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摘要：针对目前隧道及地下工程建设中部分工程技术人员存在的误区，从围岩松动圈理论出发，阐述围岩破坏理论和锚喷支护机理，并给出锚喷支护定量计算参考算法。
关键词：围岩松动圈；锚喷支护；理论计算
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
在隧道工程施工过程中，锚喷支护以其优质、高效、经济和便于机械化作业等特点已被广泛地应用于隧道及地下工程建设中，但从工程建设的实际情况来看，不少工程技术人员对锚喷支护的应用，陷入了一些误区，并由此导致这样或那样的问题。这些误区总结起来有以下几方面：
1、片面强调围岩强度，而忽视了对围巖等级的综合评判，导致盲目降低支护强度，诱发塌方事故。围岩等级划分标准受强度、节理、地下水、断层等地质因素综合影响，而不能单纯以围岩强度来定义，最突出的例子就是黄土高原上的土窑洞，周边土质强度并不高，却可以不进行支护自行成洞。
2、对于锚喷支护的选择，不加定量计算，盲目参考经验数据，不可避免地发生支护过强或偏弱，过强则造成投资浪费，偏弱则易诱发质量、安全事故。
3、施工过程中，规范意识差，随意性突出，锚杆角度、注浆饱满度、喷层密实度等达不到要求，很大程度上制约了锚喷支护效果。
以上误区，究其原因是部分工程技术人员缺乏对围岩破坏基本理论和锚喷支护基本机理的了解，缺乏对围岩特性和支护参数的定量计算。作者依长期施工实践和学习的体会，从围岩松动圈理论出发，对锚喷支护和岩体的共同作用机理谈一些粗浅的体会和认识，与读者共同研究，意在促进基本理论对现场施工的指导作用。
一、围岩松动圈理论和锚喷支护作用机理
隧道开挖后，地应力将在围岩中产生应力集中，若围岩应力小于岩体强度，围岩只产生弹性和塑形变形，不发生破裂；若围岩应力大于岩体强度，围岩就会破裂，产生大的变形。该围岩破裂的范围就称为围岩松动圈，它是围岩性质、地应力等多种因素的综合指标，不仅能综合地反映岩体性质、原岩应力、隧道断面、掘进方式等因素对围岩稳定的影响，而且能定量的反映围岩支护的难易程度。
围岩松动圈大小反映松动圈形成过程中所产生的碎胀变形量的大小，如果松动圈为零或很小，说明它自身可以平衡，不需要支护；当松动圈为0-400mm时，称小松动圈，为稳定岩层，由于碎胀力造成的围岩收敛变形较小，只喷砼即可有效支护；当松动圈为400-1500mm时，为中松动圈，此时锚杆应作为主体支护措施，主要起悬吊作用，喷砼起到局部支护和防止风化作用；当松动圈大于1500mm时，称大松动圈，此种岩层锚喷支护主要起组合拱作用，除此之外，还可视实际情况设置拱架支撑，与锚喷支护形成组合拱支护体系，对抗和延缓围岩松动变形。
二、锚喷支护在不同围岩中的支护机理及参数计算
1、小松动圈围岩
1.1、小松动圈围岩支护机理
围岩松动圈值Lp=0-400mm时，围岩因碎胀而造成的收敛量很小，支护锚杆不起作用，围岩只需单一喷射混凝土支护，其作用是及时封闭围岩防止二次风化潮解和提供支护力阻止危石掉落。
1.2、喷层厚度的计算
小松动圈围岩采用喷射混凝土支护，其喷层厚度按抵抗危石坠落和防止围岩风化计算，危石的稳定条件是喷射混凝土的抗冲切和粘结力必须大于危石的重量。
T≥KG/SR
式中：T：喷层厚度，m；
G：危石重量，N；
K：安全系数，一般取3；
R：喷射混凝土抗拉计算强度，施工现场确定，Pa；
S：危石与喷射混凝土接触面周长，m。
2、中松动圈围岩
2.1、中松动圈围岩支护机理
围岩松动圈值Lp=400-1500mm时，围岩碎胀变形较为明显，必须进行锚喷支护。支护的主体构件是锚杆，锚头必须锚固在松动圈以外稳定的岩体上，将松动圈以内的岩体重量悬吊起来，以达到安全支护的目的，此时锚杆主要起悬吊作用。
2.2、锚喷支护参数计算
锚杆长度按悬吊理论设计，计算式如下：
L=KLp+L1+L2
式中：L：锚杆长度，m；
Lp：围岩松动圈厚度，m；
K：安全系数，取2-3；
L1：锚杆锚入松动圈以外稳定围岩的深度，取0.3-0.4m，m；
L2：锚杆外露长度，取0.1m，m。
锚杆间、排距计算式：
a=
式中：a：锚杆间、排距，m；
Q：锚杆设计锚固力，KN；
γ：围岩的重力密度，KN/m³；
在中松动圈围岩锚喷支护中，锚杆是支护的主体，松动围岩体的碎胀力由锚杆承受；喷层只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制锚杆间非锚固区围岩的变形、阻止非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化，喷层厚度一般选取70-100mm。
3、大松动圈围岩
3.1、大松动圈围岩的支护机理
松动圈值Lp≥1500mm，为软岩，锚喷支护需视情况和拱架共同组成组合拱。锚杆是支护结构的主体构件，伸入围岩内部，与围岩相互作用形成的组合拱支护结构体，具有接近原岩强度和较好的可缩性能，能对隧道实行全方位的支护；喷射混凝土能够及时封闭围岩防止围岩风化潮解，并能充填围岩裂隙和补平岩壁凹凸表面，改善围岩的受力状态，同时对锚杆间围岩起支护作用；钢筋网能够改善喷层性能，提高喷层的抗变形、抗弯、抗拉和抗剪能力，增强喷层的整体性，保证锚杆间的表面支护强度。
3.2、锚喷支护参数计算
在大松动圈围岩中，由于锚杆长度很难深入到稳定岩层中，故锚杆受力设计重点应从悬吊作用转为组合拱作用，即由钢架、锚杆、钢筋网和喷射混凝土共同形成具有一定厚度和强度的拱形结构，以此来对抗和减缓围岩应力的释放。
b=
式中：b：组合拱厚度，m；
L：锚杆的有效长度，m；
α：锚杆在破裂岩体中的控制角，一般为40-45°；
a：锚杆间排距，m。
由上式可知，给定任一组L和a，就能得到一组b，方程式有任意解，但在工程实际中，确定锚杆的间排距更为重要。在大松动圈软岩支护中，要根据软岩的类别，通过调整锚杆长度和密度来选择合理的参数。钢架在软岩支护中起到加强组合拱的作用，工程实际中一般为格栅拱架和型钢支撑，根据围岩结构不同，其间距一般取500mm-2000mm。
大松动圈围岩主体支护主要是锚杆和钢架所形成的组合拱，喷射混凝土主要用以维护锚杆和钢架的稳定。软岩隧道中明显的收敛变形是正常的，过厚的喷层对组合拱强度增加无益，因此喷层厚度一般只为满足支护工艺和封闭围岩及钢架的要求，多采用200-300mm。钢筋网是为了提高喷层的力学性能，并可在喷层发生破裂时有效对围岩表面进行维护，实际施工过程中多采用Ø6-8mm圆钢焊接而成，网孔间距多为200mm×200mm。
参考资料：
《锚喷支护弹塑性设计理论及其工程应用》吴波等，2002
《土木原理与计算》 钱家欢等，1996
《隧道工程现场施工技术》 周爱国，2004
关键词：围岩松动圈；锚喷支护；理论计算
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
在隧道工程施工过程中，锚喷支护以其优质、高效、经济和便于机械化作业等特点已被广泛地应用于隧道及地下工程建设中，但从工程建设的实际情况来看，不少工程技术人员对锚喷支护的应用，陷入了一些误区，并由此导致这样或那样的问题。这些误区总结起来有以下几方面：
1、片面强调围岩强度，而忽视了对围巖等级的综合评判，导致盲目降低支护强度，诱发塌方事故。围岩等级划分标准受强度、节理、地下水、断层等地质因素综合影响，而不能单纯以围岩强度来定义，最突出的例子就是黄土高原上的土窑洞，周边土质强度并不高，却可以不进行支护自行成洞。
2、对于锚喷支护的选择，不加定量计算，盲目参考经验数据，不可避免地发生支护过强或偏弱，过强则造成投资浪费，偏弱则易诱发质量、安全事故。
3、施工过程中，规范意识差，随意性突出，锚杆角度、注浆饱满度、喷层密实度等达不到要求，很大程度上制约了锚喷支护效果。
以上误区，究其原因是部分工程技术人员缺乏对围岩破坏基本理论和锚喷支护基本机理的了解，缺乏对围岩特性和支护参数的定量计算。作者依长期施工实践和学习的体会，从围岩松动圈理论出发，对锚喷支护和岩体的共同作用机理谈一些粗浅的体会和认识，与读者共同研究，意在促进基本理论对现场施工的指导作用。
一、围岩松动圈理论和锚喷支护作用机理
隧道开挖后，地应力将在围岩中产生应力集中，若围岩应力小于岩体强度，围岩只产生弹性和塑形变形，不发生破裂；若围岩应力大于岩体强度，围岩就会破裂，产生大的变形。该围岩破裂的范围就称为围岩松动圈，它是围岩性质、地应力等多种因素的综合指标，不仅能综合地反映岩体性质、原岩应力、隧道断面、掘进方式等因素对围岩稳定的影响，而且能定量的反映围岩支护的难易程度。
围岩松动圈大小反映松动圈形成过程中所产生的碎胀变形量的大小，如果松动圈为零或很小，说明它自身可以平衡，不需要支护；当松动圈为0-400mm时，称小松动圈，为稳定岩层，由于碎胀力造成的围岩收敛变形较小，只喷砼即可有效支护；当松动圈为400-1500mm时，为中松动圈，此时锚杆应作为主体支护措施，主要起悬吊作用，喷砼起到局部支护和防止风化作用；当松动圈大于1500mm时，称大松动圈，此种岩层锚喷支护主要起组合拱作用，除此之外，还可视实际情况设置拱架支撑，与锚喷支护形成组合拱支护体系，对抗和延缓围岩松动变形。
二、锚喷支护在不同围岩中的支护机理及参数计算
1、小松动圈围岩
1.1、小松动圈围岩支护机理
围岩松动圈值Lp=0-400mm时，围岩因碎胀而造成的收敛量很小，支护锚杆不起作用，围岩只需单一喷射混凝土支护，其作用是及时封闭围岩防止二次风化潮解和提供支护力阻止危石掉落。
1.2、喷层厚度的计算
小松动圈围岩采用喷射混凝土支护，其喷层厚度按抵抗危石坠落和防止围岩风化计算，危石的稳定条件是喷射混凝土的抗冲切和粘结力必须大于危石的重量。
T≥KG/SR
式中：T：喷层厚度，m；
G：危石重量，N；
K：安全系数，一般取3；
R：喷射混凝土抗拉计算强度，施工现场确定，Pa；
S：危石与喷射混凝土接触面周长，m。
2、中松动圈围岩
2.1、中松动圈围岩支护机理
围岩松动圈值Lp=400-1500mm时，围岩碎胀变形较为明显，必须进行锚喷支护。支护的主体构件是锚杆，锚头必须锚固在松动圈以外稳定的岩体上，将松动圈以内的岩体重量悬吊起来，以达到安全支护的目的，此时锚杆主要起悬吊作用。
2.2、锚喷支护参数计算
锚杆长度按悬吊理论设计，计算式如下：
L=KLp+L1+L2
式中：L：锚杆长度，m；
Lp：围岩松动圈厚度，m；
K：安全系数，取2-3；
L1：锚杆锚入松动圈以外稳定围岩的深度，取0.3-0.4m，m；
L2：锚杆外露长度，取0.1m，m。
锚杆间、排距计算式：
a=
式中：a：锚杆间、排距，m；
Q：锚杆设计锚固力，KN；
γ：围岩的重力密度，KN/m³；
在中松动圈围岩锚喷支护中，锚杆是支护的主体，松动围岩体的碎胀力由锚杆承受；喷层只起局部支护作用，即锚杆间的表面支护、控制锚杆间非锚固区围岩的变形、阻止非锚固区危石的坠落以及防止围岩风化，喷层厚度一般选取70-100mm。
3、大松动圈围岩
3.1、大松动圈围岩的支护机理
松动圈值Lp≥1500mm，为软岩，锚喷支护需视情况和拱架共同组成组合拱。锚杆是支护结构的主体构件，伸入围岩内部，与围岩相互作用形成的组合拱支护结构体，具有接近原岩强度和较好的可缩性能，能对隧道实行全方位的支护；喷射混凝土能够及时封闭围岩防止围岩风化潮解，并能充填围岩裂隙和补平岩壁凹凸表面，改善围岩的受力状态，同时对锚杆间围岩起支护作用；钢筋网能够改善喷层性能，提高喷层的抗变形、抗弯、抗拉和抗剪能力，增强喷层的整体性，保证锚杆间的表面支护强度。
3.2、锚喷支护参数计算
在大松动圈围岩中，由于锚杆长度很难深入到稳定岩层中，故锚杆受力设计重点应从悬吊作用转为组合拱作用，即由钢架、锚杆、钢筋网和喷射混凝土共同形成具有一定厚度和强度的拱形结构，以此来对抗和减缓围岩应力的释放。
b=
式中：b：组合拱厚度，m；
L：锚杆的有效长度，m；
α：锚杆在破裂岩体中的控制角，一般为40-45°；
a：锚杆间排距，m。
由上式可知，给定任一组L和a，就能得到一组b，方程式有任意解，但在工程实际中，确定锚杆的间排距更为重要。在大松动圈软岩支护中，要根据软岩的类别，通过调整锚杆长度和密度来选择合理的参数。钢架在软岩支护中起到加强组合拱的作用，工程实际中一般为格栅拱架和型钢支撑，根据围岩结构不同，其间距一般取500mm-2000mm。
大松动圈围岩主体支护主要是锚杆和钢架所形成的组合拱，喷射混凝土主要用以维护锚杆和钢架的稳定。软岩隧道中明显的收敛变形是正常的，过厚的喷层对组合拱强度增加无益，因此喷层厚度一般只为满足支护工艺和封闭围岩及钢架的要求，多采用200-300mm。钢筋网是为了提高喷层的力学性能，并可在喷层发生破裂时有效对围岩表面进行维护，实际施工过程中多采用Ø6-8mm圆钢焊接而成，网孔间距多为200mm×200mm。
参考资料：
《锚喷支护弹塑性设计理论及其工程应用》吴波等，2002
《土木原理与计算》 钱家欢等，1996
《隧道工程现场施工技术》 周爱国，2004