摘要：在水利水电、交通隧道等工程建设中，Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩隧洞的开挖与支护一直是工程难点。本文针对手风钻开挖条件下的 Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩隧洞，对湿喷硅粉混凝土喷锚支护的力学特性及施工技术优化展开研究。通过理论分析、数值模拟与现场试验相结合的方法，探讨了湿喷硅粉混凝土的力学性能、喷锚支护体系的受力特征以及手风钻开挖对围岩稳定性的影响。在此基础上，提出了施工技术优化方案，并对优化后的支护效果进行了分析。研究结果表明，湿喷硅粉混凝土喷锚支护能够有效提高隧洞围岩的稳定性，优化后的施工技术可显著改善支护效果，为类似工程提供了重要的参考依据。

关键词：手风钻开挖；Ⅲ1- Ⅳ2 类围岩；湿喷硅粉混凝土；喷锚支护；力学特性；施工技术优化

一、Ⅲ1- Ⅳ2 类围岩特性及手风钻开挖影响分析

1. Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩基本特性

Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩通常表现为岩体较破碎，节理裂隙发育，岩体完整性差。其岩石强度较低，多为砂岩、泥岩、页岩等软质岩石或软硬互层岩石。岩体的自稳能力较差，在开挖过程中容易发生掉块、坍塌等现象。例如，四川紫坪铺水利枢纽工程的导流隧洞穿越 Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩时，实测岩体完整性系数在0.3-0.5 之间，岩石单轴抗压强度多为 20-40MPa ，开挖揭露的围岩以砂泥岩互层为主，节理面可见泥质充填，局部段开挖后 12 小时内即出现块体塌落现象。

2. 手风钻开挖对围岩的影响

手风钻开挖是通过人工操作风钻在岩体中钻孔，然后装填炸药进行爆破的开挖方式。这种开挖方式具有设备简单、操作灵活等优点，但也存在明显的缺点。由于人工钻孔的精度和均匀性较差，爆破效果难以控制，容易造成超挖、欠挖现象。同时，爆破产生的振动较大，对围岩的扰动范围较广，会进一步破坏岩体的完整性，降低围岩的自稳能力。通过对某隧洞工程手风钻开挖过程的监测发现，爆破振动速度在距爆源 10m 处可达 5-8cm/s ，超过了一般围岩的安全振动速度范围。这导致开挖后围岩表面出现大量的新裂隙，岩体的松动圈厚度增加，给后续的支护工作带来了很大困难。

二、湿喷硅粉混凝土的力学性能研究

1. 硅粉对混凝土性能的影响

硅粉是一种超细活性掺合料，其主要成分为二氧化硅。将硅粉掺入混凝土中，可以显著改善混凝土的性能。硅粉的超细颗粒能够填充水泥颗粒之间的空隙，提高混凝土的密实度；同时，硅粉与水泥水化产物发生火山灰反应，生成更多的凝胶体，增强了混凝土的强度和耐久性。试验研究表明，当硅粉掺量为水泥用量的 5%-10% 时，湿喷硅粉混凝土的抗压强度可提高 20%-30% ，抗拉强度提高 15%-20% ，抗渗性能提高 30%-40% 。例如，某湿喷硅粉混凝土配合比中，硅粉掺量为 8% ，其 28 天抗压强度达到了 50MPa 以上，远远高于普通湿喷混凝土的强度。

2. 湿喷硅粉混凝土的力学性能指标

为了研究湿喷硅粉混凝土的力学特性，进行了一系列的室内试验。试验结果表明，湿喷硅粉混凝土具有较高的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度，同时具有良好的弹性模量和泊松比。其抗压强度随龄期的增长而逐渐提高，在 28 天后仍有一定的增长空间。此外，湿喷硅粉混凝土的抗冲击性能和抗疲劳性能也优于普通湿喷混凝土。这对于承受动荷载作用的隧洞工程来说，具有重要的意义。​

三、喷锚支护体系的力学特性分析

1. 喷锚支护体系的组成与作用机理

喷锚支护体系主要由湿喷硅粉混凝土、锚杆、钢筋网等组成。湿喷硅粉混凝土能够及时封闭围岩表面，阻止围岩的风化和剥落，同时将围岩表面的应力传递给锚杆和钢筋网；锚杆通过锚固在围岩中，将围岩与深部稳定岩体连接起来，提高围岩的整体稳定性；钢筋网则能够增强混凝土的抗裂性能，提高支护体系的整体性。喷锚支护体系的作用机理是通过与围岩的相互作用，形成一个共同承载的复合体，从而提高围岩的自稳能力和承载能力。

2. 喷锚支护体系的受力特征

为了分析喷锚支护体系的受力特征，采用有限元软件对某 Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩隧洞进行了数值模拟。模拟结果表明，在隧洞开挖后，围岩表面会产生较大的应力释放，导致围岩出现塑性变形和破坏。喷锚支护体系能够有效地限制围岩的变形，将围岩的应力转移到支护结构上。在正常工作状态下，湿喷硅粉混凝土主要承受压应力和剪应力，锚杆主要承受拉应力，钢筋网则承受拉应力和剪应力。通过合理的支护设计，可以使喷锚支护体系各组成部分的受力更加均匀，充分发挥其承载能力。

四、施工技术优化方案

1. 开挖工艺优化

针对手风钻开挖对围岩的不利影响，提出优化爆破参数与改进钻孔工艺等开挖工艺优化方案。如张官高速古城山隧道采用小直径炮孔与低药量爆破，使距爆源 10m 处振动速度降至 4-6cm/s ；杭州闲林水库输水隧洞用定位装置辅助钻孔，超挖量减至 0.5-0.6 立方米 / 延米；重庆连湖隧道与镇广高速金竹寨隧道采用间隔装药结合光面爆破技术，超挖量减少 20%-30% ，有效控制爆破轮廓，保持围岩稳定。

2. 湿喷硅粉混凝土施工技术优化

为了提高湿喷硅粉混凝土的施工质量，对施工技术进行了优化。首先，优化配合比设计，根据围岩条件和工程要求，合理确定硅粉掺量、水泥用量、骨料级配等参数。其次，改进施工工艺，采用先进的湿喷设备，控制好喷射压力、喷射距离和喷射角度，确保混凝土喷射均匀、密实。此外，加强施工过程中的质量控制，对原材料进行严格检验，对施工参数进行实时监测和调整。例如，在湿喷硅粉混凝土施工中，通过实时监测混凝土的坍落度、凝结时间等参数，及时调整配合比和施工工艺，确保混凝土的性能符合设计要求。​

3. 锚杆施工技术优化

在锚杆施工技术优化中，注浆工艺取代传统锚固剂。现工程标准规定边坡与隧洞锚杆注浆水灰比分别为 0.42 和 0.33 如商合杭高铁太湖山隧道工程，采用中空注浆锚杆，按 0.33 水灰比配浆，掺 5% 硅粉，用智能设备监测压力流量。优化后锚杆锚固力提升 20%-30% ，拉拔试验显示多数锚固力超设计值，浆体强度高、耐久性好，保障隧道长期安全。

五、优化后的支护效果分析

为了验证优化后的施工技术效果，在中国电建菲律宾瓦瓦抽水蓄能电站项目主交通洞（Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩段）开展现场试验，采用全站仪、多点位移计等设备监测围岩变形、支护受力及爆破振动。现场监测内容包括围岩变形、支护结构受力、爆破振动等。监测仪器主要有全站仪、多点位移计、锚杆测力计、爆破振动仪等。监测结果表明，优化后的施工技术显著改善了隧洞的支护效果。结果显示，优化后围岩最大位移量较前降低 45% ，湿喷硅粉混凝土压应力与锚杆拉应力均在设计范围，爆破振动速度下降 38%_⨀ 。该隧洞施工效率提升 25% ，工程成本降低 12% ，支护效果显著改善。

结论

本文系统研究手风钻开挖条件下 Ⅲ 1- Ⅳ 2 类围岩隧洞湿喷硅粉混凝土喷锚支护的力学特性与施工技术优化。研究表明，Ⅲ1- Ⅳ2 类围岩破碎、强度低、自稳差，手风钻开挖扰动大；湿喷硅粉混凝土强度高、耐久性和抗渗性好，硅粉可改善其力学性能；喷锚支护与围岩形成复合体，提升稳定性；优化的施工技术改善支护效果，提高效率、降低成本。未来将深入研究相互作用机理、优化设计方法及开展长期性能监测。

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