平洞支护施工

2　平洞支护施工

本章导读：

地下工程施工主要包括掘进、支护两大工序。掘进是进行岩体破碎，支护是为了防止岩体破碎。为保证工程的安全使用，围岩不稳定时，掘进后必须进行及时、有效的支护。本章主要介绍地下工程中常用的支护形式和施工方法。

●主要教学内容：地下工程中常用的各种支护形式、施工工艺与方法，包括棚式支架、锚喷支护、模筑混凝土衬砌和新奥法施工。

●教学基本要求：掌握地下工程中的常用支护形式和支护结构，主要的支护参数，支护施工工艺和常用的支护设备；了解新奥法的基本原理。

●教学重点：地下工程支护有很多种形式，目前最常用的是锚喷支护和混凝土衬砌支护。因此，本章要求重点讲授锚喷支护和混凝土衬砌的工艺与方法。

●教学难点：一是各种锚杆形式和结构，除了照片外，应配备一定数量的实物或模型，以增加学生的感性认识；二是新奥法的基本概念和基本原理，应弄清新奥法与矿山法的关系及与锚喷支护的关系。

●网络资讯：网站：www.cnksjxw.com。关键词：喷射混凝土，锚杆，棚式支架，巷道支架，模筑混凝土，新奥法。

2.1　棚式支架

棚式支架按地下工程的断面形状分，有梯形支架、矩形支架和拱形支架及各种不规则支架；按支架材料分，有木支架、金属支架、钢筋混凝土支架、钢管混凝土支架等。

2.1.1　木支架

木支架的基本结构如图2.1所示，它由顶梁、棚腿以及背板、撑柱、木楔等组成。顶梁主要承受顶板的垂直压力和侧帮的横向压力，棚腿主要承受轴向压力和侧向压力，背板将岩石压力均匀传递给顶梁与棚腿，并能阻挡岩石垮落。木楔的作用是使支架与围岩紧固在一起，撑柱的作用是加强支架的稳定性。根据围岩的稳定程度，背板可密集或间隔布置。支架的平面应与平洞的纵轴相垂直。

图2.1　木支架
1—顶梁；2—棚腿；3，6—木楔；4—背板；5—撑柱

木支架的特点是质量小，加工容易，架设方便，特别适应于多变的地下条件，但其强度低，易朽易燃，不能阻水和防止围岩风化。一般用于地压不大、服务年限不长、断面较小的工程中，有时也用作岩土体开挖中的临时支架。

2.1.2　金属支架

金属支架的主要形式有梯形和拱形两种，如图2.2所示。其特点是强度大，体积小，坚固、耐久、防火，在构造上可以制成各种形状的构件。虽然初期投资大些，但工程维修量小，并且可以回收复用，最终成本还是经济的。

图2.2　金属支架
1—顶梁；2—棚腿；3—底座；4—U形卡子；5—垫板；6—螺母

1）梯形金属支架

常用18～24 kg／m钢轨或16～20号工字钢制作，由两腿一梁构成。型钢棚腿的下端焊有一块钢板，以防止陷入底板。梁腿连接要求牢固可靠，安装、拆卸方便。

2）拱形型钢支架

拱形金属支架又叫钢拱架，通常用工字钢、H型钢、U型钢、钢轨、钢管等型钢制作。工字型钢架加工较简易，使用方便，由于截面纵横方向不是等刚度和等强度而容易失稳，在较大跨度中使用有困难，适用于跨度较小的矿山巷道或隧道施工支护。H型钢虽克服了工字型钢架的缺点，但自重大、费钢材多、安装较困难，所以使用不广。钢管钢架比H型钢架轻便，但造价较高。

对于围岩变形量大的地下工程，多采用U型钢制作成可缩性支架[图2.2（b）]。它可避免使用刚性金属支架的大量折损。这种可缩性支架由三节（或四节）曲线形构件组成，接头处重叠搭接0.3～0.4 m，并用螺栓箍紧（箍紧力靠螺栓调节）。通常取顶部构件的曲率半径r小于两帮棚腿的曲率半径R，顶部构件曲率半径逐渐增大，当其和棚腿的曲率半径R相等，并且沿搭接处作用的轴向力大于螺栓箍紧所产生的摩擦力时，构件之间便相对滑动，支架即产生可缩性。这时，围岩压力得到暂时卸除，支架构件在弹性力作用下又恢复到原来r<R的状态，直到围岩压力继续增加至一定值时，再次产生可缩现象，如此周而复始。这种支架的可缩量可达0.2～0.4 m。在地板压力较大时，可制作成封闭型，在底板加反拱型支撑构件。

2.1.3　预制钢筋混凝土支架

钢筋混凝土支架一般用于梯形断面的地下工程，其结构形式与木支架相同，只是材料不同。这种支架的构件在地面工厂预制，故构件质量高。它可紧跟工作面架设，并能立即承受地压，支护效果良好，但其缺点是构件太重、用钢量多、成本高以及可缩性不够。这种支架分普通型和预应力型两种。预应力钢筋混凝土支架进一步提高了钢筋混凝土构件的强度，缩小了支架断面尺寸，同时节约材料，减轻构件自重，降低支架成本。

2.2　锚喷支护

2.2.1　锚杆支护

锚杆是用金属、木质、化工等材料制作的一种杆状构件。锚杆支护是首先在岩壁上钻孔，然后通过一定施工操作将锚杆安设在地下工程的围岩或其他工程体中，即能形成承载结构、阻止变形的围岩拱结构或其他复合结构的一种支护方式。

实践证明，锚杆支护效果好、用料省、施工简单，有利于机械化操作，施工速度快。但是锚杆不能封闭围岩防止围岩风化，不能防止各锚杆之间裂隙岩石的剥落。因此，在围岩不稳定情况下，往往需配合其他支护措施，如挂金属网、喷射混凝土等，形成联合支护形式。

1）锚杆作用原理

（1）悬吊作用

悬吊作用理论认为是通过锚杆将不稳定的岩层和危石悬吊在上部坚硬稳定的岩体上，以防止其离层滑脱（图2.3）。若顶板中没有坚硬稳定的岩层或顶板软弱岩层较厚、围岩破碎区范围较大，势必无法将锚杆锚固到上面的坚硬岩层或未松动岩层时，悬吊理论则难以适用。

图2.3　锚杆的悬吊作用

（2）组合梁作用

组合梁作用是指把层状岩体看成一种梁（简支梁），没有锚杆时，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪能力不足，各层岩石都是各自单独地弯曲。若用锚杆将各层岩石锚固成组合梁，层间摩擦阻力将大为增加，从而增加了组合梁的抗弯强度和承载能力。如图2.4所示的试验模型较好地诠释了这种作用，人们曾将这种作用形象地比喻为“纳鞋底”作用。

图2.4　锚杆支护的组合梁作用原理

（3）挤压加固拱作用

该作用认为，对于被纵横交错的弱面所切割的块状或破裂状围岩，由于锚杆挤压力的作用，在每根锚杆周围都形成一个以锚杆两头为顶点的锥形体压缩区，各锚杆所形成的压缩区彼此重叠，便形成一条拱形连续压缩带（组合拱），如图2.5所示。

（4）三向应力平衡作用

地下工程的围岩在未开挖前处于三向受压状态，开挖后围岩则处于二向受力状态，故易于破坏而丧失稳定性。锚杆安装以后，相当于岩石又恢复了三向受力状态，从而增大了它的强度。

上述锚杆的支护作用原理在实际工程中并非孤立存在，往往是几种作用同时存在并综合作用，只是在不同的地质条件下某种作用占主导地位而已。

图2.5　挤压加固拱作用
1—锥形体压缩区；2—连续压缩带（组合拱）

2）锚杆种类

锚杆种类繁多，形式不一，分类方法也各不相同，一般按锚固形式、锚固原理和锚杆材料分类较多。按锚固形式分有端头锚固和全长锚固两大类，锚固力集中在岩体内一端的锚杆，称为端头锚固锚杆；锚固力分布在锚杆全长范围内时称为全长锚固锚杆。常用的端头锚固式锚杆有倒楔式、楔缝式、快凝水泥式、树脂药包式、胀壳式等；全长锚固式锚杆有砂浆式、管缝式、树脂药包式、内注浆式等。按锚固原理分，锚杆有机械锚固、粘结式锚固和自锚固三种；按材料分有金属锚杆、木质锚杆和化工材料锚杆。工程中以金属锚杆为多。

为能满足围岩变形的需要，还有一些具有一定伸长量、可拉伸让压的锚杆，如可控式金属伸长锚杆、管缝式可拉伸锚杆、锯齿型胀壳让压锚杆、套管摩擦式伸长锚杆、孔口弹簧压缩式伸长锚杆、蛇形伸长锚杆、杆体伸长锚杆等。

（1）木质锚杆

木质锚杆有木锚杆和竹锚杆，木锚杆的结构如图2.6所示。木锚杆杆体直径一般为38 mm、长1.2～1.8 m。锚杆安装到位后，一般在孔口的锤击作用下，内楔块劈进锚杆体杆端的楔缝，使杆体楔缝两翼与孔壁挤紧而产生锚固力，然后装上垫板，再将外楔块锤入杆尾楔缝，将锚杆固定，从而实现对围岩的支护作用。木锚杆结构简单、易加工、成本低，安装方便，但其强度和锚固力较低，锚固力一般在10 kN左右。

图2.6　木锚杆结构
1—杆体；2—楔缝；3—内楔块；4—垫板；5—外楔块；6—加固钢圈

竹锚杆是用22号铅丝将竹片箍成圆形杆体而成，其锚固方法与木锚杆相同。垫板均用木材制作。竹片锚杆锚固力不够稳定，锚固力略低于普通木锚杆。

（2）金属灌浆锚杆

这种锚杆是在孔内放入钢筋或钢索，再在孔内灌入砂浆或水泥浆，利用砂浆或水泥浆与钢筋、孔壁间的粘结力锚固岩层，如图2.7所示。钢筋灌浆锚杆一般用螺纹钢制作。钢索可用废旧的钢丝绳制作，以节省工程费用。这是一种全长锚固的锚杆，其特点是不能立即承载，在破碎围岩处不宜使用；用砂浆锚固时，锚固力不大。

图2.7　金属灌浆锚杆

灌浆水泥应选用42.5号以上的普通硅酸盐水泥。灌注砂浆时，要用干净的中粗黄砂，水泥、黄砂配合比采用1∶2或1∶2.5，水灰比以0.38～0.45为宜。灌注水泥浆时，水灰比可为0.5～0.8。灌注水泥浆宜用于下向锚孔（不需止浆），如底板锚杆。

（3）金属倒楔式锚杆

这是一种端头锚固的锚杆，其构成如图2.8所示。固定楔与钢杆体浇铸在一起，杆体直径14～22 mm。安装时把活动倒楔（小头朝向孔底）绑在固定楔下部，一同送入锚杆眼的底部，然后用一专用的锤击杆顶住活动倒楔进行锤击，直到击不进去为止。最后套上垫板并拧紧螺帽。

图2.8　金属倒楔式锚杆
1—铸铁固定楔；2—铸铁活动倒楔；3—金属杆体；4—金属垫板；5—螺帽

这种锚杆理论上可以回收复用，安装后可以立即承载，它结构简单，易于加工，设计锚固力为40 kN左右。

（4）锚固剂粘结锚杆

这种锚杆多为端头锚固型，其原理是在孔内放入锚固剂，利用锚固剂把锚杆的内端锚定在锚孔内。根据所使用的锚固剂不同，分为树脂锚杆、快硬水泥锚杆和快硬膨胀水泥锚杆等，目前多用树脂锚杆（图2.9）。树脂锚杆由杆体和树脂锚固剂组成，使用时先将锚固剂卷放入孔内，再用专用风动工具或凿岩机将锚杆推入锚孔，边推进边搅拌，在固化剂的作用下，将锚杆的头部粘结在锚杆孔内，然后在外端装上盖板，拧紧螺帽即可。它凝结硬化快，粘结强度高，在很短时间内（5～10 min）便能达到很大的锚固力。以往用的圆钢杆体、麻花状锚固头式加工麻烦，成本高，目前已改为直接用螺纹钢筋作杆体，靠钢筋上的螺纹直接起到搅拌和增大锚固力作用，而且外端头也不再车螺纹，利用钢筋本身的螺纹配上相应的螺帽即可，加工和使用十分方便。

图2.9　树脂锚杆

快硬水泥锚杆和快硬膨胀水泥锚杆的杆体结构与树脂锚杆相同，只是用水泥卷代替了树脂卷，使用前需先将水泥卷在水中浸泡2～3 min。这种锚固剂在1 h后锚固力可达60 kN。水泥药卷材料来源广，锚固力较高，成本约为树脂锚固剂的1／4。

（5）管缝式锚杆

管缝式锚杆又称开缝式或摩擦式锚杆，属全长锚固型自锚式锚杆。带纵缝的管状杆体由高强度钢板卷压而成（图2.10），杆体材料为屈服应力> 350 MPa的16Mn和20MnSi钢，管壁厚2.0～2.5 mm，管径38～41.5 mm，开缝为10～14 mm。使用时用凿岩机强行压入比杆径小1.5～2.5 mm的锚孔即可。为安装方便，打入端略呈锥形。

该种锚杆锚固力60 kN以上，结构简单、制作容易、安装方便、质量可靠。

图2.10　管缝式锚杆

（6）中空注浆锚杆

这是一类可用于注浆的锚杆。在破碎岩体中施工时，为了加固围岩，利用锚杆进行注浆，形成锚注支护形式。这类锚杆形式较多，如普通式、自进式、半自进式、胀壳式、组合式等，部分形式的注浆锚杆如图2.11所示。自钻式锚杆在强度很低和松散的地层中钻进后不需退出，并可利用中空杆体注浆。胀壳式中空锚杆是在钻孔完成后安设，前头带有可张开的钢质锚头，锚头在锚杆顶紧状态下张开，与孔壁贴合；外端有塑料止浆塞，防止注浆时漏浆。注浆锚杆也可使用树脂锚固剂进行锚固，其锚固方法与树脂锚杆相同。

图2.11　中空注浆锚杆

（7）锚索

近年来，锚索在地下工程中得到了较多的应用。当围岩破碎范围大，普通锚喷支护难以控制围岩变形时，使用锚索可收到良好效果。隧道用锚索一般为由多根高强钢丝组成的单股钢绞线，如图2.12所示。锚索直径28～32 mm，长5～15m，用树脂锚固剂锚固，锚固长度1 m以上。锚索大多布置在洞室顶部，每隔3～5 m布置一排，每排布置3～5根。

锚索安装工艺：用锚索钻机钻孔；将树脂药卷装入锚孔内，用锚索机旋转锚索，并向孔内推进，将孔内的树脂药卷绞碎；装上托盘、锚具和张拉器，进行张拉，给锚索施加预应力；达到预定预应力要求时卸载，锚头锁具自动将锚索锁住；用切割器将露出孔外的多余锚索切去。

（8）化工材料锚杆

利用化工材料制作的锚杆主要有普通PVC塑料锚杆、双抗（抗静电、阻燃）塑料锚杆、塑料胀壳式锚杆、玻璃纤维强化塑料锚杆（玻璃钢锚杆）、TKM型全螺纹纤维增强树脂锚杆等。这类锚杆的质量较小，易于切割，节约钢材，成本低，抗腐蚀，使用范围广，锚固力能够满足要求，尽管目前使用尚不普遍，但是值得今后大力推广应用。

图2.12　锚索结构图
1—钢绞线；2—锚具；3—垫板；4—钢托板；5—挡片；6—树脂；L1—张拉端；L2—自由端；L3—锚固端

3）锚杆支护技术参数

锚杆支护技术参数主要包括锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距、锚杆安装角度、锚固力等，其中长度、间排距为主要设计参数，其确定方法有经验法、理论计算法、数值模拟法和实测法等，应用较多的是经验法和计算法。

（1）锚杆直径

锚杆直径d主要依据锚杆的类型、布置密度和锚固力而定，常用锚杆直径为16～24 mm。

（2）锚杆长度

依据国内外锚喷支护的经验和实例，常用锚杆长度为1.4～3.5 m。对于跨度小于10 m的洞室，锚杆长度L取以下两式中的较大者：

在层状顶板中，按悬吊作用，锚杆的长度为：

（3）锚杆间距

锚杆间距D取以下两式中较小者：

依据地质条件，按照选定的排距，锚杆通常按方形或梅花形布置。方形布置适用于较稳定岩层，梅花形适用于稳定性较差的岩层。

锚杆支护参数设计还可以根据锚杆锚固力的大小，参照锚杆材质、锚固方式、锚杆结构及长度、锚杆直径以及隧道洞室支护要求而定。

4）锚杆支护施工

（1）锚杆施工要求

①锚杆应均匀布置，在岩面上排成矩形或菱形，锚杆间距不宜大于锚杆长度的1／2，以有利于相邻锚杆共同作用。

②锚杆的方向，原则上应尽可能与岩面垂直布置，但钻孔不宜平行于岩层层面；对于倾斜的成层岩层，锚杆应与层面斜交布置，以便充分发挥锚杆的作用。

③锚杆眼深必须与作业规程要求和所使用的锚杆相一致。

④锚杆眼必须用压气吹净扫干孔底的岩粉、碎渣和积水，保证锚杆的锚固质量。

⑤锚杆直径应与锚固力的要求相适应。锚固力应与围岩类别相匹配。

⑥保证锚杆有足够的锚固力。

（2）锚杆施工机械

锚杆施工机械主要是钻孔机械、安装机械、灌浆机械等，应根据具体的岩层条件和锚杆种类选择合适的施工机具。地下工程的断面较小、锚杆较短时，一般使用气腿式凿岩机钻孔，锚索孔一般采用旋转式专用锚索钻机。

不同的锚杆有不同的安装方式和机具，如风钻、煤电钻、风动扳手、锚杆钻机等。树脂或快硬水泥锚杆的推进，一般用手持式风动锚杆钻机。锚杆孔深度大时，需使用专用锚杆打眼安装机。

（3）锚杆施工质量检测

锚杆质量检测包括锚杆的材质、锚杆的安装质量和锚杆的抗拔力检测。材质监测在实验室进行。锚杆安装质量包括锚杆托盘安装质量、锚杆间排距、锚杆孔深度和角度、锚杆外露长度和螺帽的拧紧程度以及锚固力。其中有的应在隐蔽工程检查中进行。锚杆托盘应安装牢固、紧贴岩面；锚杆的间排距的偏差为±100 mm，喷浆封闭后宜采用锚杆探测仪探测和确定锚杆的准确位置；锚杆的外露长度应≤50 mm。

锚杆质量检测的重要项目是抗拔力测试。锚固力（锚固力与抗拔力有一定区别。抗拔力是个广义指标，包括锚杆的拉断、外部丝扣的滑脱等。）达不到设计要求时，一般可用补打锚杆予以补强。锚杆锚固力（抗拔力）采用锚杆拉力计进行检测（图2.13）。试验时，用卡具将锚杆紧固在千斤顶活塞上，摇动油泵手柄，高压油经高压胶管到达拉力计的油缸，驱使活塞对锚杆产生拉力。压力表读数乘以活塞面积即为锚杆的锚固力，锚杆的位移量可从随活塞一起移动的标尺上直接读出，其位移量应控制在允许范围内。各种锚杆必须达到规定的抗拔力。

图2.13　锚杆锚固力检测
1—胶管接头；2—空心千斤顶；3—高压胶管；4—标尺；5—锚杆；6—压力表；7—手摇油泵

2.2.2　喷射混凝土支护

喷射混凝土支护是将一定配比的混凝土，用压缩空气以较高速度喷射到洞室岩面上，形成混凝土支护层的一种支护形式。

1）喷射混凝土作用原理

（1）充填粘结作用

高速喷射的混凝土充填到围岩的节理、裂隙及凹凸不平的岩面上，把围岩粘结成一个整体，大大提高了围岩的整体性和强度。

（2）封闭作用

当地下工程围岩壁面喷上一层混凝土后，完全隔绝了空气、水与围岩的接触，有效地防止了风化、潮解引起的围岩破坏和强度降低。

（3）结构作用

靠喷射混凝土与围岩之间的粘结力及其自身的抗剪力起到承载作用。喷射混凝土层将锚杆、钢筋网和围岩粘结在一起，构成一个共同作用的整体结构，从而提高了支护结构的整体承载能力。

2）喷射混凝土材料

喷射混凝土材料主要由水泥、砂子、石子、水和速凝剂组成。一些特殊的混凝土尚需掺入相关材料，如喷射纤维混凝土需掺入纤维材料等。

①水泥：应优先选用普通硅酸盐水泥，也可根据工程实际选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰硅酸盐水泥。水泥的强度等级一般不得低于32.5，不得使用受潮或过期结块的水泥。

②砂子：应采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数应大于2.5，含水率以控制在5%～7%为宜，含泥量不得大于3%。

③石子：又叫瓜子片，最大粒径一般不超过15 mm，含泥量不得大于1%。

④水：不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，不得使用污水及pH<4的酸性水和含硫酸盐量按SO4计算超过水重1%的水。

⑤速凝剂：掺入速凝剂的目的是加快混凝土的凝固，提高早期强度，及时提供支护抗力；增加一次喷射混凝土厚度和缩短喷层之间的喷射间歇时间。

速凝剂的掺量，应在使用前做速凝效果试验。一般要求初凝应在3～5 min范围内，终凝不应大于10 min。一般掺量为水泥质量的2.5%～4%。

⑥喷射混凝土配合比：与普通混凝土相比，石子含量要少得多，砂子含量则相应增大，一般含砂率在50%左右。一般喷射混凝土的配合比如下：水泥∶砂∶石子为1∶2∶2或1∶2.5∶2；水灰比0.4～0.5。

3）喷射混凝土机具

混凝土喷射机具主要包括喷射机、上料机、搅拌机等，其中最主要的设备是混凝土喷射机。国内混凝土喷射机种类繁多，形式各异，按喷射料的干湿程度分有干喷机、潮喷机和湿喷机三类。干喷机使用最为广泛，但干喷机的粉尘太大，故应大力推广使用潮喷机和湿喷机。

（1）干式混凝土喷射机

使用最多的干式混凝土喷射机为转子式，其体积小、质量小、结构简单、使用和移动方便，其结构如图2.14所示。机器工作时，转子体即旋转体由传动系统带动不断旋转，随旋转体转动的拨料板，将料斗中的干料连续拨入旋转体料腔内。旋转体是喷射机的核心，转体上有14个料杯，当旋转体上的料杯转至主送气管下时，干料即被转入料杯，当料杯旋转到出料弯管口时，料杯内的干料在压缩空气作用下被输送出去。

图2.14　转子型混凝土喷射机
1—料斗；2—电机；3—车架；4—减速箱；5—主轴；6—转子体；7—下座体；8—上座体；9—拨料板；10—定量板；11—搅拌器；12—出料弯管；13—橡胶结合板

（2）潮式混凝土喷射机

潮式混凝土喷射机也多属转子型，型号较多，外形结构与干喷式相仿，如PC5B型混凝土喷射机。该机采用了防粘转子，综合了国内外喷射机的优点，体积小、质量小、作业时粉尘少、回弹率低、易损部件寿命长、使用维修方便。

（3）湿式混凝土喷射机

湿式喷射的主要目的是减少粉尘，国内已有多种产品，如SPZ-6型、TK-961型等。

（4）其他机械

其他机械还有搅拌机、上料机、喷射机械手等，可根据情况选用。

4）混凝土喷射工艺

（1）混凝土喷射方法

喷射混凝土施工，按喷射方法可分为干式喷射法、潮式喷射法和湿式喷射法三种。

干式喷射法的施工工艺如图2.15所示。砂和石子预先在洞外（或地面）洗净、过筛，按设计配比混合，用车辆运到喷射工作面附近，再加入水泥进行拌和，然后用人工或机械将拌料加入喷射机。速凝剂可同水泥一起加入并拌和，现场施工多在喷射机料斗处，一边上料一边添加。水在喷嘴处施加，水量由喷嘴处的阀门控制，水灰比由喷射手根据喷料的流淌情况控制，以不干不淌为宜。

图2.15　干式喷射混凝土系统

干喷法的缺点是粉尘大、回弹多，为此出现了潮式喷射法。潮喷是将集料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘，但大量的水仍是在喷头处加入。潮喷的工艺流程与干喷法相同，喷射机应采用适合于潮喷的机型。

湿喷法基本工艺与干喷法类似，主要区别有三点：一是水和速凝剂的施加方式不同，湿喷时水与水泥同时加入并拌和，速凝剂是在喷嘴处加入；二是速凝剂的形态不同，干喷法用粉状速凝剂，湿喷法多用液体速凝剂；三是喷射机不同，湿喷法一般需选用湿式喷射机。

（2）施工准备

施工现场准备：清理施工现场，清除松动岩块、浮石和墙脚的岩渣，拆除操作区域的各种障碍物，用高压风、水冲洗受喷面。

施工设备布置：做好施工设备的就位和场地布置，保证运输线路、风水电畅通，保证喷射作业地区有良好的通风条件和充足的照明设施。

（3）喷射作业

为了减少喷射混凝土的滑动或脱落，喷射时应按分段（长度不宜超过6 m）分片、自下而上、先墙后拱的顺序操作。喷射机供料应保持连续、均匀，以利于喷射手控制水灰比。

喷射作业时，喷头应正对受喷面呈螺旋形轨迹均匀地移动，以使混凝土喷射密实、均匀和表面光滑平顺。为了保证喷射质量，减少回弹量和降低喷射中的粉尘，作业时应正确控制水灰比，做到喷射混凝土表面呈湿润光泽，无干斑或滑移流淌现象。

喷层较厚时，喷射作业需分层进行，通常应在前一层混凝土终凝后方可施喷后一层。若终凝1 h以后再进行二次喷射时，应先用压气、压水冲洗喷层表面，去掉粉尘和杂物。

5）喷射混凝土的主要工艺参数

（1）工作压力

工作压力是指喷射混凝土正常施工时，喷射机转子体内的压气压力。为降低粉尘和回弹，通常采用低压喷射。一般混合料水平输送距离30～50 m条件下，喷射机的供气压力保持在0.12～0.18 MPa为宜。

（2）水压

为了保证喷头处加水能使随气流迅速通过的混凝土混合料充分湿润，通常要求水压比气压高0.1 MPa左右。

（3）水灰比

理论上最佳水灰比为0.4～0.5，干喷时靠喷射手的经验加以控制，新喷射的混凝土易粘着、回弹量小、表面有一定光泽，说明水灰比适宜。

（4）喷头方向

除喷岩帮侧墙下部时，喷头的喷射角度可下俯10°～15°外，其他部位喷射时，均要求喷头的喷射方向基本上垂直于围岩受喷面。

（5）喷头与受喷面的距离

喷头与受喷面的距离最大为0.8～1.0 m。喷距过大、过小，均可引起回弹量的增大。

（6）一次喷射厚度及间隔时间

分层喷射时，一次喷射厚度应根据岩性、围岩应力、裂隙、隧道规格尺寸，以及与其他形式支护的配合情况等因素确定。在掺速凝剂的情况下，喷射边墙时为70～100 mm，拱部为50～70 mm。分层喷射的合理时间间隔应根据水泥品种、速凝剂种类及掺量、施工温度和水灰比大小等因素确定，一般为15～20 min。

2.2.3　联合支护

锚喷支护是指以锚杆、喷射混凝土为主体的一类支护形式的总称，根据地质条件及围岩稳定性的不同，它们可以单独使用也可联合使用。联合使用时即为联合支护，具体的支护形式依所用的支护材料而定，如锚杆+喷射混凝土支护，称锚喷联合支护，简称锚喷支护；锚杆+注浆支护，简称锚注支护；锚杆+钢筋网+喷射混凝土支护，简称锚网喷联合支护等。

联合支护在设计与施工中应遵循的原则：有效控制围岩变形，尽量避免围岩松动，以最大限度地发挥围岩自承载能力；保证实现围岩、喷层和锚杆之间具有良好的粘结和接触，形成共同体；选择合理的支护类型与参数并充分发挥其功效；合理选择施工方法和顺序，避免对围岩产生过大扰动，缩短围岩暴露时间。

1）锚喷支护

锚喷支护是同时采用锚杆和喷射混凝土进行支护的形式，适用于Ⅲ、Ⅳ类围岩和部分Ⅱ类围岩。它能同时发挥锚杆和喷射混凝土的作用，并且能取长补短，使二者合一，形成联合支护结构，是一种有效的支护形式，因此得到了广泛应用。

2）锚网喷支护

锚网喷支护是锚杆、金属网和喷射混凝土联合形成的一种支护结构。金属网的加入，提高了喷射混凝土的抗剪、抗拉及其整体性，使锚喷支护结构更趋于合理，在较为松软破碎的围岩中得到广泛应用。网片长宽尺寸各为1～2m，网格尺寸不小于150mm×150 mm，网筋直径为5～10 mm。

施工时，将金属网挂在锚杆上并用锚杆盖板压紧。网片的搭接长度不小于200 mm。网片固定后再进行喷射混凝土。岩面平整度较差时，可先初喷一层混凝土后再铺设金属网。

3）喷锚网架支护

对于松软破碎严重的围岩及浅埋、偏压隧道，需在喷锚网的基础上再加入刚度较大的钢拱架，构成喷锚网架联合支护。

图2.16　格栅钢架结构示意图

钢架的纵向间距一般不大于1.2 m，钢架与围岩之间的混凝土厚度不小于40 mm。钢架的截面高度一般为10～18 cm，最大不超过20 cm，且要有一定保护层。为架设方便，每榀钢架一般分为2～6节，并应保证接头刚度；节数应与净空断面大小及开挖方法相适应。

钢拱架用槽钢、工字钢、钢管、钢筋制作。隧道中初次支护多用由钢筋焊接而成的格栅钢架（图2.16），受力性能较好，安装方便，并能和喷射混凝土结合较好，节省钢材，优点较多。

钢筋格栅钢拱架采用钢筋现场加工制作，技术难度不高，对隧道断面变化的适应性好。每榀钢架由3～5节组成，节与节之间用螺栓连接。

格栅钢架的主筋直径不宜小于22 mm，材料宜采用20 MnSi或A3钢筋，联系钢筋可按具体情况选用。

4）锚注喷射混凝土支护

这是在破碎软岩中应用的一种支护结构，即在掘进后先利用内注式注浆锚杆及喷射混凝土进行锚喷初次支护，滞后开挖面一定距离再进行二次支护。

锚注支护技术利用锚杆兼作注浆管，实现了锚注一体化。注浆可改善更深层围岩的松散结构，提高岩体强度，并为锚杆提供可靠的着力基础，使锚杆与围岩形成整体，从而形成多层有效组合拱，即喷网组合拱、锚杆压缩区组合拱、浆液扩散加固拱，提高了支护结构的整体性和承载能力。

锚注支护适用于节理、裂隙发育、断层破碎带等松散围岩注浆，一般采用单液水泥浆，也可掺加一定量的水玻璃等外加剂。注浆按自下而上、先帮后顶的顺序进行，为提高注浆效果，可采用隔排初注、插空复注的交替性作业方式。

2.3　模筑混凝土衬砌

现浇混凝土支护是地下工程中应用最为广泛的支护形式。浇筑前需先构筑好模板再进行浇灌混凝土，故称为模筑混凝土衬砌。现浇混凝土衬砌施工的主要工序有为：浇筑准备、拱架与模板架立、混凝土制备与运输、混凝土灌筑、混凝土养护与拆模等。

2.3.1　模板

1）模板的形式

模板是铺板、骨架、操作平台及附属品等的总称。模筑衬砌所用的模板应式样简单、装拆方便、表面光滑、接缝严密、有足够的刚度和稳定性。

目前所用模板主要有整体移动式和组装式两种。整体移动式又称模板台车，结构如图2.17所示，采用大块曲模板（钢模或预制板）、钢拱架（骨架）、操作平台、机械或液压脱模、振捣设备等组装成整体，并在轨道上行走，从而可缩短立模时间，墙拱连续浇筑，加快施工速度。主要用于长度较大的全断面一次开挖成型或大断面开挖成型的隧道衬砌施工中。

模板台车的长度即一次模注段长度，应根据施工进度要求、混凝土浇筑能力、隧道的曲率等条件确定，一般多为9～12 m。由于整体移动式模板台车的一次浇筑的混凝土量较大，多与混凝土输送泵联合作业，如图2.18所示。这种设备由于其单件性比较强，一般由施工单位根据隧道结构尺寸自行设计和加工。

图2.17　移动式模板台车

组装式模板由骨架和模板组成。骨架用型钢制作或用钢筋焊接成桁架式。为便于安装和运输，常将每榀骨架分解为2～4节，现场进行组装。模板可采用组合式钢模板（由角钢和钢板制作）、槽钢、木材。组合式钢模板的宽度为100～300 mm，长度为1～1.5 m。一次模注长度一般为2～6 m。骨架的间距根据混凝土荷载大小和隧道断面大小而定，一般为1～1.5 m，为便于铺设模板，应与模板的长度相协调，即模板接头位于骨架上。

组装式模板的灵活性大，适应性强，尤其适用于曲线地段。由于其安装架设费时费力，故生产能力较模板台车低。地下硐室式工程、地下通道工程、中小型隧道工程、分部开挖大断面工程中使用较多。

图2.18　模板台车衬砌施工系统图

2）模板的架设

衬砌施工开始前，应清理场地，进行中线和水平施工测量，检查开挖断面是否符合设计要求，然后放线定位、架设模板支架或架立拱架。同时，准备砌筑材料、机具等。

放线定位时，为保证衬砌不侵入建筑限界，应预留放线测量误差量和拱架模板的就位误差量，一般将设计的衬砌轮廓线扩大50 mm；考虑到拱架模板在混凝土荷载作用下的下沉，应适当预留沉降量，沉降量大小根据实测数据或参照经验确定；曲线段施工时还要注意曲线加宽。

使用组装式模板时，立模前应在洞外进行试拼装，检查结构形状与尺寸是否符合要求，配齐配件，模板表面要涂防锈剂。洞内重复使用时也要注意检修模板。使用模板台车时，要在洞外将台车组装调试好后再进入洞内使用，每次脱模后都要注意检修。

根据放线位置架设模板或模板台车就位，就位后要做好位置、尺寸、方向、标高、坡度、稳定性等检查工作。拱架要垂直于隧道中线，不得倾斜。立墙架时，应对墙基标高进行检查，拱架应立在稳定的地基上，并焊接端头板，以减小下沉。模板台车的轨道要铺设稳定。

当围岩压力较大时，拱（墙）架应增设支撑或缩小间距，拱架脚应铺木板或方木块。架设拱架、墙架和模板，应位置准确、连接牢固。

拱架模板的架设及模板台车的设计应考虑其腹部的通行空间，以保证洞内运输的畅通。

衬砌端头截面在立模时应同时安装堵头板。堵头板应能承受混凝土的压力，一般用木板加工，现场拼装，拼装时应注意与岩壁之间的缝隙要保证不漏浆，有防水板时应注意不要损伤防水板。

2.3.2　混凝土搅拌与供应

衬砌混凝土的配合比应满足设计要求。目前，现场多采用机械拌和混凝土，在混凝土制备中应严格按照质量配合比供料，特别要重视掌握加水量，控制水灰比和坍落度等。

在边墙处混凝土坍落度为10～40 mm；在拱圈及其他不便施工处为20～50 mm。当隧道不长时，搅拌机可设在洞口。在矿山井下施工时，搅拌机一般设在施工地点。

混凝土拌和后，应迅速运送，尽快浇筑，充分捣固。从拌和到浇筑完成的时间，原则上，在外界气温超过25℃时为1.5 h，25℃以下时为不超过2 h。混凝土的运送时间一般不得超过45 min，以防止产生离析和初凝。如运送时间过长应研究使用缓凝剂和流动剂等。

运送设备可根据工程情况，选用各种斗车、罐式混凝土输送车、输送泵等。城市地下工程原则上应采用混凝土搅拌运输车，采用其他方法运送时，应确保混凝土在运送中不产生损失及混入杂物，已经达到初凝的剩余混凝土，不得重新搅拌使用。

采用商品混凝土时应按有关规定执行。

2.3.3　浇筑与养护

混凝土浇筑前要按设计图确认模板和防水板的安装质量。衬砌施工时，其中线、标高、断面尺寸和净空大小均须符合隧道设计要求。

1）混凝土的浇筑

混凝土衬砌的浇筑应分节段进行，节段的长度即模板的长度，在节段内应自下向上顺序浇筑。为保证拱圈和边墙的整体性，每节段拱圈或边墙应连续进行灌筑混凝土，以免产生施工缝。衬砌的施工缝应与设计的沉降缝、伸缩缝结合布置，在有地下水的隧道中，所有施工缝、沉降缝和伸缩缝均应进行防水处理。

浇筑混凝土的同时要进行充分振捣，保证混凝土密实。振捣器原则上应采用内部振捣器。振捣器的大小、数量应根据一次捣固的混凝土体积确定，并留有备用数量。有防水板时，捣固作业要注意不要损伤背后的防水板。

①浇筑边墙混凝土。浇筑前，必须将基底石渣、污物和基坑内积水排除干净，墙基松软时，应做加固处理；边墙扩大基础的扩大部分及仰拱的拱座，应结合边墙施工一次完成；边墙混凝土应对称浇筑，以避免对拱圈产生不良影响。

②拱圈混凝土衬砌。拱圈浇筑顺序应从两侧拱脚向拱顶对称进行；分段施工的拱圈合拢宜选在围岩较好处；先拱后墙法施工的拱圈，混凝土浇筑前应将拱脚支承面找平。钢筋混凝土衬砌先做拱圈时，应在拱脚下预留钢筋接头，使拱墙连成整体；拱圈浇筑时，应使混凝土充满所有角落，并应充分进行捣固密实。

③拱圆封顶。封顶应随拱圈的浇筑及时进行。先拱后墙施工时，墙顶封口应留7～10 cm，在完成边墙灌筑24 h后进行，封口前必须将拱脚的浮渣清除干净，封顶、封口的混凝土均应适当降低水灰比，并捣固密实，不得漏水。封顶混凝土应采用高流动性混凝土，以保证充填密实。

④仰拱施工。应结合拱圈和边墙施工抓紧进行，围岩条件差时应使结构尽快封闭；围岩条件较好时，可在不妨碍工作面开挖作业的距离上施作仰拱。仰拱浇筑前应清除积水、杂物、虚渣；超挖应采用同级混凝土回填。仰拱宜超前拱墙二次衬砌3倍以上衬砌循环作业长度。

⑤拱墙背后回填。拱墙背后的空隙必须回填密实，边墙基底以上1 m范围内的超挖，宜用与边墙相同标号混凝土同时浇筑；超挖大于规定时，宜用片石混凝土或10号砂浆砌片石回填，不得用渣体随意回填，严禁片石侵入衬砌断面。

2）衬砌混凝土养护

衬砌混凝土灌筑后10～12 h应开始洒水养护，以保持混凝土良好的硬化条件。养护时间应根据衬砌施工地段的气温、空气相对湿度和使用的水泥品种确定，使用硅酸盐水泥时，养护时间一般为7～14 d。寒冷地区应做好衬砌混凝土的防寒保温工作。

拱架、边墙支架和模板的拆除时间，应满足下列要求：

①不承受外荷载的拱、墙，混凝土强度不得低于2.5 MPa，或拆模时混凝土表面及棱角不致损坏，并能承受自重。

②承受较大围岩压力的拱、墙封口或封顶混凝土应达到设计强度100%。

③受围岩压力较小的拱和墙，封顶或封口混凝土应达到设计强度的70%。

④围岩较稳定、地压很小的拱圈，一般封顶混凝土应达到设计强度的40%。

2.4　新奥法

2.4.1　新奥法的概念

新奥法是新奥地利隧道施工方法（New Austrian Tunnelling Method，缩写NATM）的简称，由奥地利专家拉布希维兹（L.V.Rabcewicz）于20世纪50年代提出，1963年形成系统理论。几十年来，新奥法在交通隧道、矿山巷道、水利水电、地下空间等地下工程中得到了广泛应用。

新奥法是针对不稳定地层中采用矿山法开挖隧道时提出的。它应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基点，进行合理的隧道支护设计与施工。其主要特征有以下几点：

①及时初次支护。隧道开挖后，为防止围岩的风化、变形、冒落，采用锚喷技术立即进行一次支护，及时对围岩进行覆盖，并适当控制围岩的变形与松弛。

②坚持变形监测。隧道进行一次支护后，要及时进行围岩松弛、变形的量测，利用量测信息指导施工，改进支护设计。

③适时二次支护。通过现场监测信息分析，认为围岩与初次支护变形已基本稳定时，方可进行二次支护，如图2.19所示。

④减少围岩扰动。开挖时能用机械的就不用钻爆法。采用钻爆法时要实施控制爆破和光面爆破。控制掘进循环进尺量，支护紧跟工作面。

⑤封闭支护。对于软弱岩层，要采用封闭式支护，形成中空状支撑环结构。

图2.19　正常的位移与时间关系曲线

⑥尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中。

因此，新奥法不同于传统工程中应用厚壁混凝土结构一次性支护松软围岩的理论，不拘泥于一种特定的施工方法或具体的支护技术，是一套地下工程设计、掘进、衬砌、测试相结合的完整新概念。应当强调，新奥法的基本支护原理是先柔后刚，先允许围岩有一定的松弛变形。当在城镇人口密集区域修建浅埋地下工程（如地铁隧道）时，不允许有较大变形，必须进行强支护，故不完全适宜采用新奥法。

2.4.2　动态施工

利用现场监测检测信息指导施工是新奥法的主要特征之一。新奥法的量测工作是伴随着施工过程同时进行的，通过变形量测数据和对开挖面的地质观察等不断进行预测、预报和反馈，及时对施工方法、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整，以保证施工安全、围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性。这就是动态施工，其原理如图2.20所示。

图2.20　动态施工原理

所谓“动态”，是指施工过程中地质条件是不断变化的，其力学动态也是不断变化的，因此，施工过程不可能一成不变，各种施工方法和技术应适应这种“动态”变化。

动态施工与动态设计密不可分，施工必须按设计进行。设计单位的设计在没有通过实践检验前始终具有预设计性质，真正的设计是在施工过程中完成和完善的。因此，施工中应根据监测结果对支护设计进行不断修改和调整。

2.4.3　隧道变形监测

隧道变形监测的目的在于掌握施工中围岩和支护的力学动态信息及稳定程度，并及时反馈，指导施工作业；通过对围岩和支护变位、应力的量测，预测和确认隧道围岩最终稳定时间，及时修改支护系统设计，指导施工顺序和施作二次衬砌时间；深入了解围岩的松动范围及稳定状态，为未开挖隧道的设计和施工积累现场资料。

隧道变形监测的项目很多，为判断围岩稳定状态、支护结构工作状态所进行的主要量测项目有侧墙收敛、拱顶沉降、松动圈、围岩内部位移、地表沉降、锚杆锚固力、衬砌应力等，其中净空侧墙收敛（又称净空变位）、拱顶沉降是必须监测的项目，其他可根据情况确定。

不同的测试项目需用不同的仪器仪表和不同的方法，如表2.1和图2.21所示。侧墙的相对收敛及拱顶沉降常用收敛计法。

表2.1　隧道内常用监测项目及方法

续表

图2.21　监测桩布设图

采用全断面开挖时，一般每个断面埋设5个测桩，布置4～6条测线。监测断面应尽量靠近开挖面，沿隧道纵向设置的间隔，根据岩性不同和围岩类别的差异布置，Ⅲ类围岩一般每隔10 ～20 m布设一个监测断面，围岩越好，间距越大。根据围岩变形的规律，变形量在开挖后初期变形大，以后逐渐变缓，并趋于稳定。所以，测试的频度应随着时间的推移而减小，一般开挖后1～15 d内每天测1～2次，15～30 d内可两天测1次，30 d后可每周测1次。如需监测顶板的绝对位移，需用经纬仪或水准仪，如图2.22所示，其中水准尺应立于地层稳定处。拱顶相对收敛可用工程测量塔尺直接量测测点处顶底板之间的距离。

图2.22　拱顶下沉测试方法示意图

关于各种测试项目的方法、原理，所用仪器仪表等可参阅土木工程测试技术教材以及有关的隧道施工技术规范。

量测数据的分析与反馈，可用于修正设计参数及指导施工、调整施工措主季等，这是监测工作重要的一环。因此，监测过程中应及时整理量测数据，进行数据处理，绘制出相应的表格和图形，如时间-位移曲线、时间-位移速率曲线等，以供设计与施工参考。

本章小结

（1）地下工程支护，从其作用和时间上分为临时支护和永久支护。永久支护一般由设计单位提供图纸和参数，而临时支护则多由施工单位选定。临时支护有时也作为永久支护的一部分。由于地质因素的影响，永久支护要随着岩层的变化而变化，才能取得较好的技术经济效果。

（2）从支护形式和支护效果来看，地下工程支护主要可分为两大类，第一类为被动支护形式，包括木支架、钢筋混凝土支架、金属型钢支架、料石衬砌、混凝土及钢筋混凝土衬砌等；第二类是积极支护形式，即锚喷支护。

（3）锚喷支护，狭义上是指锚杆支护和喷射混凝土支护的简称。棚式支架是在地下工程围岩外部对岩石进行支撑，被动地承受围岩产生的压力和防止破碎的岩石冒落，而锚喷支护则是通过锚入围岩内部的锚杆及在围岩上喷射的混凝土喷层，改变围岩本身的力学状态，在围岩中形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护围岩稳定的目的。所以，锚喷支护原理先进、施工简单、施工速度快、经济有效、适应性强，是一种积极防御的支护方法，是地下工程支护技术的重大变革。

（4）广义的锚喷支护是以锚杆喷射混凝土支护为主，旨在改善围岩力学性能的一系列支护形式，包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷支护、锚网支护，锚梁支护、锚梁网支护、锚索支护、锚注支护等。预应力锚索支护技术是近几年发展起来的一种主动支护方法，能够对地下工程围岩及时提供较大的主动锚固约束作用，控制范围大，支护效果好。

（5）新奥法和矿山法是两个不同的概念，既相联系又有区别。矿山法主要指钻眼爆破法或局部机械挖掘法开挖地下工程的方法。矿山法包括传统法和新奥法。新奥法是在传统法基础上总结提炼出来的对挖掘和支护（尤其对支护）进行科学设计和组织的一种思想、理念和原则，其主要理念就是先柔后刚、二次支护，主要原则为：少扰动、早锚喷、勤量测、紧封闭。

习　题

2.1　棚式支护有哪几种形式?简述其结构组成、优缺点和适用条件。

2.2　锚杆的作用原理有哪些?

2.3　锚杆支护技术参数有哪些?

2.4　喷射混凝土由哪些材料组成?对各种材料的质量或使用都有哪些要求?

2.5　混凝土喷射机有哪几种?干喷和湿喷在工艺上有哪些区别?

2.6　喷射混凝土有哪些工艺参数?参数值一般为多少?

2.7　锚喷联合支护有哪些形式?

2.8　衬砌模板有哪些形式?

2.9　现浇混凝土衬砌施工有哪些要求?

2.10　说说你对“新奥法”概念的理解。