强至极强岩爆条件下隧洞联合支护系统与施工方法与流程

本发明涉及水利水电、交通、矿山等领域中的深埋隧洞，尤其是在高地应力条件下易发生岩爆的硬岩隧洞联合支护系统与施工方法。

背景技术：

岩爆是在高应力、脆性岩体的地下工程中，人类活动所诱发的一种工程地质灾害，它是储存于岩体中的弹性应变能因未加控制地突然释放而造成的一种动力失稳现象，并常常伴随着岩块(片)的弹射、抛掷、发声和震动等现象。岩爆不仅直接威胁作业人员与施工设备的安全，而且严重地影响施工进度，增加工程造价。

在深埋地下工程实践中的高应力不可避免。大部分的深埋地下工程中的岩体都具有良好的强度，即具备良好的蓄能能力，因此总体上具备岩爆发生的基本条件。地质构造往往也是导致强烈岩爆的重要因素，深埋地下工程开挖面附近围岩中存在的地质构造不可避免、也往往难以预测，这造就了深埋地下工程中强烈岩爆风险的客观性和随机性。

可见，岩爆是开挖导致的岩体内能量释放和通过震动波传播时产生的一种围岩破坏现象，岩爆控制就是尽量避免这种破坏的产生。其中的途径有两个，一是降低能量释放的强度，二是加强围岩的抗冲击能力，在震动波的冲击下仍然保持良好的稳定状态。

在早期的工程实践中，当岩爆破坏以后，工程人员总是试图采用加强支护的方式来防治和控制岩爆破坏。这种理念主要来自地质条件相对较差时的地下工程实践，加强支护往往可以帮助通过不良地质段。在岩爆问题最早暴露的南非和印度，最早采取了这种理念。但这种理念已经被证明不适应于岩爆条件下的围岩支护，尤其是强至极强岩爆条件下的支护，单纯依靠加强支护已经很难抵抗岩爆冲击，需要建立新的支护结构体系。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种强至极强岩爆条件下隧洞联合支护系统，形成一个完整的支护系统，能够快速安装和发挥作用，并能够同时兼顾临时和长期施工安全，保证隧洞施工安全。为此，本发明采用以下技术方案：

强至极强岩爆条件下隧洞联合支护系统，其特征在于由锚杆支护、表面支护和刚性支护共同组成支护系统，其中，锚杆支护采用水胀式锚杆和全长粘结砂浆锚杆搭配；

所述刚性支护采用钢筋拱肋，所述刚性支护嵌入在所述表面支护中，并且钢筋拱肋又与锚杆支护相连。

进一步地，所述水胀式锚杆的长度短于全长粘结砂浆锚杆的长度，但，所述水胀式锚杆穿过爆破松动圈，且不小于4.5m。

进一步地，全长粘结锚杆之间的间距与水胀式锚杆之间的间距保持一致，并与水胀式锚杆形成间隔布置。

进一步地，所述表面支护由柔性钢丝网和纳米混凝土层构成，所述柔性钢丝网紧贴围岩安装，并将爆坑完整包裹。更进一步地，钢筋拱肋包括钢结构拱肋，所述钢结构拱肋沿着洞的轴线布置，并处在柔性钢丝网外侧，相邻钢结构拱肋之间用钢筋连接，形成整体，并再由纳米混凝土层将钢筋拱肋和柔性钢丝网覆盖填实。这样便将三者有效的连接在一起，形成刚柔结合的联合支护系统；同时钢筋拱肋又与锚杆相连，形成深浅结合的支护系统。其中，纳米混凝土可增加一次喷射厚度，且回弹率大大降低、粉尘小，具有初期起强快，后期强度高，抗渗性能好，粘结强度高、耐久性强等优点；柔性钢丝网替代传统的钢筋网，主要因为其挂设后与岩面紧贴，效果明显，尤其是爆坑部位，效果比普通钢筋网好，柔性钢筋网可贴进空腔内，弥补了普通钢筋网无法紧贴岩面的不足，且施工功效快，同时具有较高的变形能力，能够起到很好的网兜作用。

本发明另一个目的是提供上述支护系统的施工方法。为此，本发明采用以下技术方案：

强至极强岩爆条件下隧洞联合支护系统的施工方法，其特征在于隧洞穿越强至极强岩区间时，对开挖后的隧洞进行以下支护系统施工：

(1)首先进行水胀式锚杆施工；

(2)然后进行全长粘结锚杆施工；

(3)再结合进行表面支护和刚性支护的施工，并且，在施工刚性支护时将其与锚杆支护连接。

进一步地，所述表面支护由柔性钢丝网和纳米混凝土层构成；在步骤(3)中，首先安装柔性钢丝网，柔性钢丝网紧贴围岩安装，并尽量将爆坑完整包裹，保证形成网兜作用；然后在柔性钢丝网外侧再安装钢结构拱肋，相邻钢筋拱肋之间用钢筋连接成整体，并保证水胀式锚杆垫板及全长粘结锚杆的垫板压住钢筋束；再喷射表层支护的混凝土。

与喷层或挂网等表面支护单元相比，锚杆的承载力相对高很多，即支护系统的承载力主要靠锚杆提供。因此，需要控制围岩破坏、保持围岩稳定时，锚杆是绝对不可缺少的支护单元。水胀式锚杆具有快速安装和迅速发挥锚杆作用的特点，相比于其它类型锚杆在保留了适应变形能力的同时，明显增加了承载力，还具备良好的适应变形能力，而其它类型锚杆则相对较差。当解决了岩爆条件下的临时性风险后，掌子面向前推进，围岩破裂损伤现象开始出现，此时水胀式锚杆已经不能满足长期安全需要，而全长粘结砂浆锚杆则能有效应对此问题，因此本发明选用水胀式锚杆和全长粘结砂浆锚杆搭配使用。

在岩爆风险条件下，岩爆段浅部围岩表现出强烈破碎特征，通过充分发挥表面支护的初期加固作用，并能与锚杆有效地构成支护系统，体现其兜网作用，具备在冲击荷载下维护表层破裂岩体稳定的能力和适应变形能力。同时，为了形成更稳定的系统，将刚性支护和锚杆支护连成一体，并提高表面支护的刚性，选择钢结构拱肋作为加强单元加强表层支护的刚性，并由钢筋连接形成一个整体；在施工时，围岩表层首先布置柔性钢丝网，然后布置钢筋拱肋，最后喷射混凝土，这样便将三者有效的连接在一起，形成刚柔结合的联合支护系统。同时钢筋拱肋又与锚杆相连，形成深浅结合的支护系统。

本发明提出的强至极强岩爆条件下隧洞联合支护系统与施工方法，通过不同类型锚杆组合，以及与不同类型表面支护组合，形成强柔结合、表里结合，形成一个完整的支护系统，不但保证了系统的承载能力，并且具有一定的柔性，能够有效适应岩爆冲击造成的围岩变形，对维持围岩的围压水平和强度起到良好的作用。同时，将表层支护与深部支护有机结合，同时解决了防止岩爆冲击和抑制时效破裂两种作用。该支护系统现场实施简便，能够快速安装提供保护作用，大幅度降低岩爆对人员和设备的威胁。

附图说明

图1为本发明支护系统实施例的断面图。

图2为本发明支护系统实施例的进一步详细剖视图。

具体实施方式

参照附图，在进行隧洞100掘进时，当前方预示有强至极强岩爆风险时，严格控制掘进进尺和爆破孔深度，强岩爆控制在2m以内，极强岩爆控制在1m以内，并采取光面爆破。

隧洞穿越强至极强岩区间时，需及时进行支护系统的施工。

(1)首先进行水胀式锚杆施工

水胀式锚杆1布置间距一般是1m、成梅花型布置。锚杆随机布置在相对完整的岩石上。水胀式锚杆的垫板10的尺寸不小于15×15cm。

水胀式锚杆1的长度要求穿过爆破松动圈，但不应小于4m，一般在4.5～6m，水胀式锚杆充水使用高压水泵，注水压力不小于15mpa或由现场实验确定，并要保证胀开后的直径至少要大于钻孔直径2mm。

(2)然后进行全长粘结锚杆施工

在水胀式锚杆施工完毕后，开始进行全长粘结锚杆2施工。全长粘结锚杆2的施工长度一般长于水胀式锚杆的长度，主要是由于水胀式锚杆主要是控制浅层破裂，而全长粘结锚杆主要是应对破裂时效扩展，长度一般为6m～9m。

全长粘结锚杆之间的间距与水胀式锚杆之间的间距保持一致，并与水胀式锚杆形成间隔布置，形成加密效果。

(3)再结合进行表面支护和刚性支护的施工。

首先安装柔性钢丝网3，采用φ4mm、钢丝之间间距15cm柔性钢丝网，紧贴围岩安装，并尽量将爆坑完整包裹，保证形成网兜作用。

然后在柔性钢丝网3外侧再安装钢筋拱肋。钢筋拱肋包括钢结构拱肋4，所述钢结构拱肋4沿着洞的轴线布置，并处在柔性钢丝网3外侧，相邻钢结构拱肋4的间距0.5～1m，特殊情况可缩小至0.5～0.75m；相邻钢结构拱肋之间用钢筋连接，形成整体，钢筋直径不小于φ22mm，并保证水胀式锚杆垫板10及全长粘结锚杆2的垫板20压住钢筋。

然后再喷射表层支护的混凝土。混凝土采用纳米混凝土5，一次喷射厚度20～30cm，保证完全覆盖钢筋拱肋和锚杆垫板，形成一个完整的联合支护系统。纳米混凝土为市场可购得，在混凝土中添加纳米材料，其主要成分为二氧化硅，添加量约为41.9kg/m³。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的范围内，做出的变化、改添加或替换，都应属于本发明的保护范围。