喷锚支护在岩质边坡工程中的应用

2016-03-11刘心玲吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春130012

东北水利水电 2016年8期

关键词：岩质滑动岩体

宿祺，李硕，刘心玲（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130012）

喷锚支护在岩质边坡工程中的应用

宿祺，李硕，刘心玲
（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130012）

文中介绍了边坡的破坏形式及影响因素，分析了喷锚支护的相关原理和方式。并将喷锚支护应用于老龙口隧洞进口岩质边坡工程中，通过分析可知：喷锚支护措施在工程经济上是较优的，在工程实际应用上是可行的。

岩质边坡；喷锚支护；隧洞进口

边坡是自然或人工形成的土体斜坡，是各种工程建设中最常见的工程形式。按其成因可分为自然边坡和人工边坡。自然边坡是在自然界的物理、化学等自然力的作用下形成的边坡。人工边坡是人工开挖或填筑形成的边坡。边坡因风化，雨水，气温变化，冻融循环以及地震、雷击等各种不利因素作用而趋于失稳。边坡失稳轻则影响工程质量与工程进度，重则造成人员伤亡和国民财产重大损失。

1　边坡的破坏形式及影响因素

1.1边坡的破坏形式

边坡的破坏类型从运动形式上主要分为崩塌型、滑坡型和倾倒型［1］。

崩塌破坏是指块状岩体与岩坡分离，向前翻滚落下。一般情况岩质边坡易形成崩塌破坏，而且在崩塌过程中岩体无明显滑移面。崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方，破坏时大块岩体在重力作用下与岩坡分离而滑落。

滑坡型是指岩土体在重力作用下，沿坡内软弱面产生的整体滑动。与崩塌相比滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至可以延伸到坡脚以下的基础面。其破坏速度比崩塌缓慢，但不同的滑坡滑动速度相差很大，这主要取决于滑动面本身的物理力学性质。当滑裂面通过塑性较强的土体时，其滑动速度一般比较缓慢；相反，当滑裂面通过脆性岩石，且滑动面本身有一定的抗剪强度，在构成滑裂面之前可承受较大的下滑力，如果一旦形成滑裂面下滑，抗剪强度急剧下降，滑动往往是突发而快速的。滑坡根据滑动模式和滑裂面断面形状可分为平面滑动、楔形滑动、圆弧滑动和复合滑动。当滑动面倾向角小于坡脚且大于其摩擦角时，有可能发生平面滑动。平面滑动又可分为单平面，折线形、连续形等。圆弧滑动的滑裂面为圆弧面或者螺旋曲面，滑坡发生前在坡脚附近出现应力集中，剪应力超过该部位土体的抗剪强度造成坡体蠕动，应力调整，坡顶则产生拉应力破坏出现张拉裂缝，当滑裂面全部出现剪应力大于土体的抗剪强度，滑坡将发生整体滑移。这类滑坡多出现在均质土坡和全风化的破碎岩石斜坡。

倾倒破坏由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向都趋近于垂直时，受到重力或其他因素影响沿结构面向临空面发生断裂，弯折的现象被称为倾倒破坏（弯曲倾倒）。

1.2影响边坡稳定的因素

影响边坡稳定性的因素就其主体而言：可分为内部因素和外部因素两个方面［2，3］。

内部因素主要包括地质岩性、岩土体结构面和水文地质条件三个方面：

1）地质岩性。指组成边坡土体的基本属性，它是决定边坡土体自身强度和稳定性的主要因素。

2）岩土体结构面。结构面是指在地质发展的历史中，岩体内形成具有一定方向、规模、形态和特征的缝、层、面等带状地质界面。

3）水文地质条件。水活动是导致边坡失稳的主要因素之一。水活动对边坡稳定性的影响主要体现在以下四个方面：①静水压力作用，能增大下滑力并减小摩擦阻力。②动水压力作用。③水的软化作用。④水的冻胀性质。

外部因素主要包括爆破震动影响、边坡高度、风化作用、边坡几何形状等。

1）爆破震动影响。常见于矿山开采活动中。因为爆破是矿山日常生产活动之一，长期反复的爆破振动使结构面的规模增大，数量增加，条件恶化，还会产生次生结构面，导致边坡失稳。

2）边坡高度。岩体中的自重应力随着高度的增加而增加，要保持边坡的稳定性，就要随着边坡高度的增加，相应的放缓边坡角度。

3）风化作用。是使原生结构面和构造结构面的规模增大、并产生裂缝等次生结构面；同时还会大大降低土体的强度和整体性，尤其是我国东北等严寒地区，由于冻融次数多，温度变化大，岩体风化的强度大，速度快，更值得在工程中加以重视。

4）边坡几何形状。边坡的几何形状指的是边坡在平面投影的形状，它影响着岩体的应力分布，从而影响边坡稳定。

2　喷锚支护

2.1喷锚支护原理

喷锚支护主要包括喷混凝土支护和锚杆支护，另外在各锚杆之间往往还设有挂网钢筋。喷锚支护首先是在岩体外通过钻孔将锚杆（一般是钢筋或钢绞线）植入孔中，往往配有锚具或砂浆药卷。其作用主要是起到组合悬吊作用和挤压加固作用。悬吊作用体现在：锚杆将若干层岩石组合成“厚梁”，或者将节理发育的岩石连接在一起，以防止岩块沿裂隙面发生滑移和扭转。挤压作用体现在：当锚杆将岩块连接后，滑坡体外部厚度相应的增加，从而提高了岩体的整体强度。

2.2喷锚支护分类

喷锚支护按其构件组成可分为四类：

1）锚杆支护，仅仅使用锚杆支护的边坡往往是用来阻止坚硬岩质边坡中较大体积岩块的失稳，有时危险性小的临时支护也采用钢筋锚杆支护。

2）喷混凝土支护，该方法适用于岩体整体性好，喷混凝土是用来防止表面岩层破碎和细小块体塌落，并能起到一定的封闭和方风化作用。

3）喷混凝土和锚杆综合支护，该方法用于岩体和岩面都较差的边坡。

4）锚杆、喷混凝土和钢筋网支护，该方法用于破碎岩体边坡，或者长期受人工荷载并要求达到一定安全性的岩质边坡。

2.3喷锚支护优势

与其它边坡处理措施相比，喷锚支护技术有其主要优势从理论上讲，是因为喷锚支护充分发挥了锚杆（钢筋）的抗拉强度高，和混凝土抗压能力强的特点。从工程实际上讲，其优点为：造价较低、工程较占地较少、支护及时、施工迅猛、安全可靠、稳定性好等。其综合经济技术效果显著。这种优势的效果也可从以下几方面体现：①灵活性；②紧密性；③优化应力分布；④改善塑性；⑤防风化和水的侵蚀作用。

3　算例

3.1工程概况及应用

老龙口水利枢纽工程位于珲春河干流上，距珲春市区约30 km，坝址区位于吉林省延边朝鲜族自治州珲春市哈达门乡老龙口村。该工程是以防洪、供水为主，结合灌溉，兼顾发电的综合利用工程。枢纽工程主要由土石坝、岸边溢洪道、引水隧洞、电站厂房及鱼道组成。

根据计算和分析，喷锚支护设计采用如下方案：喷混凝土总厚度100 mm，混凝土强度标号C20，挂网钢筋采用φ8@200×200网格，采用水泥药卷锚杆，锚杆为φ20钢筋，锚杆长度8～15 m，间距2 m，排距2 m，采用梅花型布置。喷混凝土所用的水泥应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不低于32.5 MPa。细骨料：选用中、细砂，砂的细度模数宜大于2.5；粗骨料粒径为5～15 mm。锚杆型式采用全长粘结水泥药卷锚杆，锚杆采用螺纹钢楔型锚杆（锚杆末端钢筋加工成楔型，加工V型楔头），水泥药卷采用水泥锚固剂，为了加强锚固效果，应采用锚杆垫板，垫板厚度不小于6 mm，面积不小于150 mm×150 mm。

3.2结果分析

传统的刚性支撑或衬砌，由于不能与围岩紧密的接触，架空部分的围岩仍然继续向洞内变形，并可能产生部分坍塌压在支护或衬砌上，严重时可导致支撑或衬砌的破坏。喷锚支护则不同，它能使混凝土喷层与围岩连续的紧密贴合，并且喷层本身具有一定的柔性和变形特性，因而能及时有效地控制和调整围岩应力的重分布，最大限度地保护岩体的结构和力学性质，防止围岩的松动和坍塌。

喷锚支护能减小开挖断面，加快施工进度，节约劳动力，边坡处理总造价能省30%以上，文中所研究的隧洞进口边坡喷锚支护设计节省投资为41.5%。通过对工程现场的勘察和施工记录了解，喷锚支护措施在该边坡处理中运行良好，未发生失稳现象。

［1］许向宁．高地震烈度区山体变形破裂机制地质分析与地质力学模拟研究［J］．成都理工大学学报，2006，12.

［2］田华．影响边坡稳定的因素分析［J］．山西水利，2004，03.

［3］文俊，廖建忠．岩质边坡稳定性分析方法综述［J］．西部挖矿工程，2012，06.

［4］许经宇．岩质边坡喷锚支护在老龙口水利枢纽工程中的应用［D］．大连理工大学，2012日左右提前到6月30日左右。

4.2结束日期变化趋势

从4个代表站1960—2013年高温施工季节结束日期逐年演变可以看出，高温施工季节结束日期年际变化具有较大波动，并且在8—9月份均有发生，但集中结束于8月底至9月中旬。

总体来看，高温施工季节结束日期呈现推迟趋势，其中大连推迟幅度较大，从8月19日左右推迟到9月1日左右。

4.3日数变化趋势

从4个代表站1960—2013年高温施工季节日数逐年演变可以看出，高温施工季节日数年际变化具有较大波动。4个代表站的高温施工季节日数均呈现延长趋势，其中大连延长幅度较大，从大于15 d延长到30 d。