地下水封石洞油库锚喷支护体系的思考与展望

(中冶建筑研究总院 地基与地下工程研究所, 北京 100088)

1 研究背景

我国地下水封洞库工程建设正在迅速发展，锚喷支护体系的设计和施工是影响地下水封洞库长期稳定和安全运行的关键因素。近10多年来，我国地下工程锚喷支护体系取得了许多令人瞩目的新进展与新成就[1]，如水利水电工程中大跨度、高边墙洞室群单一型锚喷支护体系的设计和应用技术[2-3]；煤矿巷道、采场开挖工程普遍采用以树脂卷锚固料，小直径高强钢筋杆体为主要特征的低预应力锚杆体系加固软岩与煤层[4]；钢纤维喷射混凝土、高性能喷射混凝土、高生产率的泵送型湿拌喷射混凝土、涨壳式中空注浆锚杆的应用与发展等。但是也应看到一些隧道开挖工程中锚杆支护质量低下的现象仍较严重，在III，IV级围岩中采用密排(间距0.5 m)高度≥25 cm的型钢拱架与厚30 cm以上的喷射混凝土作初期支护(后期再施作50 cm厚的混凝土衬砌)的情况并不少见，诸如此类偏移岩石地下工程现代支护基本原则与方向的问题应当着力加以扭转。欣慰的是，因工作关系，近期笔者2次赴黄岛考察地下水封油库工程，该工程的锚喷支护质量是一流的，体现了现代支护保护、发挥和加强围岩自承能力的基本原则。

作为50 a前就开始从事喷射混凝土、锚杆支护技术研究的老科技工作者，笔者及其所领导的科研小组曾于1965年在国内最早成功研究喷射混凝土技术，并于同年和次年将喷锚支护技术成功应用于鞍钢弓长岭矿浅埋岩石隧洞和本钢南芬选矿厂长2.0 km，并通过碳质、钙质和硅质页岩互层的通水隧洞。当前我国地下水封油库工程正积极发展的新形势引发了笔者对发展地下水封油库锚喷支护体系的一些思考，现汇集成文，以期引起同行们的讨论和共鸣，共同为充实发展地下水封油库“围岩-锚喷支护”承载体系的理论与实践而不懈努力。本文研究成果可对我国大型地下水封洞库锚喷支护体系的设计施工提供指导，对地下水封洞库的长期稳定和安全运行有重要作用。

2 黄岛地下水封油库锚喷支护体系工程质量评估

黄岛地下水封洞库是我国最早建造的一座大型地下水封原油洞库，设计贮油容量为300×104m3，共有9个主洞室，洞跨20 m，洞高30 m，断面呈直墙拱形，各洞室长484～777 m不等。主洞室所处岩体主要为花岗片麻岩，呈块状结构，岩体较破碎至较完整，局部岩体绿泥石化严重，强度明显降低。花岗片麻岩体内赋存孔隙水和基岩裂隙水。主洞库围岩以II，III级为主，约占主洞室区围岩的80%，IV级围岩较少，约占8%。根据不同围岩级别，分别采用了系统锚杆-喷射混凝土支护、系统锚杆-钢纤维喷射混凝土支护、系统描杆-挂网钢纤维喷射混凝土支护和顶拱部加钢筋格构梁与局部长锚杆的系统锚杆-钢纤维喷射混凝土支护等4种支护型式，具体参数见表1。该工程实施了对各洞室围岩变形和锚杆应力的系统监测，并能及时整理和反馈监测信息，适时调整支护参数与支护时机。

表1 黄岛水封油库主洞室锚喷支护参数Table 1 Parameters of anchor-shotcrete support for the main chamber of Huangdao underground water-sealed oil cavern

在洞室岩石开挖和锚喷支护施工方面，控制爆破效果甚佳，可以清晰地看到，一系列整齐有序的半圆状炮眼裸露于岩面，这种受爆破扰动小和表面平整的围岩条件为发挥锚喷支护的加固效应打下了良好基础。

应用高生产率的湿拌法喷射混凝土，可由机械手操纵喷嘴，伸向掌子面进行连续的喷射作业，在岩石开挖后及时迅速提供支护抗力，对抑制围岩早期松动变形、提高喷射混凝土匀质性及改善工人劳动条件都是十分有利的。

钢纤维喷射混凝土及掺矿粉喷射混凝土的应用可大大提升喷射混凝土的早期强度、粘结强度、抗裂性、抗渗性和耐久性。高性能喷射混凝土与密集的系统锚杆相结合的支护体系，是构成发挥和强化围岩自支承力、保障地下水封油库工程长期安全工作的两大支柱。

试验与检验结果表明，黄岛水封洞库喷射混凝土的各项主要性能指标均达到国内外相关规范的要求标准，品质是一流的。其中喷射混凝土各龄期的抗压强度：8.5～10.6 MPa(1 d)；15.7～30.9 MPa(3 d)；25.0～46.2 MPa(28 d)。喷射混凝土与岩石间的粘结强度为1.21 MPa；钢纤维喷射混凝土龄期28 d的小梁荷载试验表明，梁挠度为2 mm时，其残余弯曲应力为4.2～4.5 MPa。

目前，9条主洞开挖与支护工程已基本完成，实测的洞库测点位移最大值一般为2.33～6.55 mm；仅有2个洞库测点位移最大值分别为9.9和11.38 mm。洞库位移已经稳定。设计要求的渗水控制目标为300 m3/d，经采用超前预注浆和后注浆等堵漏技术，目前洞库的实际渗水量已由注浆前的500～600 m3/d降到120～150 m3/d，大大低于设计要求的渗水控制量。

综上所述，笔者认为黄岛水封油库锚喷支护体系设计合理，工程质量优异，综合设计施工水平达到国际先进水平，该工程的锚喷支护体系能够保障水封洞库的长期稳定和安全运营。

3 围岩的自支承能力

岩石隧洞洞室工程传统支护的力学概念是支护与围岩相分离，一概视围岩为荷载，依赖支撑体自身的结构强度，被动地承受围岩荷载，以维护地下空间的稳定。作为现代支护的锚喷结构的力学概念则截然不同，它是与围岩紧密粘结、融成一体、不可分割的，视围岩为承载结构的主要组成部分，依靠能动地发挥自身的及时性、粘结性、柔性、深入性、灵活性和密封性等独特的工作特性[5]，调动、利用和提升围岩的自支承力，维护地下洞室的长期稳定。

锚喷支护对块状、碎块状岩石的加固作用早在20世纪70年代末，曾被我国冶金部建筑研究总院程良奎、庄秉文用喷射混凝土和锚杆加固块状围岩拱的试验[6]所验证。该试验揭示了锚喷支护的粘合效应和深入效应对提升围岩自支承力、抑制围岩变形的显著作用。试验成果发表后，曾引起地下工程界的普遍重视和积极反响，至今仍被有关专业人士所引用。

块状围岩拱由34块混凝土块拼装而成，断面高300 mm，宽250 mm，净跨2 000 mm，拱高500 mm。当拱端水平与垂直方向受到约束，采用4点加荷(图1)，荷载加至73 kN时，拱件即破坏。当拱件内缘施作厚10 cm，C25强度等级的喷射混凝土层支护，在拱的边界约束与加荷方式不变条件下，则拱的破坏荷载为未支护拱的9.6倍，50 kN荷载时，拱中挠度仅为未支护拱的4.4%(表2)。拱件破坏时，被径向裂缝分割的混凝土块件，仍牢固地同喷射混凝土粘结在一起。

表2喷射混凝土和锚杆加固块状围岩模拟试件加荷试验结果

Table2Resultsofloadingtestsonsimulatedspecimensforthesurroundingrockblockreinforcedbyshotcreteandanchors

试件名称试件形式与加荷方式断面尺寸/(mm×mm)净跨/mm拱高/mm破坏荷载/kN50 kN荷载时的拱中挠度/mm块状岩石拱250×3002 000500 739.0喷射混凝土加固块状岩石拱250×4002 0005007010.4锚杆加固块状岩石拱250×3002 0005005071.2

注：每组试件3个，荷载及挠度为平均值。

图1 块状岩石加固拱试验实况Fig.1 Test of strengthening rock block arch

从表2的加荷试验结果还可看到，当用10根Φ8 mm的灌浆钢筋锚杆加固后，拱的承载力提高了6.9倍，50 kN荷载时的拱中挠度仅为未支护拱的13.3%。锚杆支护的破坏过程，首先在拱的内表面2根锚杆间被2组裂隙交割的混凝土块处，由于裂隙面的张裂失去约束而掉落，随着荷载的增加，此处上层混凝土块逐渐被压碎，导致整体破坏，破坏时没有发生锚杆拔出或拉断、剪断现象，而且锚杆将周围的混凝土仍牢固地固结着。这些现象表明，锚杆首先是把被它穿过的岩块锚固在一起，提高了岩体的抗剪强度和整体性，并保持了锚杆间岩块的镶嵌和咬合作用，从而限制了岩块的松动和掉落，维护了围岩的稳定性。

4 关于锚喷支护体系设计

我国正在建设中的地下水封油库属大跨度、高边墙洞群工程，围岩地质条件一般好或较好，围岩等级属Ⅱ和Ⅲ级居多，局部为Ⅳ级，采用适宜的锚杆-喷射混凝土支护类型与参数，是能满足地下洞库长期稳定和安全工作需要的。锚喷支护体系的设计则应采用工程类比与现场监测相结合的方法。

根据国家标准GB50086(修订)报批稿关于隧洞洞室锚喷支护类型参数的规定，结合黄岛水封油库锚喷支护设计经验，为确保地下水封油库的长期稳定和安全工作，建议按不同围岩等级，采用下列锚喷支护类型与参数：

(1) Ⅰ级围岩、跨度20～25 m、高跨比≤1.5的洞室，宜采用厚100～120 mm的喷射混凝土和L=3.0～4.0 m、间距1.5～2.0 m的锚杆支护。

(2) Ⅱ级围岩、跨度为20～25 m、高跨比≤1.5的洞室，宜采用厚120～150 mm的钢筋网喷射混凝土和相间布置L=4.0 m的低预应力锚杆与L=2.5～3.0 m的普通水泥砂浆锚杆支护，锚杆间距1.5～2.0 m。

(3) Ⅲ级围岩、跨度为20～25 m、高跨比≤1.5的洞室，宜采用厚150 mm的钢纤维或钢筋网喷射混凝土和L=4.0～5.0 m，间距1.5～2.0 m的低预应力锚杆或相间布置L=4.5～6.0的低预应力锚杆与L=3.0～4.5 m的普通水泥砂浆锚杆，间距为1.5 m。

(4) Ⅳ级围岩、跨度15～20 m、高跨比≤1.5的洞室，宜采用厚200 mm的挂网钢纤维喷射混凝土和顶拱安设钢架或格栅拱架(间距2.4 m)，相间布置L=6.0,4.5 m，间距1.2 m的低预应力锚杆支护，必要时，局部加L≥10 m的预应力锚杆。

(5) 当洞室高跨比>1.5时，应加强洞室侧墙的锚杆支护，必要时尚应布置L≥10 m的预应力锚杆。

5 低预应力锚杆

在大跨度、高边墙的水封洞库锚喷支护工程中，采用单一的全长粘结的水泥砂浆锚杆是不相宜的。这种非预应力锚杆是一种被动的支护结构，控制围岩位移的能力差，只有当围岩发生明显的位移时，锚杆才能发挥作用。当围岩位移增大后，锚杆的轴力和剪应力主要集中分布在锚杆前端，长尺寸的非预应力锚杆根部相当长的范围内，锚杆筋体是很难发挥其力学效应的。注浆体受拉后易开裂，不利于筋体防腐。此外，这种锚杆的质量和承载力也很难检验。

在水封洞库工程中，采用系统布置的低预应力锚杆(张拉锚杆)则是很适宜的。因为它同高预应力的长锚杆一样，都具有以下独有的工作特性和显著的力学效应:

(1) 能在开挖后迅速对开挖岩体提供足够的支护抗力。

(2) 提高锚固岩体内软弱结构面或潜在滑移面的抗剪强度。

(3) 改善锚固范围内岩体的应力状态，形成压应力岩石拱(图2)。

图2 用均布预应力锚杆加固破碎岩体Fig.2 Reinforcement of fractured rock body byuniformly prestressed anchors

(4) 系统布置的低预应力锚杆被张拉锁定后，筋体与岩壁间的水泥浆体处于零应力(围岩无位移)和低拉应力(围岩稍有位移)状态时，不易开裂，有利于杆体的防腐保护。

(5) 通过锚杆的张拉工序，能有效地检验锚杆的承载力和品质。

关于低预应力锚杆品种选择问题，当前国内大型洞室系统锚杆支护所用的涨壳式中空注浆锚杆、树脂卷锚杆、快硬水泥卷锚杆都是技术成熟和质量可靠的。涨壳式中空注浆锚杆与树脂卷锚杆可在安设后立即或几分钟内达到设计抗拔力，锚杆成本相对较高，快硬水泥卷锚杆约在安设后24 h达到设计抗拔力，成本较低。此外，粘结型锚固头锚杆可适用于任何岩体，而机械型(涨壳式)锚固头锚杆则不适用于Ⅳ和Ⅴ级围岩。

6 喷射混凝土

6.1 钢纤维喷射混凝土

喷射混凝土虽具有许多良好的性能，但它却有抗拉强度低和脆性较大等缺点。钢纤维喷混凝土则同时含有抗拉强度低的混凝土基材和抗裂性大、抗拉强度和弹性模量高的钢纤维材料，这种复合材料可大大改善喷射混凝土的性能[7-9]，特别是钢纤维喷射混凝土的高早期强度、高韧性和低收缩率，对满足水封洞库的长期安全工作具有良好的适应性。

图3 钢纤维喷射混凝土的早期相对强度Fig. 3 Relative strength of steel fiber reinforced shotcrete in early stage

(1) 48 h内的早期强度：在喷射混凝土中加入适量的钢纤维后，可明显改善48 h内抗压强度，图3为含2%体积的钢纤维喷射混凝土与不含钢纤维普通混凝土早期相对强度的比较[7],图中横坐标为对数坐标。

此外，采用钢纤维喷射混凝土可以省去在岩面上铺设钢筋网的工序，且在采用机械手喷射时，喷射混凝土生产量可达15～20 m3/h，这样就可在开挖后立即连续地进行大面积的喷射作业，迅速获得高早期强度的钢纤维喷射混凝土支护，这样阻止岩石松动和控制围岩变形的能力可得到显著提升。

(2) 韧性:良好的韧性(残余抗弯强度)是钢纤维喷射混凝土的重要特性。所谓韧性也就是小梁试件从加荷开始直至破坏所做的总功。韧性的大小常以荷载-挠度曲线与横坐标所包络的面积表示。国外采用100 mm×100 mm×350 mm(高×宽×长)的小梁荷载试验表明，钢纤维喷射混凝土的韧性比素喷混凝土可提高10～15倍。国内冶金部建筑研究总院采用70 mm×70 mm×300 mm(高×宽×长)试件的荷载试验表明，钢纤维喷射混凝土的韧性约为素喷混凝土的20～50倍(图4)。高韧性的钢纤维喷射混凝土具有较高的残余抗弯强度，可以提升喷射混凝土层的抗弯能力及在较大围岩变形条件下工作的适应性。

图4 钢纤维喷射混凝土小梁的荷载-挠度曲线Fig.4 The load-deflection curves of steel fiber reinforced shotcrete beam

(3) 收缩：冶金部建筑研究总院的试验表明，当在每立方米喷射混凝土中加入90 kg抗拉强度为380 MPa的钢纤维后，各龄期喷射混凝土的收缩量均明显降低，在不掺速凝剂情况下，一般减少20%～80%，在掺速凝剂情况下，一般减小30%～40%。钢纤维喷射混凝土上收缩量的减少，有利于控制喷射混凝土的收缩裂缝。

6.2 掺加硅粉的喷射混凝土

随着混凝土配制理念的更新，国内外喷射混凝土混合料的配制已发生很大变化，以往单纯以水泥作为胶凝料的混凝土配制已逐渐转化为以水泥为主，辅以粉煤灰、矿渣粉和硅粉等外掺料作为胶凝料来配制喷射混凝土。这样，不仅节约了水泥，而且喷射混凝土的性能也有很大改善[7-8]。

应当特别指出，在喷射混凝土中加入占水泥重8%～10%的硅粉，对喷射混凝土性能的改善最为明显[7-8]。

硅粉是制造硅铁金属的副产品。将高纯度的石英和煤在电弧炉内还原，从过滤炉排出的气体中可得到硅粉。这种散发在气体中的硅粉含有65%～97%的SiO2且比表面积很大(20～35 m2/g)，即其微粒尺寸为水泥的1/60～1/100。在喷射混凝土中掺入适量的硅粉，具有以下突出作用:

(1) 硅粉、水泥与水作用后，有很高的黏聚性，减小了喷射混凝土的离析和泌水现象，能提升喷射混凝土与岩层间及混凝土层自身的粘结效应。

(2) 超细颗粒的硅粉充填水泥质点间的微细孔隙，并堵塞混凝土内的毛细孔，能显著改善喷射混凝土抗渗性和耐久性。

图5 硅粉的化学作用Fig.5 Chemical action of silicon powder

(3) 水化水泥生成的Ca(OH)2与硅粉中的SiO2作用后形成稳定的钙化硅(图5)，可显著提高混凝土的密实性和抗压强度。干拌法喷混凝土掺入硅粉后，7 d龄期混凝土抗压强度达到40 MPa或50 MPa[9]。

此外，据称加入硅粉胶凝料的新鲜喷射混凝土具有极高的黏聚性，可使回弹率显著降低，如加拿大的试验资料表明，掺入占水泥重12%硅粉的干拌法喷射混凝土，回弹率可减少40%(侧墙)和50%(顶拱)。挪威一些工程同时采用钢纤维和硅粉的湿拌喷射混凝土的回弹率仅为5%～8%(侧墙)和8%～12%(顶拱)。这样，由于回弹率的减少，或许就可以补偿掺加硅粉所增加的费用。

7 监测与试验

对大跨度、高边墙洞库的锚喷支护设计，单独应用工程类比法是不合适的。洞室围岩是十分复杂的地质体，开挖后的围岩地质很可能与原先判定的围岩级别存在差异，而根据工程类比法设计的锚喷支护类型与参数对控制围岩变形的适应性也必须由实测的数据加以验证。因此对锚喷支护体系的现场监测是不可缺失的。

实施现场监测的洞室必须进行围岩地质和支护状况的观察及周边位移、拱顶下沉和锚杆初始预应力变化量测。当设计有要求时，尚应进行围岩内部位移、围岩与喷层间接触应力和锚杆内力等项监测。选择有代表性地段，进行围岩与喷层间接触应力(切向应力与径向应力)监测，若测得的切向应力远大于径向应力，则表明喷层与围岩间粘结良好，已形成稳定的“围岩-锚杆-喷射混凝土”承载环体系[10]。

各项量测点原则上应安设在距开挖面1.0 m范围以内，并应在下一次工作面开挖前读取初读值，每一项量测的间隔时间可根据该项目量测数据的稳定程度确定和调整。

锚喷支护的试验和检验也很重要，它是检验锚杆、喷射混凝土质量的主要手段。必须进行的试验指标有预应力锚杆的极限承载力，喷射混凝土1，3和28 d龄期的抗压强度，喷射混凝土与围岩间的粘结强度(现场试验)，钢纤维喷射混凝土的残余抗弯强度等项目。

8 防堵相结合的渗漏水综合防治技术

对依靠稳定的地下水位的密封作用储藏原油的水封油库，其渗漏水的控制和防治十分重要。应根据围岩地下水发育情况和渗流特征，采用防堵结合的渗漏水控制方法，建议的渗漏水防治技术有：

(1) 利用端头锚固的低预应力系统锚杆已有的垫板和注浆(排气)管等装置，在锚杆安设过程，将原有的杆体防腐保护注浆压力提高至1.0 MPa以上，导致浆液向钻孔周边的岩石裂隙中渗透和固结，力求在洞库周边形成4～5 m厚具有加固和防渗双重作用的岩石环。

(2) 采用掺加硅粉或优质防水剂的喷射混凝土，提高喷射混凝土自身的密实性和抗渗性。

(3) 实施以上2种方法后仍有渗漏的区段采用注浆堵水。

9 结 语

锚喷支护系统是地下水封油库建设工程的重要组成部分，它既有保持洞库长期稳定的需要，又有满足支护结构控制渗漏和耐久性的要求，因而必须从工程勘测、设计、施工、试验、监测等各环节，努力打造高性能、高品质的锚喷支护体系。

水封油库高性能、高品质的锚喷支护体系的目标与内涵应包含以下主要内容：① 最大限度地保护、发挥和强化围岩的自支承能力；② 完善工程类比法与监控量测法相结合的设计方法；③岩石开挖采用严格的控制爆破技术；④洞库围岩系统锚杆采用低预应力锚杆(张拉锚杆)；⑤采用掺硅粉、钢纤维的湿拌法喷射混凝土技术；⑥系统地实施现场监测，坚持信息化设计与施工；⑦采用经济有效的渗漏水综合防治方法。

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