巨型复杂岩溶大厅洞壁稳定性控制技术研究

熊高敏

广东省东莞市

523160

1前言

考虑到大范围的溶洞洞壁处于欠稳定的状态，单一的支护形式无法满足稳定性控制的需要。大量工程实践表明，对于破碎围岩中的大规模洞室稳定性，以锚杆、锚索、喷射混凝土与钢筋网联合支护的支护形式（简称锚-网-喷支护）往往具有较好的效果。该方法主要针对岩体因塑性大变形而产生的变形不协调部位，通过关键部位的支护耦合使其达到变形协调，限制围岩产生的有害变形损伤，从而实现支护一体化、荷载均匀化，最终控制岩体稳定[21]。

在锚-网-喷支护体系中，锚杆通过与围岩相互作用而主导承载，同时可以防止岩体松动破坏；锚索具有较大的锚固深度，可将下部不稳定岩层锚固在上部稳定岩层中，同时，可以施加预应力，主动支护围岩，充分调动深层岩体强度；喷射混凝土与钢筋网可以将整个支护体系结合在一起，提高支护整体性，并防止局部垮落。

中铁五局集团第四工程有限责任公司在成贵铁路贵阳段玉京山隧道巨型暗河溶洞整治施工时，通过总结归纳国内外类似案例，并结合现场工程特点，提出了“C40钢纤维喷射混凝土+25m全长粘结性锚索+涨壳式预应力中空注浆锚杆”相结合的巨型溶洞洞壁锚-网-喷支护施工工法。该工法可有效控制巨型溶洞洞壁的稳定性，保障施工安全，成功解决了隧道穿越巨型暗河溶洞洞壁防护施工的技术难题。

2岩溶大厅洞壁锚-网-喷支护控制技术设计参数及要求

2.1  C40钢纤维喷射混凝土设计参数及要求

玉京山隧道D3K279+872~+958段位于岩溶大厅范围，釆用锚-网-喷进行隧道洞壁永久支护，为提高喷射混凝土的性能，增强喷射混凝土与围岩共同作业机理，以达到提高洞壁围岩稳定性的目的，喷射混凝土采用钢纤维喷射混凝土。钢纤维喷射混凝土示意图如图1所示。

图1  钢纤维喷射混凝土示意图

钢纤维喷射混凝土厚度为20cm，强度等级为C40，早期强度要求为8小时强度不低于5MPa，24小时强度不低于16MPa。此外，C40钢纤维喷射混凝土与岩石的粘结强度不小于0.8MPa，与混凝土的粘结强度不小于1.0MPa，粘结强度的试验方法应符合《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086）附录M的规定。

2.2  涨壳式预应力中空注浆锚杆设计参数及要求

玉京山隧道D3K279+872~+958段位于溶洞大厅范围，釆用锚-网-喷进行隧道洞壁永久支护，为增强围岩自稳能力，达到加强洞壁围岩稳定性的目的，洞壁锚杆采用涨壳式预应力中空锚杆进行加固。涨壳式预应力中空锚杆结构如图2所示。

图2  Φ32涨壳式预应力中空锚杆构造示意图

主要技术与参数要求包括：预应力中空锚杆采用Φ32涨壳式预应力中空锚杆，锚杆长度为5m；Φ32涨壳式预应力中空锚杆设计预应力为90kN，超张拉为1.15倍设计预应力，即103.5kN，锁定初始预加力为60kN；锚杆钻孔直径为75mm，以保证锚杆砂浆保护层厚度不小于20mm；注浆采用M35水泥浆，水灰比为0.45~0.5；涨壳式预应力中空锚杆构造如图4.1.2-1所示。

2.3  全长粘结锚索设计参数及要求

玉京山隧道D3K279+872~+958段位于溶洞大厅范围，釆用锚-网-喷进行隧道洞壁永久支护，为增强围岩自稳能力，达到加强洞壁围岩稳定性的目的，洞壁锚索采用全长粘结锚索进行加固。全长粘结锚索结构如图3所示。

图3  全长粘结型锚索结构纵断面图

全长粘结锚索设计参数具体包括：锚索长为26m，含张拉段长度1.5m，锚索间距2.0m（环向）×3.0m（纵向）；锚索钻孔直径为140mm，钻孔长度为25m；锚索采用9束公称直径为15.2mm环氧涂层钢绞线制作；锚索设计拉力为1200kN，初始锁定预加力取100kN。

2.4  锚杆锚索平面布置情况

玉京山隧道D3K279+872~+958岩溶大厅段锚杆锚索平面布置情况如图4所示。

图4  锚杆锚索平面布置示意

3岩溶大厅洞壁锚-网-喷支护控制技术施工流程及工艺试验

3.1  总体施工方案与工艺流程

开挖分A-1、B-1、A-2、A-3、A-4多个开挖面分阶段进行，其中A-1开挖面每循环进尺在2m以内，其余开挖面每循环进尺在3m以内。在每一循环开挖完成后，立即施作锚网喷支护、锚杆支护和锚索支护，该循环支护施作完成后方可进入下一循环。锚-网-喷控制方法施工工艺流程如下：施工准备→岩面处理→初喷→钻孔→锚杆安装→注浆→钢筋网挂设→复喷→下一循环施工。

3.2  C40钢纤维喷射混凝土配比优化试验

考虑到隧址的围岩地下水及岩溶大厅的洞壁裂隙水较发育，且溶洞洞壁节理、裂隙多，受扰后岩体易产生拉裂、剪切塑性破坏，产生有害变形损伤，一般的喷射混凝土抗拉强度低，无法满足溶洞洞壁稳定性控制的需要，难以实现较好的开挖支护效果。

因此，现场利用钢纤维抗拉强度和抗冲击强度高的力学特性，采用钢纤维喷射混凝土替代传统的喷射混凝土，提高锚

-网-喷支护结构的整体力学性能，进而限制围岩有害变形损伤，有利于控制溶洞洞壁及岩体稳定。为保证钢纤维喷射混凝土材料在岩溶大厅环境下的工作性能，需进行配比优化试验，根据现场施工情况和相关规范要求，确定钢纤维喷射混凝土的最优配比。

3.2.1试验方案

根据现场前期试验成果，对试验原材料的选用提出以下要求，具体试验原材料及其品种规格如表1所示。各项材料的具体要求如下：

水泥：根据现场前期试验成果，选用现场P.O 52.5水泥。

细集料：根据现场前期试验成果，选用现场细度模数2.6、含泥量不超过3%的河砂。

粗骨料：宜选用5~12mm规格的碎石。

水：宜选用满足相关规范要求的洁净水。

减水剂：根据现场前期试验成果，选用现场中铁五局25%减水率的聚羧酸型高效减水剂。

速凝剂：选用早期强度较好的巴斯夫无碱液体速凝剂。

外掺料：根据耐久性电通量要求，选用中铁岩锋高性能掺合料。

钢纤维：根据阻裂及设计掺量要求，宜选用长径比65、长度35mm的分散性较好的贝卡尔特钢纤维。

表1  试验原材料及其品种规格

CF40	水泥	掺合料	细 骨料	粗骨料	钢纤维	水	减水剂	速凝剂
品种 规格	P.O52.5	中铁 岩锋	中砂	5~12mm	贝卡 尔特	拌合用水	现场 聚羧酸	巴斯夫 无碱

3.2.2钢纤维喷射混凝土试验性能要求

溶洞大厅钢纤维喷射混凝土的强度等级C40，8h小时强度不低于5MPa，1d强度不低于16MPa，与岩石粘结强度不低于0.8MPa，与混凝土粘结强度不低于1MPa；喷射混凝土材料抗渗等级不低于P20、电通量不超过1500库仑。

混凝土出机坍落度200~240mm，喷射坍落度140~180mm。

3.2.3 实验流程

（1）混凝土拌和

钢纤维喷射混凝土必须在强制式搅拌站集中拌合，搅拌站计量系统满足相关规范要求且各种原材料须准确计量。其中掺合料和钢纤维必须固定2人进行添加。先加入粗骨料，再加入钢纤维和粗骨料一同搅拌至少1分钟，然后加入细集料、胶凝材料、减水剂、和水一同搅拌至少2分钟，总计搅拌时间不小于3min，不宜超过4min。在保证混凝土不离析、不泌水的前提下，混凝土出机时坍落度控制在200~240mm，喷射时的坍落度控制在140mm以上。因钢纤维喷射设备筛网孔径变大，严格控制骨料超粒径石，不得有大于16mm的碎石，搅拌机骨料仓不得和其他粒径骨料混仓或交叉。

（2）喷射试验

钢纤维喷射混凝土在大型搅拌站拌合，由混凝土罐车运输至施工作业点，采用湿喷机械手进行喷射作业，以保证工程质量。

喷射设备准备：因为要进行35mm钢纤维喷射，湿喷机组筛网进行改造，筛网孔径改为40×45mm，或者取掉不用。

喷射方量：为达到较好喷射效果，建议每个配合比进行一整环喷射，长度可为1米左右，单个配合比喷射量为10方左右。

试验段喷射施工：拆除作业面障碍物、清除浮石和墙脚的岩渣、堆积物；喷射前应用高压风、水清洁受喷面；喷射作业应分区、分片进行；喷射顺序：先墙后拱，自下而上；边墙自墙基开始，拱部自拱脚开始；一次喷射厚度：边墙80~150mm，拱部60~100mm；分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用高压风或水清洁喷层表面；喷射时喷头方向与受喷岩面夹角≥75°，喷嘴与受喷岩面距离保持在0.6~1.5m范围；扫面时喷嘴与受喷岩面距离保持在1.5~2 m范围；喷射时在保证不堵管的情况下工作风压尽量小以减少回弹，扫面时可适当增大风量以保证喷射面的平整度。

（3）混凝土取样及性能试验

混凝土28天强度满足C40要求，需检测8h、1d、7d、28d强度，共计4组试件（试件可多喷，灵活检测强度）。每个配合比需要喷射标准大板2个，大板尺寸可为450×450×120mm，大板均为无底开口试模。喷射成型后，到一定强度后（2-3d最佳）加工成100×100×100mm的试件，养护至相应龄期测定混凝土强度。考虑8小时强度试件加工破坏，试件单独喷射，大板尺寸为250×250×120mm（每个配合比1个）。

混凝土抗渗等级达到P20，需要喷射180mm厚的大板，大板尺寸可为450×450×180mm，并加工成直径150mm、高度150mm试件（每个配合比3个），通过砂浆灌注成型为抗渗试件，养护至龄期后进行抗渗试验。

混凝土抗折试验，需喷射120mm厚大板，大板尺寸可为500×450×120mm，加工成100×100×400mm试件（每个配合比3个），养护至龄期后进行抗折试验。

喷射取样前需对工艺试验需要喷射的区域进行标记，特别是钻芯的部位重点标识，避开钢筋网的同时，确定喷射厚度达到150mm以上。（Ⅴ）大板喷射完成后，需对试件进行保护，表面遮盖避免回弹物和杂物，并且8h内不得搬动。28d龄期到后，在现场进行实体钻芯检测28d钻芯强度。

3.2.4试验结果

与普通喷射混凝土相比，钢纤维喷射混凝土能在抗拉、抗冲击等方面改善混凝土的力学性能，在大跨度地下洞室的支护中得到广泛应用。根据相关规范以及现场施工条件，选取

3组钢纤维喷射混凝土配合比进行工作性能试验。各组配合比及试验结果如表2所示。

表2  C40钢纤维喷射混凝土性能试验结果

编号	各组分材料掺量 (kg/m3)								坍落度 (mm)	初凝时间	终凝时间	立方体抗压强度(MPa)
	水泥	粉煤灰	砂	碎石	水	减水剂	速凝剂	钢纤维				1d	7d	28d
1#	538	95	819	754	190	6.96	31.6	30	181	3min15s	8min7s	15.4	36.4	45.5
2#	505	89	838	771	190	6.53	29.7	30	175	4min17s	9min12s	12.4	35.0	43.7
3#	475	84	854	786	190	6.15	27.9	30	160	5min11s	9min15s	10.4	31.8	40.0
4#	505	89	838	771	190	6.53	29.7	25	164	4min15s	9min17s	8.2	29.1	35.9
5#	505	89	838	771	190	6.53	29.7	35	157	4min10s	9min11s	13.2	35.7	45.1

材料性能试验表明，胶凝材料水胶比的变化会导致外加剂掺量变化，从而显著影响钢纤维喷射混凝土的工作性能，当水胶比为0.32时（试组2#），钢纤维喷射混凝土可以达到较理想的和易性及工作强度，能够满足喷射期间的流动度、回弹率以及作为支护体系的强度要求。在此水胶比基础上，对钢纤维掺量进行了优化设计，试验结果表明，钢纤维掺量显著影响材料的强度性能，综合考虑支护体系稳定性及工程成本，选取2#试组的配合比为最优配比。

为验证钢纤维喷射混凝土材料在岩溶大厅环境下的工作性能，以隧道大里程端施工辅助通道交叉口为试验段进行材料试喷，并通过钻孔取芯对材料与岩体的粘结强度、芯样抗压强度进行测试。测试结果表明，最优配比下的C40钢纤维喷射混凝土在岩溶大厅环境中的各项工作性能可满足相关规范要求。现场试喷及取芯试验结果如表3所示，试验情况如图5所示。

表3钢纤维喷射混凝土试喷及取芯试验情况

测试项目	测试结果	规范限值
初凝时间	4min29s	5min
终凝时间	9min36s	10min
回弹率	7.6%	10%
粘结强度（28d）	1.8MPa	1.0MPa
芯样抗压强度（48d）	45.8MPa	35MPa

图5钢纤维喷射混凝土性能试验情况

4结论

本文针对玉京山隧道巨型岩溶大厅穹顶稳定性问题，判断采用单一的支护形式无法保证岩溶大厅洞壁稳定，为确保施工安全，研究应用了洞壁锚（索）-网-喷支护控制技术对溶洞穹顶进行加固，提出了锚杆、锚索以及C40钢纤维喷射混凝土的具体设计参数和设计要求，并基于上述设计参数及要求，制定了严格卡控要点的施工工艺流程，开展了现场施工工艺试验，主要结论如下：

（1）考虑到大范围的溶洞洞壁处于欠稳定的状态，单一的支护形式无法满足稳定性控制的需要，在玉京山隧道巨型岩溶大厅洞壁稳定性控制中，研究应用锚-网-喷支护的控制方法，支护结构与材料包括C40钢纤维喷射混凝土、全长粘结锚索以及中空注浆锚杆，并提出了其具体设计参数及设计要求。

（2）通过工艺优化、参数调整以及现场试验，确定了支护结构与材料满足设计要求及相关规范要求的最优配比、最佳参数及施工工艺。