在不稳定的地层中修建地下工程时,最容易发生冒顶和片帮.这不仅给施工人员带 来 严重的威胁,也严重地影响了施工进度,使施工成本大大提高.特别是当松散性岩 层为水 所饱和时.具有很大的流动性.危险更大.为了通过不稳定地层,总是需要某种程度 的加 固和处理,以保证围岩的稳定,提高施工的安全性.根据所开挖岩层的特征及其稳定程度,可以采用结构特征和施工技术不同的地层 加固(如锚杆加固,喷射混凝土支护,超前混凝土支架.管栅法,撞楔法等)和地层处理(姐 注浆加固,化学加固,人工冻结法等)技术.由于篇幅所限.本文不打算对每一种地层 加 固和处理技术进行详细地介绍.而着重介绍国外在锚杆加固,喷射混凝土支护和旋 喷注装 技术的新进展,最后介绍这些新技术在一些重要工程中的应用实例.圈2swellex 锚杆 一,地层加固 1.锚杆加固 随着地下工程领域的目渐扩大.为满足围岩支护的需要,锚杆支护技术不断发展,近 几年相继出现了几种新型的锚杆.(1)集束锚杆 西德的戴威格达国际公司(dsi)研制了一种集束锚杆(bundleanchor),它是由直 径为 15,16,16.5,32 或 36ram 的一组螺纹钢筋组成的.这种锚杆适用于需要高锚同 力 和锚杆可能产生轻微弯曲的地方.作永久支护时,钢筋束要在整个锚杆长度上或在 可自由 施加应力的区段上套上塑料管.而每根钢筋要用防腐荆灌封并用聚乙烯作为外保 护层.对于 灌封胶结的锚固头,在固定就位之前或之后,允许重新对锚旅加应力或消除拉紧状 态.该锚 杆还可以通过**藕浆塞把可自由施加应力的区段与胶结固定的区段分隔开(图 1).田3spllt-∞t 锚杆 这种锚杆的特点是,螺纹 遍布锚杆的全长,故可以根据 需要的长度就地切割;可单独 使用(极限强度达127t),也 可组合成集束锚杆使用(由9 根16ram螺纹钢筋组成的锚 杆,其极限强度为288t).(2)全长机械锚固的锚杆 目前主要有两种,一种是 瑞典的阿特拉斯.一科普柯公司 研究制的胀管(swellex)锚杆(图2),另一种是美国英格索 兰公司研制的管缝(split-set)锚杆(图3).swellex 锚杆是一种新型 的高压水膨胀锚杆,适用于矿 山和隧道的临时支护.这种锚杆是由钢管压制而成,在其两端压入套管并密封起来.其中 一 端的套管上焊上一块垫板,通过此套管钻一个小孔,以便安装时将水压入锚杆内(图 4).压入300巴高压水后,水沿内壁使钢管膨胀,由于钻孔直径比锚杆原钢管直径小.锚 杆不能完全复原,断面上留下一个舌形凹入部,压力消除后,舌形部分就起到弹簧 的作 用,对孔壁产生径向压力.又由于管的膨胀.在长度方向产生收缩,因而端面的垫板 对岩 石起到了锁紧作用.高压水使锚杆在不规则形状的钻孔内与孔壁紧贴,从而增强了 抗拉拨 能力.snit-set 锚杆用商强度的钢管{}j 作,整个长度上有一条缝,将锚杆压人孔内,工作原 理类 似一根卷锖.据报道,白该锚杆投放市场以来,已在各种地下工程中安装了3 千多万 根.以上两种锚杆均为沿着整个长度对岩石进行支护,安装块速,简便.(3)自钻式锚杆 目前,各种锚杆均需先钻孔,然后再 进行安装,这既费时又不经济.在特殊铁 情况下,由于钻孔堵塞.几乎不可能安装 锚杆.近几年美国,西德,奥地利等国对 自钻式(钻孔与安装同步完成)镭杆进行 了研究.国际工程师协会提出了五种自钻 式锚杆的方案:①树脂锚固式;楔缝式;弹簧胀壳锚固式;④双螺纹锚固壳式;正方形波纹管式.此外,美国矿业局还增加了一种弹簧 推进胀壳式自钻锚杆.树脂锚固式自钻锚杆(图5a)有一 个硬质合金纤头.用铜焊焊在直径为 18ram的套管上,套管体穿有孔眼,套管 里储放封装聚酯树脂的胶袋.套管的另一圈4 膨胀型铜管锚杆的加工过程 端搬插有钢筋,钢筋的两个锁子穿在总装套管体的两德,它是按在一定的推力下可 被剪断 一 3 圈6 锚杆安装 a 一人工安装(营岩机钻孔,人工安装锚扦)i b 一半机械化安装(小蔓营岩台车钻孔,人工安装锚 秆).b 广半机械化安装(带有^工安装锚扦槊的大蔓台 车),ci-全机械化安装($wdlbol~r 锚扦安装台车,安装$wellex 话扦)已—全机械化安装(bo1l 睇台车.安装晷类锚杆)—d—设计的.管的前端装配有一个弯曲的弹簧钢 翼板,它能顺着钻进方向旋转,而当反方向 旋转时是制动的,因而可使树脂和催化剂充 分混合,装配的组合体按一定方向钻到一定 位置时,钢销由于推压力而被剪断,并使其 反方向钻进,从而使弹簧板制动,锚杆在旋 转前进的同时混和了树脂,最后锚杆按原方 向旋转直到树脂凝固时为止.楔缝式自钻锚杆(图5b)也有一个刚能 装入孔内的硬质合金钎头和一个用环氧树脂 固结在一起的铸钢楔,钢楔的下端**锚杆 缝里.锚杆由直径为l 英寸的热轧钢制成,其前端借助一个铝式钢夹板将铸钢楔夹人缝 中,夹板要设计成在一定的锚杆推力下裂 开.锚杆下端车出6 英寸长的螺纹,并用淬 火垫圈托板和螺帽拧紧.弹簧推进胀壳式自钻锚杆(图5c)的硬 质合金钎头由环氧树脂固定在铸钢制的扩张 体上,扩张体末销锥体部分焊在杆上并插人 无**箍的可胀套壳里.可胀套壳借助一个 硬弹簧支撑在锚杆的卡环上,锚杆用直径 3/4 英寸的热轧钢棒制作,其尾部螺纹有6 英寸长.用常规的托板,淬火垫圈和一个 l3/4 英寸重型方螺母完成总装.此外,奥地利的加德纳丹佛一安克(gd-anker)公司和西德的**cheheck 公司 还研制了一种灌浆式的自钻锚杆.它是一根 带有一次性十字型钎头(也可用其它钎头)的空心锚杆(可使用带螺纹的标准钻杆).锚杆中心的空腔用于高压(25～50 巴)灌 浆压力的大小取决于锚杆的长度.锚杆的 标准长度为3m,可根据所需的长度,用套 简进行连接.(4)机械化安装锚杆 据估计,目前国外约有30%的岩石锚杆 用手持式轻型凿岩设备安装,半机械安装锚 杆约占60%.全机械化安装锚杆已达 l0%,而且这个比例正在逐年增加(图6】.法国的艾姆科(emico)公司于60 年 代初首先提出了锚杆安装全机械化的概念,它们研翎了一种 tui2hd 型多功能锚 杆安 装用转架(圈 7).这种转架可安装现有的各种类型锚杆,包括胀管式和管缝式锚杆,一 次最多可安装14 根长度分别为1.5.1.8.2.124 以及4m的锚杆.该转架安装在 piuton171b 型单臂自动化锚杆台车上,适用于小断面和中等断面的隧道,是目前最 先 进的锚杆安装用转架,工作安全,迅速,可靠.瑞典的阿特拉斯一科普柯(atlascopco)公司研制了两种全机械化的锚杆安装台 车.一种是swellbolter 锚杆台车,专门用于安装胀管锚杆.另一种是boltec 标准锚杆 台 车.适用于安装树脂或者水泥卷.砂浆锚杆,也可按要求装备成适用于安装其它类 型的锚 杆.在该台车的钻臂上有一个特殊的给进器(图 8),它用转位缸来协调三个连贯的 动 作:钻孔,蘧浆或注人水泥卷和安装锚杆.芬兰的泰姆洛克(tamrock)公司也研制了多用途的roboltpc 锚杆台车和 cabolth**5 钢丝绳锚索安装台车(最长可达40m).圈7tui2hd 誊瞄杆安装转絮 aoc 圈8bolte~台车的培进器工作康理^_钻孔;薏紫琥注人水泥卷:c—**杆安装 2.喷射混凝土支护 普通的喷射混凝土施工.由于产生大量的回弹和有害粉尘,既损失了材料又使作业 环 境恶化.另外,普通喷射混凝土还存在坑拉伸和弯曲的能力较低,抗裂性和延性较 差的弱 点.因此,近几年来一些**,如日本,美国,瑞典等,为了改善喷射混凝土的性能,相 继开展了喷射混凝土新工艺的研究工作.(1)模喷混凝土 日车从1985 年起着手研究j;辇道村砌新方法,并为此专门成立了一个隶属于日车 隧道 协会的日本罐道村砌(ntl)委员会.新的隧道村砌方法中采用了可移动的特殊模 板,在开挖的岩石表面和模板表面之间灌注湿式拌和的高塑性早强混凝土,模板沿着 周边移动 以便在不平整的开挖表面上形威一环形村砌层,从现场的试验结果来看,采用这种 方法施 工时,粉尘浓度可降至1~2mg/m'.而且几乎没有回弹损失.树砌表面光滑平整.所以 是一种根有前途的施工方法.目前,在现场和研究室处于试验』阶段的新施工方法中.主要有以下几 种方式:①喷人式 该施工方法是采用可围绕周边移 动的环形皮带模板(简称移动模板)和具有多种喷射角度的特殊喷嘴,在 开挖面与移动模板之间使用低压空气 喷射混凝土,一面配合混凝土的硬 化,一面移动模板,这样形成一层密 实而平滑的混凝土树砌(圈9a).本施工过程的粘附过程是:在所 造成的喷射工作面内进行2～3cm的 第一层喷射的同时,在水平位置的特 殊喷嘴则以一定的速度进行横向移 动,在第一层速混凝土的初期流动性 未消失的时间内实施第二层喷射,这 样接着喷射第三层,在这个时间内.第一层速凝混凝土失去流动性,并开 始凝固(图9b).②压敷式 圈9 圈 这种施工法是在喷嘴前端附近混合压敷速凝剂,然后流人到滑动式压敷模板内,并 压 敷到围岩上.等待敷好的混凝土凝固,配合凝固速度,连续地移动压敷式模板,如此 往复 形成一次村砌(图】o).滑动式压敷模板由衬砌幅宽 lm,长 1.2m 的循环运动皮带模板和能伸缩的侧向模 板～6 一 圈lo 圈 以及堵头模板构成(图 i1),它以起拱线中心作为旋转中心.由操纵臂支持,沿园周方 向 连续运动.并且由微计控制沿设计断面进行自动滑动.@灌人式 这种方法是沿着洞壁园周方向移支的模板和混凝土泵灌人相结合,完全不用压缩 空 气,把速凝流动化混凝土灌入移动模板内.配台混凝土的硬化速度,使衬砌装置沿 着锕拱 架连续地移.构筑成与围岩密贴的混凝土衬砌(图12).混凝土村砌先灌注一边侧墙,再 灌注另一边侧墙.最后进行拱顶闭合.圈11 滑勃式压敷横板围l2 鞋入式模噎混凝土施工示意圈 采用模喷混凝土施工时,混凝土在满足所要求的初期强度和 28 天强度的同时,对 凹 凸不平的围岩还要求能确保在添加速凝剂后的几十秒种(15～30 秒)内能流动到 每个角 落的流动性.并能在几分钟后就达到一定的强度.从而使特殊模板能够移动.因此,新的 施工方法应具有符合各种灌注方式特性的混凝土配比.下表为一般喷混凝土和模 喷混凝土 的配合比.由此表可以看出.新的施工方法中所使用的混凝土配比与一般喷混凝土 相比,有以下两个特点:①速凝剂比一般喷混凝土多;②因使用了流动化剂坍落度要比一般喷混凝土高2 倍.配合比的上述特征满足了针对形成紧贴凹凸不平围岩的一次村砌所要求的混凝 土流动 性和灌注混凝土后能尽早地移动模板所要求的混凝土初期强度这两种相反的性 质.