坪上应急引水工程引水隧洞支护施工方法

李松

（山西省滹沱河坪上水利工程管理局 太原 030002）

1 坪上应急引水工程概况

山西省坪上应急引水工程位于忻州市的定襄县、忻府区、原平市和五台县境内，其引水点以坪上泉域的泉水为水源，水源位于五台县境内滹沱河干流及其支流清水河上。

引水隧洞进口位于滹沱河右岸定襄县闫家庄村北，由南向北穿越系舟山至五台县建安乡甲子湾村西南侧的出口，总长7.88 km。本工程为城门洞型无压隧洞，设计纵坡1/1 700，洞身为III类和IV类围岩，衬砌后洞身净宽3.1 m，直墙高2.6 m，顶拱拱角120°，拱高0.895 m。Ⅲ类围岩设计开挖高4.0 m，宽3.5 m，开挖断面面积为12.92 m2；Ⅳ类围岩设计开挖高4.4 m，宽4.1 m，开挖断面面积16.43 m2。隧洞大部分围岩比较完整，稳定性及成洞条件均较好，甲子湾出口洞身段围岩较破碎，稳定性差。

2 支护前隧洞开挖

本工程隧洞开挖采用全断面光面爆破法进行，施工程序依次为：工作面安全检查、测量、炮孔定位、钻孔、装药、爆破、通风排烟除险、出渣，再进行下一循环。

（1）安检、测量和布孔：每一个工序开始前均需进行工作安全检查，不留死角。安全工作面确定无安全隐患后进行施工测量，控制开挖断面轴线走向及断面大小与设计一致，在开挖断面用红油漆描画出隧洞开挖轮廓线及标定周边炮孔布置位置，且误差不得高于1 cm，同时在长直线段采用激光准直仪控制开挖方向。

（2）钻孔：钻孔必须按照设计方案进行，钻孔时掘进炮孔保持与隧洞轴线平行，除底炮眼外，其他炮眼口比孔底低10 cm，以便钻孔时岩粉自然流出，周边炮孔外插脚控制在0～2°以内，尽量减小超挖。掏槽眼严禁互相打穿相交，底炮眼比孔深20 cm。

（3）装药：装药前炮眼用高压风吹干净，检查炮眼数量。装药时由爆破员分好毫秒雷管段别，按照爆破设计顺序装药，装药作业组分片进行。定人定位，确保装药作业有序进行，防止雷管段别混乱，影响爆破效果。装药完毕后孔口20 cm用炮泥进行堵塞。

（4）爆破：起爆采用塑料导爆索非电起爆网络，雷管连接好后爆破员检查雷管连接质量和是否有漏连雷管，检查无误后发起爆信号进行起爆。在开挖过程中时刻观察围岩变化及爆破效果，根据实际情况调整爆破参数，保证爆破效果，保证开挖轮廓曲线。

（5）通风排烟除险：起爆完成后，施工人员及时进行洞内通风，排除洞内因爆破而形成的爆破气体和岩石粉尘，净化洞内空气，保证洞内施工人员的身体健康。通风后，施工人员要对开挖面进行安全检查，仔细清撬所有开挖面的危石及碎块，保证施工人员及设备安全。

（6）出渣：采用ZL30装载机配合5 t农用自卸汽车运往指定弃渣场，同时做好渣场保护工作。

3 一次支护施工方法

本工程结合实际情况采取的隧洞一次支护方法主要有喷锚支护、喷素混凝土支护、钢筋网喷混凝土支护、钢拱架支撑支护等。

3.1 喷锚支护

喷锚支护主要包括随机锚杆支护和系统锚杆支护。随机锚杆主要用于开挖后围岩破碎、稳定性差的部位，如隧洞洞脸部位（阎家庄进口、甲子湾出口、段家庄出露处）和洞室内Ⅲ类围岩局部破碎地段（如桩号：0+773～1+330）；本工程系统锚杆主要用于洞室内Ⅳ类围岩破碎地段（如桩号：3+975～3+983），选用长2 m，间距1 m梅花形布置。

锚杆材料选用Ⅱ级高强螺纹钢，直径25 mm。砂浆强度等级不低于20 MPa。锚杆支护施工过程中水平方向及斜向下方向的锚杆采用先注浆后安装锚杆的方式进行。根据实际情况布置孔位，用YT-28气腿式风钻钻孔，边坡锚杆支护搭设脚手架作为施工平台，钻孔时控制好孔位、方向及孔深。钻头直径大于锚杆直径15 mm以上，孔位偏差不大于100 mm。系统锚杆需尽量垂直于岩石面，局部加固锚杆孔向应与可能滑动面的倾向相反，其与滑动面的交角大于45°，孔深偏差不大于50 mm，造孔后将孔内岩粉和积水冲洗干净。清孔后由注浆机向孔内注浆，注浆管插至据孔底5～10 cm，随水泥砂浆的注入慢慢均匀抽出，确保砂浆饱和密实，无气泡残留。注满砂浆后立即将锚杆插入，个别锚杆插入困难的用风钻顶入，并将孔口楔紧。

砂浆锚杆施工工艺流程见图1。

图1 砂浆锚杆施工工艺流程图

顶拱垂直锚杆及斜向上锚杆，用先插锚杆后注浆的方法施工。钻孔孔径大于锚杆直径25 mm以上。先将锚杆插入孔底，用三孔木塞或橡胶木塞塞住孔口，其中中间孔插锚杆，两边孔一个为排气管，一个为进浆管，排气管深入到管底，注浆管深入到孔内即可，然后由注浆器通过注浆管向孔内注入砂浆，孔内空气由排气管完全抽出后，停止注浆，抽出注浆管和排气管后，用小木塞塞住两个孔口等待凝固。

3.2 喷素混凝土支护

喷素混凝土支护主要在Ⅲ类围岩顶拱（如桩号3+860～3+880.5）和局部轻微破碎地段的侧墙（如桩号4+042～4+053）喷射100 mm厚C20混凝土。

喷射混凝土前对受喷面进行检查，清除浮石、石渣等杂物，用高压风水冲洗岩面，安设混凝土厚度标志，对风、水、电线路检查和试操作。喷混凝土时先进行初喷以封闭岩面裂隙及局部孔洞，然后进行分层喷射混凝土。

本隧洞工程喷射混凝土支护均采用湿喷法，喷射工艺流程见图2。

图2 混凝土湿喷式喷射施工工艺流程图

喷射时掺入适量的速凝剂和黏稠剂，喷射机选用SP-3型混凝土喷射机，生产率为3～5 m3/s，风量消耗7～10 m3/min，水平输送距离为200 m，垂直输送距离为60 m，电动机功率为5.5 kW。喷射机调试安装完成后先注水后上料，根据受喷面和喷出混凝土情况调整注水量，以增加混凝土黏结、减小回弹量和增加湿润光泽度。喷射施工时喷嘴略向下倾斜10°左右，使混凝土在较厚的混凝土顶端，避免料束中粗骨料直接与岩面撞击，以减少回弹量。喷射距离控制在0.6～1.2 m之间。喷射方式为分层喷射，第一层喷射厚度为5 cm，待第一层喷射混凝土终凝后再进行下一层喷射。

混凝土终凝2 h后进行喷水养护，喷水量和喷水次数以混凝土表面保持湿润为准，养护时间不能低于7天，气温低于+5℃时不进行洒水养护。

3.3 钢筋网喷混凝土支护

钢筋网喷混凝土支护主要用于洞室内IV类围岩较破碎且钢筋网喷混凝土支护后仍能成型的地段（如桩号3+985～3+999）。

引水隧洞网筋选用φ8@200布置。挂网前先进行砂浆锚杆支护，在砂浆锚杆达到一定锚固强度后即可进行钢筋网安装布设。人工将钢筋沿围岩开挖轮廓面进行焊接和绑扎，使钢筋网与开挖基岩面形状基本一致，尽量贴近基岩面，并与砂浆锚杆焊接牢固，连成整体。局部围岩渗水地段（如桩号4+792～4+798），预先埋设小导管进行疏导。待以上工作完成后可按照喷射素混凝土支护的方法进行喷射支护，完成钢筋网喷混凝土支护。

喷射混凝土终凝后2 h开始洒水养护，喷水量和喷水次数以混凝土表面保持湿润为准，养护时间不能低于7天，气温低于+5℃时不进行洒水养护。

3.4 钢拱架支撑支护

局部断层破碎带难以成型的地段（如桩号7+493～7+617）及土洞段（桩号5+115～5+163）进行钢拱架支护。

钢拱架在洞外钢结构加工场按洞形放样分段加工，在断层破碎带完成洞身开挖后由人工抬至掌子面。对支撑地段先挂网喷射混凝土，封闭开挖面，然后安装钢拱架。

钢拱架安装时保持自然垂直和与线路方向垂直，严格控制左、右连接处标高，以防拱架偏斜，影响与边墙拱架的圆顺连接或浸入衬砌厚度。边墙钢拱架底部必须置于基岩上或者增设钢支撑，以防下沉变形。钢拱架支撑安装完成后及时设定变形监测点，根据变形情况及时采取加强措施。本工程视现场情况间距控制在50～120 cm不等。钢拱架沿周边轮廓误差不大于±3 cm，平面翘曲不应大于±2 cm，安装误差不大于5 cm，并垂直于隧洞轴线，角度不大于2°。钢拱架分节间通过钢板用高强度螺栓或焊接的方法拼接成整体，并用锁脚锚杆固定，最后进行第二次混凝土喷射。钢拱架支撑施工工艺流程见图3。

图3 钢拱架支撑施工工艺流程图

4 结语

引水隧洞开挖后需及时进行一次支护,其支护方案的选择和支护时机非常重要,关系到整个工程的成败。为使支护形式经济、合理和有效,在隧洞施工中应根据地质预报判断围岩情况,及时调整支护形式及支护参数。对已支护的隧洞设置变形观测点,每天观测并进行数据分析,出现异常需及时预报,并采取措施加固处理。对局部地质缺陷地段应做好地质预报,研究超前支护处理措施。