摘要：超前锚固，主要是隧洞开挖施工中通过不利地层的一种支护措施。超前锚固可以改善地层的力学性能，提高围岩的自稳能力，使开挖后能有充足的时间进行加强支护，保证开挖施工的顺利进行。在高边坡开挖中遇有不利地层时，根据具体情况选用相应的超前锚固措施，也可取得满意的支护效果。基于此，本文主要对水利工程超前锚固的施工进行分析探讨。
关键词：水利工程；超前锚固；施工
1、前言
常用的超前支护主要有超前锚杆、管棚、超前灌浆、人工冻结法等。由于地质性质不同，施工实践中形成了在支护原理、施工工艺上各不相同的超前支护技术。在结构破坏的硬岩、松散破碎及软土中多采用超前锚杆、管棚等支护;在裂隙或带孔硬岩地层、卵石砾石地层中采用灌浆法;在渗水严重、地层可灌性差的冲积地层中采用人工冻结法等。
2、超前锚杆
2.1超前锚杆
在已开挖的掌子面上，向前方没有开挖的地层中施作锚杆进行支护，通过锚杆加固提高岩块之间的镶嵌能力，提高围岩的内摩擦角，使前方地层在没有开挖之前得到有效的加固，此种锚杆即为超前锚杆。超前锚杆布置的原则：开孔位置应在设计边线外侧，一般为5cm～l0cm。锚杆的轴线方向与开挖边线（隧洞轴线）夹角应为5°～30°。如围岩比较破碎，取较大角度，以便形成一定厚度的承载拱。超前锚杆的间距应不大于破碎岩块粒径的3倍，一般取10cm～30cm。由于在开挖边线外采用小间距的锚杆进行支护，使锚杆和岩块成为整体受力结构，即组合成承载板梁结构，承受围岩的坍塌变形应力，以达到开挖初期的围岩自稳，提供开挖后期的加强支护施工时间。超前锚杆的设计参数可参照表1选择。超前锚杆支护一般应与系统锚杆、钢拱架、加强挂网喷混凝土支护联合使用。其具体布置见图1和图2。
表 1 超前锚杆设计参数表
注：1 外插角为锚杆与隧洞纵向开挖轮廓线间的夹角。
超前锚杆的长度应与掘进循环进尺一起考虑，并应根据实际施工能力适当选择。
图 1 多排超前锚杆支护布置图
图 2 单排超前锚杆支护布置图
多排超前锚杆适用于围岩较破碎地段，在隧洞同一横断面内应有两排以上超前锚杆，以加大围岩加固范围。单排超前锚杆应有不小于1m的搭接长度，在隧洞同一横断面，除搭接部分为双排锚杆，其余部位为单排锚杆。单排超前锚杆一般用于围岩破碎不严重的地段，与开挖边线夹角为5°～10°，起到加固周边围岩和锚杆棚的作用。
2.2超前锚杆材料选择
超前锚杆材料一般常用Ⅱ级钢筋，也可用I级、Ⅲ级钢筋，钢筋直径可根据围岩情况和造孔机械选定，一般为Φ22mm～Φ36mm。超前锚杆长度根据围岩和循环进尺选定，一般不应小于循环进尺的2倍，即3m～5m，以满足开挖循环后的支护和锚固长度的要求。如采用多排超前锚杆，可适当加大锚杆长度，或缩小锚杆的排间距。
2.3超前锚杆钻孔
超前锚杆钻孔应采用钻爆开挖的钻孔机械，钻孔直径要求应和砂浆锚杆一致。开孔位置最好不与周边爆破孔重叠，以取得更好的支护效果。各钻孔的外插角应一致。在不易成孔的破碎围岩中施工时，可采用自钻式锚杆作超前锚杆。在松软的地层（如断层泥等）中可以不钻孔，将锚杆体前端制作成尖形，直接打入地层。钻孔应保证圆、直，深度达到设计要求，钻孔完成后应对钻孔清洗，保证孔内无残存岩粉和污物。
2.4锚杆注浆和安装
超前锚杆注浆和安装施工同砂浆锚杆，如要求其尽早起到支护作用。可在砂浆中加入早强剂。如采用自钻式锚杆应注入水泥浆，按自钻式锚杆施工方法进行施工。锚杆安装完成后不应马上进行爆破作业，应等强8h以上。
3、超前灌浆
3.1原理及适用情况简介
当隧道开挖面前方遇到含水裂隙岩层或松散地层时，采用灌浆超前支护，可以使松散岩土得到胶结硬化，提高其整体性和密实度，同时使裂隙和空洞得到填充，有效地控制地下水的渗流，从而达到封闭水源和加固围岩的目的，为隧洞开挖创造了一个有利施工的安全条件。超前灌浆的方法主要有工作面超前灌浆、地面朝前灌浆和导洞超前灌浆等。在洞内工作面前方开挖轮廓线钻孔灌浆（GFP）可有效地控制灌浆范围，因此在工程实践中采用这种方法，灌浆套管同时也可以起到预支护作用。
棚管加灌浆是20世纪80年代意大利工程承包商首先提出来的，并在浅埋交通隧洞的应用中获得成功。以后国外发达国家陆续开展管棚的应用研究，如日本新泻县公路隧洞穿过若软弱的砾石夹黏土和沙层时采用管棚灌浆护顶法施工，以防止人口稠密的居民区发生沉陷，管棚长度已达71.5m。美国华盛顿地铁工程成功实施了一套隧洞冠部长距离管棚灌浆超前支护方案，管棚长度目前居世界之最。我国也曾在浙江云寿红岩隧道的塌方整治工程中采用过26m长的灌浆管棚。
国内外对管棚的理论分析研究有一定的成果，主要有以下理论：梁理论，拱壳理论和弹性地基梁理论。分析其各自的优缺点：梁理论计算结构简单，容易操作，但不能完全反映管棚的受力特点，不能正确体现掌子面附近的动态;拱壳理论存在计算复杂且计算结果偏离，不安全。弹性地基梁的简单模式作为管棚的设计方法，是一种新的研究方向。
小管棚支护是超前支护的一种形式，其作用是超前锚杆和超前预固结的综合作用，其布置原则与超前锚杆支护基本一致。施工要点是：按超前锚杆施工，保证注浆质量，在保证钻孔内注浆饱满的条件下尽可能向破碎地层内注浆，使围岩在一定范围内被固结，提高围岩的自稳能力。
3.2工艺简介
超前灌浆注浆施工包括6个方面：掘进注浆洞室、钻凿注浆孔、注前准备、配置浆液、注浆、注浆管理。
（1）灌浆方式，即进行灌浆孔的布置形式。一般根据注浆工作面的大小和钻孔作业方便而定，有地面灌浆、工作面及双侧壁导坑、导洞灌浆等注浆方式。
（2）通常采用图1的工艺流程进行灌浆施工安排。在注浆钻孔前，对掌子面进行加固处理，以保证注浆时能承受注浆压力。对于围岩好的掌子面，进行全断面喷混凝土20cm～30cm厚封闭掌子面;对于围岩破碎、地质差的掌子面，则浇筑1.5m～3.0m厚的混凝土止浆墙。止浆墙做好并达到一定强度后，利用地质钻机进行超前取芯钻孔，以探明断层长度及断层内地质成分，为制定施工方案和确定注浆参数提供依据。
（3）注浆顺序及方式。注浆顺序一般是从拱顶顺序向下，先注内圈孔后注外圈孔（在双排或多排孔的情况下），先注无水孔后注有水孔。如遇窜浆或跑浆，则可间隔一孔或几孔灌注。对每一个孔，灌浆方式一般采用一次压入式，这种方式工艺简单，重复钻孔量小，可以用相对较高的压力把浆液压入较小裂隙，效果好。
（4）灌浆的质量检测。灌浆完毕后要进行效果检测，一般采用以下方法：一是利用开挖直接观察浆液在地层中的扩散、胶结情况以及堵漏效果;二是根据灌浆记录绘制压力（P）—注浆量（Q）—时间（T）曲线，综合分析注浆效果;三是开挖后采用径向钻孔，检查灌浆的有效范围;四是根据注浆前后地层声波速度的大小对比来判断浆液填充的密实程度;五是根据围岩变形及支护受力测量结果，间接判断灌浆改善岩的效果。
4、结语
超前支护作为一种隧洞施工技术，对隧洞的安全施工和提高施工进度意义重大。虽然超前支护技术在工程实际中的应用比较广泛，但发展还不够成熟，对其机理研究及参数设计远落后于工程实践，关于机理的研究多停留在定性的解释上，缺少完整规范的理论体系和计算方法。
参考文献：
[1]全国水利水电施工技术信息网.水利水电工程施工手册[K].北京；中国电力出版社，2002.
[2]水利电力部水利水电规划设计总院.预应力锚固技术[M].北京：水利电力出版社，2001.
论文作者:裴益
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/17
标签：超前论文; 锚杆论文; 围岩论文; 钻孔论文; 隧洞论文; 注浆论文; 地层论文; 《基层建设》2018年第23期论文;