喷锚支护技术应用于建筑施工

喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护及喷混凝土与锚杆、钢筋网联合支护的统称。它是地下工程和边坡工程支护的一种新型式，也是新奥地利隧洞工程法（以下简称新奥法）的主要支护措施。喷锚支护适用于不同地层条件、不同断面大小的地下洞室工程，既可用作临时支护，也可用作永久性支护。

喷锚支护是在隧洞开挖后，及时在围岩表面喷射一层厚3～5cm的混凝土，必要时加上锚杆、钢筋网以稳定围岩。这一层混凝土一般作为临时支护，以后再在其上加喷混凝土至设计厚度作为永久支护。这种施工方法称为新奥法。

新奥法所依据的理论与现浇混凝土支撑拱的理论显著不同。现浇混凝土衬砌的理论是把围岩当作衬砌设计的主要荷载，而新奥法是在隧洞开挖后围岩产生大量变形以前在围岩石表面喷射一层混凝土，以期达到以下目的：密封围岩、防止围岩风化；粘结和填充围岩裂隙，防止围岩松动；加固围岩，提高其强度和整体性。新奥法的理论依据是通过对围岩的适时支护，来控制和调整围岩中的应力，防止围岩开挖后产生过渡松动或坍塌，使围岩在与喷锚支护的共同变形中取得稳定。新奥法把“围岩是结构的荷载”的理论转化为“围岩是承载结构的重要组成部分”，围岩荷载由围岩与支护共同承担，从而减少衬砌的厚度。从我国已建隧洞工程的实际来看，采用喷锚支护，可以减少衬砌工程量50%以上，节约水泥1/3～1/2，减少劳动力和工程投资50%左右，缩短工期50%以上。喷锚支护，不需要安装模板，也不需要进行回填灌浆，操作方便，施工安全。

一、锚杆支护

锚杆是为了加固围岩而锚固在岩体中的金属杆件。锚杆插入岩体后，将岩块串联起来，改善了围岩的原有结构性质，使不稳定的围岩趋于稳定，锚杆与围岩共同承担山岩压力。锚杆支护是一种有效的内部加固方式。

（一）锚杆的作用

（1）悬吊作用。即利用锚杆把不稳定的岩块固定在完整的岩体上，如图14-1 （a）所示。

图14-1　锚杆的作用

（a）悬吊作用；（b）组合岩染；（c）承载岩拱

图14-2　张力锚杆

（a）楔缝式；（b）胀圈式
1—楔块；2—锚栓；3—垫板；4、8—螺帽；5—锥形螺帽；6—胀圈；7—凸头

（2）组合岩梁。将层理面近似水平的岩层用锚杆串联起来，形成一个巨型岩梁，以承受岩体荷载，如图14-1（b）所示。

（3）承载岩拱。通过锚杆的加固作用，使隧洞顶部一定厚度内的缓倾角岩层形成承载岩拱。但在层理、裂隙近似垂直，或在松散、破碎的岩层中，锚杆的作用将明显降低，如图14-1（c）所示。

（二）锚杆的分类

按锚固方式的不同可将锚杆分为张力锚杆和砂浆锚杆两类。前者为集中锚固，后者为全长锚固。

1.张力锚杆

张力锚杆有楔缝式锚杆和胀圈式锚杆两种。

（1）楔缝式锚杆。它由楔块、锚栓、垫板和螺帽等四部分组成，如图14-2 （a）所示。锚栓的端部有一条楔缝，安装时将钢楔块少许楔入其内，将楔块连同锚栓一起插入钻孔，再用铁锤冲击锚栓尾部，使楔块深入楔缝内，楔缝张开并挤压孔壁岩石，锚头便锚固在钻孔底部。然后在锚栓尾部安上垫板并用螺帽拧紧，在锚栓内便形成了预应力，从而将附近的岩层压紧。

（2）胀圈式锚杆。其端部有四瓣胀圈和套在螺杆上的锥形螺帽，如图14-2 （b）所示。安装时将其同时插入钻孔，因胀圈撑在孔壁上，锥形螺帽卡在胀圈内不能转动，当用扳手在孔外旋转锚杆时，螺杆就会向孔底移动，锥形螺帽作向上的相对移动，促使胀圈张开，压紧孔壁，锚固螺杆。锚杆上的凸头的作用是当锚杆插入钻孔时，阻止锚杆下落。胀圈式锚杆除锚头外，其他部分均可回收。

2.砂浆锚杆

在钻孔内先注入砂浆后插入锚杆，或先插锚杆后注砂浆，待砂浆凝结硬化后即形成砂浆锚杆，如图14-3 所示。因砂浆锚杆是通过水泥砂浆（或其他胶凝材料）在杆体和孔壁之间的摩擦力来进行锚固的，是全长锚固，所以锚固力比张力锚杆大。砂浆还能防止锚杆锈蚀，延长锚杆寿命。这种锚杆多用作永久支护，而张力锚杆多用作临时支护。

先注砂浆后插锚杆的施工程序一般为钻孔、清洗钻孔、压注砂浆和安插锚杆。钻孔时要控制孔位、孔径、孔向、孔深符合设计要求。一般要求孔位误差不大于20cm，孔径比锚杆直径大10mm左右，孔深误差不大于5cm。钻孔清洗要彻底，可用压气将孔内岩粉、积水冲洗干净，以保证砂浆与孔壁的粘结强度。

图14-3　钢筋砂浆锚杆（单位：mm）

1—钻孔；2—钢筋；3—水泥砂浆

由于向钻孔内压注砂浆比较困难（当孔口向下时更困难），所以钢筋砂浆锚杆的砂浆常采用风动压浆罐灌注。灌浆时，先将砂浆装入罐内，再将罐底出料口的铁管与输料软管接上，打开进气阀，使压缩空气进入罐内，在压气作用下，罐内砂浆即沿输料软管和注浆管压入钻孔内。为了保证压注质量，注浆管必须插至孔底，确保孔内注浆饱满密实。注满砂浆的钻孔，应采取措施将孔口封堵，以免在插入锚杆前砂浆流失。

安装锚杆时，应将锚杆徐徐插入，以免砂浆被过量挤出，造成孔内砂浆不密实而影响锚固力。锚杆插到孔底后，应立即楔紧孔口，24h后才能拆除楔块。

先设锚杆后注砂浆的施工工艺要求基本同上。注浆用真空压力法，如图14-4 所示。注浆时，先启动真空泵，通过端部包以棉布的抽气管抽气，然后由灰浆泵将砂浆压入孔内，一边抽气一边压注砂浆，砂浆注满后，停止灰浆泵，而真空泵仍工作几分钟，以保证注浆的质量。

图14-4　真空压力灌浆布置图（单位：mm）

1—锚杆；2—砂浆；3—布包；4—橡皮塞；5—垫板；6—抽气管；7—真空泵；8—螺帽；9—套筒；10—灌浆管；11—关闭阀；12—灌浆阀；13—高压软管；14—灰浆泵

（三）锚杆的布置

锚杆的布置主要是确定锚杆的插入深度、间距及布置形式。

锚杆的布置有局部锚杆和系统锚杆。局部锚杆主要是用来加固危石，防止掉块；系统锚杆主要用来提高围岩的强度和整体性。

锚杆的方向应尽量与岩体结构面垂直，当结构面不明显时，可与周边轮廓垂直。圆断面隧洞可采用径向布置。锚杆在平面上的布置要求呈梅花形或方格形。

锚杆的布置参数主要是通过工程类比和现场试验选择。系统锚杆，锚杆深入岩体深度一般为1.5～3.5m，但不一定要深入稳定岩层，当岩层破碎时，用短而密的系统锚杆，同样可取得较好的锚固效果。系统锚杆间距为插入深度的1/2，但不得大于1.5m。局部锚杆，必须插入稳定岩体内，插入深度和间距根据实际情况而定。大于5m的深孔锚杆应作专门设计。

二、喷混凝土支护(www.chuimin.cn)

喷混凝土就是将水泥、砂、石等干料按一定比例拌和后装入喷射机中，再用压缩空气将混合料送到喷嘴处与高压水混合，喷射到岩石表面，经凝结硬化而成的一种薄层支护结构。喷射到岩面上的混凝土，能填充围岩的缝隙，将分离的岩面粘结成整体，提高围岩的强度，增强围岩抵抗位移和松动的能力，还能封闭岩石，防止风化，缓和应力集中。

喷混凝土支护是一种不用模板就能成型的新型支护结构，具有生产效率高、施工速度快、支护质量好的优点。但施工现场的劳动条件差、喷枪操作劳动强度大、施工不够安全。

（一）原材料及配合比

喷混凝土原材料与普通混凝土基本相同，但在技术上有一些差别。

（1）水泥。普通硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5MPa，以利于混凝土早期强度的快速增长。

（2）砂子。一般采用中砂或中、粗混合砂，平均粒径0.35～0.5mm。砂子过粗，容易产生回弹；过细，不仅使水泥用量增加，而且还会引起混凝土的收缩，降低强度，还会在喷射中产生大量粉尘。砂子的含水量应控制在4%～6%，含水量过低，混合料在管路中容易分离而造成堵管；含水量过高，混合料有可能在喷射罐中就已凝结，无法喷射。

（3）石子。用卵石、碎石均可作为喷混凝土骨料。石料粒径为5～20mm，其中大于15mm的颗粒应控制在20%以内，以减少回弹。石子的最大粒径不能超过管路直径的1/2。石料使用前应经过筛洗。

（4）水。喷混凝土用水与一般混凝土对水的要求相同。

（5）速凝剂。为了加快喷混凝土的凝结硬化速度，防止在喷射过程中坍落，减少回弹，增加喷射厚度，提高喷混凝土在潮湿地段的适应能力，一般要在喷混凝土中掺入水泥重量2%～4%的速凝剂。速凝剂应符合国家标准，初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。

（6）喷混凝土配合比应满足强度和工艺要求。水泥用量一般为375～400kg/m3，水泥与砂石的重量比一般为1：4～1：4.5，砂率为45%～55%，水灰比为0.4～0.5。

水灰比的控制，主要依靠操作人员喷射时对进水量的调节，在很大程度上取决于操作人员的经验。若水灰比太小，喷射时不仅粉尘大、料流分散、回弹量大，而且喷射层上会产生干斑、砂窝等现象，影响混凝土的密实性；若水灰比过大，不但影响混凝土强度，而且还可能造成喷射层流淌、滑移，甚至大片坍塌。水灰比控制恰当时，喷混凝土的表面呈暗灰色，有光泽，混凝土黏性好，能一团一团地黏附在喷射面上。

水灰比的控制，除了提高操作人员的技术水平外，还必须维持供水压力的稳定。

（二）喷混凝土施工

1.施工准备

喷射混凝土前，应做好各项准备工作，内容包括：搭建工作平台；检查工作面有无欠挖；撬除危石，清洗岩面和凿毛；检查受喷岩面，有集中渗水处，应作好排水的引流处理，并根据岩面潮湿程度，适当调整水灰比；钢筋网安装；埋设控制喷射厚度的标记；混凝土干料准备等。积雪设备、机械设备的检查与调试。

2.喷混凝土的施工工艺

喷射混凝土的施工方法有干喷、潮喷、湿喷和半湿喷四种。主要区别是投料的程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。

（1）干喷和湿喷。

1）干喷是将骨料、水泥和速凝剂按设计比例干拌均匀，然后装入喷射机，用压缩空气将混合的干集料压送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。其优点是喷射机械较简单，机械清洗和故障处理容易。其缺点是产生的粉尘量大，回弹量大，水灰比不易控制。

2）潮喷只是在骨料中预加少量水，从而降低了上料、拌和和喷射时的粉尘。其余与干喷工艺一样。由于潮喷可降低一定的粉尘，目前使用较多。

（2）湿喷。湿喷是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出。湿喷的优点是粉尘少、回弹量小、混凝土质量容易控制，应当发展应用。缺点是对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。

（3）半湿喷。半湿喷又称混合喷射或水泥裹砂造壳喷射法。施工程序是先将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥预制搅拌造壳，然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆，同时将另一部分砂和石及速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管后喷出。半湿喷所使用的主要机械设备与干喷基本相同，但由于半湿喷是分次投料搅拌，混凝土的质量较干喷时要好，粉尘和回弹率也有大幅度降低。其缺点是机械数量较多，工艺较复杂，机械清洗和故障处理很麻烦，尤其是水泥裹砂造壳技术的质量，直接影响到喷射混凝土的质量，施工技术要求高。

由于湿喷和半湿喷工作面粉尘小，混凝土强度高，回弹率小，所以湿喷和半湿喷被广泛应用。我国小浪底洞室壁几乎全部采用湿喷。

3.喷枪操作

喷枪操作直接影响喷射混凝土的质量，应注意对以下几个方面的控制：

（1）喷射角度。指喷射方向与喷射面的夹角。一般宜垂直并稍微向刚喷射的部位倾斜（约10°），以使回弹量最小，如图14-5（b）所示。

（2）喷射距离。指喷嘴与受喷面之间的距离。其最佳距离是按混凝土回弹最小和最高强度来确定的，根据喷射试验一般为1m左右。

（3）一次喷射厚度。在设计喷射厚度大于10cm时，一般应分层进行喷射。一次喷射太厚，特别是在喷射拱顶时，往往会因自重而分层脱落；一次喷射也不可太薄，当一次喷射厚度小于最大骨料粒径时，回弹率会迅速增高。当掺有速凝剂时，墙的一次喷射厚度为7～10cm，拱为5～7cm；不掺速凝剂时，墙的一次喷射厚度为5～7cm，拱为3～5cm。分层喷射的层间间隔时间与水泥品种、施工温度和是否掺有速凝剂等因素有关。较合理的间歇时间为内层终凝并且有一定的强度。

图14-5　料流轨迹与喷射角度（单位：cm）

（a）料流轨迹；（b）喷射角度

（4）喷射区的划分及喷射顺序。当喷射面积较大时需要进行分段、分区喷射。一般是先墙后拱、自下而上地进行，如图14-6 所示。这样可以防止溅落的灰浆黏附于未喷的岩面上，以免影响混凝土与岩面的粘结，同时可以使喷混凝土均匀、密实、平整。施工时操作人员应使喷嘴呈螺旋形划圈，圈的直径以20～30cm为宜，以一圈压半圈的方式移动，如图14-6（a）所示。分段喷射长度以沿轴线方向2～4m较好，高度方向以每次喷射不超过1.5m为宜。喷射混凝土的质量要求是表面平整，不出现干斑、疏松、脱空、裂隙、露筋等现象，喷射时粉尘少、回弹量小。

图14-6　喷射区划分示意图

（a）喷射分区；（b）侧墙Ⅰ区、Ⅱ区喷射顺序；（c）顶拱Ⅲ区喷射顺序

4.喷混凝土养护

喷混凝土单位体积水泥用量较大，凝结硬化快。为使混凝土的强度均匀增加，减少或防止不均匀收缩，必须加强养护。一般在喷射2～4h后开始洒水养护，日洒水次数以保持混凝土有足够的湿润为宜，养护时间一般不应少于14d。