到岩体表面凝固而成的。喷射砼不仅能够隔绝空气，防止围岩风化，而且可以作为结构物承受荷载，从而起到保护围岩稳定的作用。
    喷射砼分为干喷和湿喷两种，喷射砼的标号不应低于C15，通常应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且强度等级不应低于32.5MPa。为了尽快获得强度，及早向围岩提供支护力，通常都在混合料中加入一定数量（通过试验确定）的速凝剂。
    喷射砼喷射作业前的准备工作应达到规范要求，通常都采用分层喷射的方法，每次喷射的厚度应遵守设计要求或规范要求。
    后一次喷射应在前一层砼终凝后进行，只要将喷射表面冲洗干净，先后喷射的两层砼一般都能粘结良好，不影响其受力性能。喷射作业紧跟开挖工作面时，砼终凝到下一循环放炮的时间，不应少于3小时。
    为了提高支护的承载能力，也可以在喷射砼中设置钢筋网，称为网喷支护。通常沿洞室横向布置直径较大的受力钢筋，沿纵向布置直径较小的构造钢筋。钢筋网应随岩面铺设，并与锚杆联结牢固，防止喷射砼时震动。
    近年来，钢纤维喷射砼技术发展较快。在喷射砼中掺入钢纤维或玻璃纤维以取代钢筋网，工艺简单，施工方便，既节约劳动力和时间，又能够提高抗拉强度，增大结构韧性，改善抗冲击荷载的性能，可能成为今后发展的一种趋向。
    1.2 锚杆支护
    锚杆支护是在岩石中钻孔，并在其中固定各种材料或形式的锚杆，用来加固和支护围岩的一种是形式。它和喷射砼一起，广泛使用在地下工程中。
    锚杆的种类很多，本文重点介绍钢筋砂浆全长锚固锚杆（简称砂浆锚杆）。锚杆杆体钢筋宜采用Ⅱ、Ⅲ级钢，钻孔直径为28～32mm时，宜采用Q235钢筋。杆体直径一般为16～32mm。固结锚杆的水泥砂浆强度等级不应低于M20,锚固力必须满足设计要求。
    锚杆通常成梅花形布置，间距不宜大于杆体长度的二分之一。锚杆一般应与主结构面垂直或尽可能有较大的交角。当主结构面不明显时，则沿周边径向布置。
    砂浆锚杆又有两种注浆方法。其一，在钻孔中先灌注水泥砂浆，然后插入锚杆；其二，在钻孔中先安设杆体，然后用真空法压注水泥砂浆。无论采用那一种注浆方法都必须保证砂浆在钻孔中充填饱满。砂浆锚杆的承载能力取决于钢筋与砂浆间的握裹力和砂浆与钻孔岩壁间的粘结力，它与钢筋的类型、直径以及锚杆的锚长度等因素有关，一般都由试验直接测定。
    2 锚喷支护的作用机理
    锚喷支护的基本原理就是把作为荷载看待的围岩转化成能够承受外荷的一种结构（岩石结构），而把衬砌（人工结构）转变成扶持围岩稳定的一种支护措施。锚喷支护和围岩粘结在一起，形成一个统一体，二者互相依存，彼此制约，共同变形，联合受力，而真正起作用的是围岩。
    和模注式衬砌相比，锚喷支护特点如下：
    (1)工艺简单，操作方便，能在爆破后几小时内及时加固围岩；
    (2)和围岩紧密连接共同工作，直接提供径向和切向抗力；
    (3)能够根据需要在不同时段分层构筑；
    (4)厚度薄，刚度小，具有较大的韧性。
    它的作用机理可以从以下几方面来认识：
    2.1 锚喷支护能够积极保持和提高围岩的二次强度。
    锚喷支护的及时性和密贴性，在保持和提高围岩二次强度方面有着特别积极的作用。
    首先，在洞室开挖后的短时间内，喷射砼能够及时封闭围岩，隔绝大气对围岩的风化作用，防止围岩二次强度急剧降低，特别是对那些易于风化、解体的软弱围岩更加重要，它是保持和发挥围岩自稳能力的关键。另外，以高压射流形式喷射的砼，一部分砂浆渗入岩体结构面中，使互不联系或联系较弱的岩块胶结在一起，加强了围岩的整体性，提高了岩块间的抗剪能力。
    掺加速凝剂的喷射砼很快产生早强，能在软弱围岩局部破坏前及时提供支护力，限制围岩变形发展，使岩体结构面中的粘结力最大限度地保持不变，以维护围岩的整体稳定。
    穿过岩体结构面的锚杆，既起到一定的悬吊作用，又具有整体加固的效果。由于锚杆制约围岩变形，岩体结构面间的压密程度增加，摩阻力加大。锚杆本身的抗拉抗剪能力，能防止岩块松动和滑移。
    喷射砼和锚杆提供的支护抗力，改善了围岩的受力条件，使接近二维的受力状态又向三维受力状态转化，大大提高了围岩的二次强度。从稳定围岩的角度分析，必须注意及时支护，支护的作用主要是针对那些暂时尚未滑移塌落但又难以长期自稳的岩块，在这些岩块周边上的粘结力和摩阻力急剧降低之前进行支护，就可以最大限度地利用围岩中尚存的那一部分强度，以达到最经济的支护效果。这样，既遏制了可能最先出现的那些局部破坏，也有利于维持洞室的整体稳定。     2.2 锚喷支护能够使围岩的二次应力向有利的方向调整
    围岩二次应力的特点是径向应力解除或减小，切向应力成倍增加而且增高的范围主要集中在洞室周边，成为洞室失稳破坏主要原因。因此，调整二次应力的关键，除增大径向抗力外，还在于缓和切向应力的集中程度。锚喷支护在这方面有着突出的优点，由于它能保持和提高围岩的二次强度，就限制和延缓了围岩的破坏过程，为二次应力的调整争取时间。锚喷支护能够利用自身的柔性来适应围岩的蠕变。在蠕变过程中，喷层又以越来越大的径向抗力和切向抗力来支护围岩，使变形速度进一步减慢，为充分利用围岩的塑性创造了条件。一级建造师培训www.jzsedu.org/school/
    围岩的塑性使应力不断地随时间进行调整，使二次应力的分布由过度集中向平缓转化。随着二次应力向深部调整转移，塑性区的范围不断增大，稳定洞室所需要的支护力相应降低，从而减轻锚喷支护的负担。
    洞室开挖变形过程实质上是岩体内部能量进行释放再分配的过程。岩体的破坏是过度集中的能量急剧释放的一种形式。洞室开挖完后，部分弹性能迅速释放，剩余的能量集中于洞室周边围岩中。锚喷支护的作用是：利用它的及时性争取时间，利用它的柔性既提供一定的支护力，又使围岩在约束条件下缓慢变形，通过变形有节制地继续释放一部分能量，通过塑性将另一部分多余能量转移到深部岩体。能量的释放和转移过程就是二次应力的调整和重分布过程。
    2.3  锚喷支护具有良好的受力状态
    锚喷支护的密贴性、柔性和可分性，大大改善了它本身的受力状态，这是模注式衬砌难以比拟的。
    锚喷支护和围岩紧密连接，二者相互提供粘滞力，彼此制约，共同变形，支护有助于围岩的稳定，围岩改善了支护的受力状态。在围岩和支护共同工作中，柔性支护处于极有利的地位。一方面，柔性支护易于变形，作用其上的变形压力变小；另一方面，在相同的荷载作用下，柔性支护的内力总比刚性支护要小得多。因此，当锚喷支护和围岩共同承载时，支护设计柔性大些，可以更好地发挥围岩的支撑能力。
    分层喷射或锚固对支护内力的益处，更是其它一般结构所不具备的。对一般结构来说，材料、形式、尺寸一定时，在外力作用下，会产生一定的内力（拉应力、压应力或剪应力），这就是所谓的单一应力状态。锚喷支护分层喷射或锚固，各工序有时间间隔，间隔期内围岩的变形压力都相应发展变化。在这种结构厚度和荷载大小都发生变化的情况下，喷层中的应力状态必然随时间而变化，形成了复合应力状态，从而提高了结构的支护能力。
    在实践中，初喷层厚度掌握不好，有时会出现裂隙现象，这正是初喷层材料强度被充分利用的一种表现，如果及时进行补喷，喷层的应力状态得到调整，不仅可以阻止裂隙的发展，甚至可以使裂隙重新闭合

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