出山店北灌溉洞开挖支护技术应用

2017-11-08付莹河南省水利第二工程局

河南水利与南水北调 2017年10期

□付莹（河南省水利第二工程局）

出山店北灌溉洞开挖支护技术应用

□付莹（河南省水利第二工程局）

洞室暗挖技术在大型水利工程、市政工程、铁路工程等都有广泛应用，常用的方法有喷锚暗挖法、盾构法、新奥法等，但对于大型水库的不良土质灌溉洞应用暗挖技术较少，大多以明挖的型式设计，工程是以出山店水库施工1标的北灌溉洞这一非常见暗挖设计为背景，介绍不良土质暗挖支护技术，以期为今后类似设计的施工提供借鉴和参考。

土质洞身；灌溉洞；管棚支护

1 工程概况

出山店水库工程施工1标段，主要建筑为2 690 m主坝、北灌溉洞及1#副坝。其中北灌溉洞是为灌溉淮北灌区和明港镇供水而设置的，灌溉洞型式为无压涵洞，灌溉洞断面形状为城门洞型，尺寸为3.80 m×3.00 m（高×宽），进出口底部高程分别为81.50 m和81.00 m，消力池底板高程80.50 m。施工区地下水特点等同上层滞水。

2 施工工艺

2.1 洞脸的开挖与支护

洞脸的开挖：洞脸进出口土方开挖采用常规挖机配合自卸车作业方式，自卸车采用20 t级，土方运至指定弃渣场，此开挖过程由测量人员动态控制开挖轮廓，挖机作业需预留15 cm保护层，人工开挖至设计形状。

边坡支护：边坡的支护工艺流程包括：测量放线、边坡脚手架搭设、布设钻孔、布设钢筋网、喷射混凝土、锁口梁支护等工艺，其中最核心的是布设钻孔、布设钢筋网、喷射混凝土、锁口梁支护，在此介绍核心施工工艺，其他不赘述。

2.1.1 钻孔

测量人员首先根据设计方案进行测量布孔，布孔完成后，使用YT27型气腿式风钻进行钻孔作业，将钻头对准开孔位置，控制上倾角1.50°，慢慢开动钻机，钻进过程中应及时校正钻孔方向，保证钻孔平直且与设计方向相同，钻孔深度达到施工图纸的规定。

根据钻孔位置开始打入土钉，土钉安装采用“先插后注”方式施工，先将土钉插入孔内，保证土钉在中心区域，安装时注意水泥砂浆对土钉周围的包裹均匀度、厚度。注浆时将注浆管插至孔底，并随着水泥砂浆的注入缓慢匀速地往外拔，浆液借助自身重力逐渐将土钉孔灌满，确保锚固坚实。

工程进出口洞脸垂直部分土钉采用钢筋直径25 mm，长9 m，间距1.50 m×1.50 m；进口洞脸边坡高程91.10 m以下部分，出口洞脸边坡高程90.60 m以下部分土钉采用钢筋直径25 mm，长7 m，钢筋间距3 m×3 m，土钉布置形式采用梅花形展布，如图1所示。

图1洞口支护钻孔土钉布设图

2.1.2 布设钢筋网

在钢筋加工厂将钢筋加工成φ6@200 mm钢筋网片，待锚杆安装完成后，用5 t载重汽车运输钢筋网片，人工运至工作面开始挂设。钢筋网安设时随受喷面的起伏铺设，与受喷面间隙64 mm，并用焊接法把钢筋网与锚杆或架立筋联结在一起，钢筋网固定在锚杆外端，用勾头固定于喷射面上，保证在喷射混凝土作业时不颤动。安装时保证钢筋网片搭接长度为1个网格。

2.1.3 喷射混凝土

钢筋网挂设完成后，采用移动式拌合机拌合混凝土，移动式拌合机布置于进口洞脸左岸处。喷射混凝土采用C25混凝土（水胶比0.43，砂率55%），喷射厚度12 cm，喷射钢筋网保护层厚度50 mm。喷射混凝土作业按分区进行，喷射顺序自下而上。斜坡面一次喷射完成，垂直面分两次喷射完成，分层喷射时，后一次喷射应在前一次混凝土终凝后进行。

2.1.4 锁口梁支护

边坡喷护完成后，进行灌溉洞锁口支护，锁口方式采用超前锚杆钻孔支护，支护锚杆与洞口周边及洞顶上部范围内布置的钢筋网片相连，并使用钢筋将洞脸以上锚杆连成整体。洞口处设置钢拱架支撑并浇筑C25混凝土锁口梁，保护进出洞安全。

2.2 洞身管棚超前支护

本工程地质情况有土洞段和泥质砂岩洞段，土洞段采用管棚做超前支护，不进行注浆施工；泥质砂岩洞段在管棚的基础上进行超前小导管注浆。

2.2.1 土洞段管棚施工

管棚施工工艺流程分为：测定孔位、钻机就位、实施钻孔、清孔、钻孔验收、顶入管棚等。

测定孔位（管棚）：由测量人员采用全站仪和水准仪定出拱顶位置，及两个拱底位置，并配合木制R2500 mm弧度尺定出每根管棚的准确位置，管棚间距300 mm。每个断面20根，管棚的管径为42 mm，每根长6 m。

钻孔：钻孔前，搭设钢管脚手架，铺设脚手板。高处作业前，应检查排架、脚手板、通道、马道、梯子和防护设施，符合安全要求方可作业。高处作业使用的脚手板平台，应铺设固定脚手板，临空边缘应设高度不低于1.20 m的防护栏杆。

钻孔采用YT27型气腿式风钻进行，钻机使用的钻头直径略＞42 mm，钻孔顺序由下向上。将钻头对准开孔位置，控制上倾角1.50°，慢慢开动钻机，钻进过程中应及时校正钻孔方向，保证钻孔平直且与设计方向相同，钻孔深度达到施工图纸的规定。

管棚顶入：钻孔由质检人员检查合格后，人工将Dg42 mm管棚钢管旋进孔内，顶进钢管时要保证导管的倾角和方位角与钻孔钻杆前进的倾角和方位角一致。钻完一个孔后立即将该孔的导管顶入孔内，安装好导管后，再移开钻机进行下一孔的钻进。

2.2.2 泥质砂岩洞段小导管注浆支护

小导管注浆施工工艺流程分为：测定孔位（管棚、小导管）、钻机就位、实施钻孔、清孔、钻孔验收、顶入管棚、顶入小导管、注浆等。主要施工工艺如下：

测定孔位（小导管）：孔位的测定同进出口管棚定位。小导管间距为400 mm，每个断面17根，小导管管径42 mm，按规范要求，对钢管沿长度方向每500 mm钻两个Φ10 mm孔，梅花型布置。

钻孔及管棚的安装：钻孔方法同土洞段钻孔。按照上述的方法将钢管旋进孔内，在钢管的外端安装法兰盘和阀门，用于管棚注浆。

注浆：钢管安装完毕后，按设计要求用HBW50型注浆机注浆，成孔一根注浆一根，施工顺序从下向上依次进行，待水泥浆液凝固后，卸掉法兰盘和阀门循环使用。注浆压力、注浆量、注浆时间严格按照相关规范执行。

2.3 灌溉洞洞身喷锚支护

喷锚支护主要工艺流程：测量放样、锚钻就位、打孔、清孔、成孔检查、注浆、插入锚杆、安装钢筋网片、喷射混凝土等。核心工序为注浆和插入锚杆，其他工序在此不赘述。

锚杆注浆：钻孔成型后，先对成孔注入水泥砂浆（水泥砂浆配合比如表1），砂浆采用风动压气罐进行压注，灌浆时先将砂浆装入罐内，将输料软管与罐底的铁管连上，然后打开进气阀，使压缩空气进入罐内，砂浆即沿软管和注浆管压入钻孔内。注浆时必须将注浆管插至距孔底10～20 cm，靠砂浆的注入压力将注浆管徐徐压出，以确保孔内注浆饱满密实。注满砂浆的钻孔，用带孔橡皮球将孔口堵住，防止砂浆外流，如图2所示。钻孔内注满浆后立即将ϕ22钢筋从橡皮球孔内徐徐插入，以免将砂浆过量挤出，造成孔内砂浆不密实，影响锚固力。锚杆插到孔底以后，立即在孔口用木楔楔紧，24 h后才能拆除楔块。

表1 锚杆注浆砂浆配合比表（单位：m3）

图2 先浆后杆法锚杆孔注浆示意图

3 质量保证措施

质量保证主要措施是监控量测。监控量测项目包括：洞内外观察，周边收敛量监测，拱顶下沉监测、洞内空气检测等。

3.1 洞内、外监测

洞内外观察可以预测开挖面前方的地质条件，为判断围岩的稳定性提供地质依据，同时可以根据喷层表面状态及锚杆的支护状态，分析支护结构的可度。

开挖施工时，每次开挖后，对掌子面的岩性、结构面产状、节理裂隙发育程度、断层的性质、产状，掌子面自稳情况、涌水量大小、涌水位置等进行观察，观察中发现围岩条件恶化时，立即采取相应处理措施。观察时，使用相机记录开挖工作面地质状况，并填写记录表，与勘察资料进行对比；已施工地段每天进行一次观察，记录喷射混凝土是否发生裂隙和剥离现象、锚杆的受力变形情况、钢架是否压曲变形和二次衬砌的工作状态等；洞外主要观察洞口段及洞身浅埋段，记录地表开裂、变形、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗漏情况等。

3.2 周边收敛量监测

周边收敛即位移，它是洞身围岩应力状态最直观的反映，周边位移量可推测空间稳定性；通常根据变位速度判断围岩稳定程度、二次衬砌施工时间。

周边收敛监测点按照5 m间距布设，每断面设置一对。监测点采用长35 cm，φ25的钢筋，钢筋顶切割成斜面。钢筋在钢拱架上牢固焊接，切割的斜面朝洞外方向，初喷完混凝土后，对附着在钢筋斜面上的混凝土进行清理，在斜面上贴方形十字反射片（规格20 mm×20 mm），为防止机械碰撞测桩，测桩外露不超过5 cm。监测点设立完成后，利用全站仪的无棱镜反射，读取初始数值。施工期间，每天进行一次量测，用同样的方法读取数值，将读取数值与初始数值对比，两次读数差即为周边收敛值。