水利工程隧洞开挖和支护技术分析

陈宝胜

摘 要：水利工程的施工需要考虑到地质、气候、水文等各种因素的影响，整个施工过程最重要、难度最大的工序为引水隧洞的开挖，为了保证这一环节的施工安全和施工质量，会同时运用科学的支护技术予以辅助。本文以实际案例为研究对象，对水利工程隧洞开挖和支护技术展开详细探讨。

关键词：水利工程 隧洞开挖 支护技术

水利工程的施工过程较为复杂，所涉及到的施工材料和施工技术以及准备、实施、检测等各个阶段，都需要对实际案例进行分析才能直观地掌握整个施工流程与核心环节。有鉴于此，本文以某水电站为研究对象，主要对其隧洞开挖和支护技术进行分析讨论。

1.工程概况

某水电站是以发电为主的大型一等水利工程，同时也兼顾灌溉、防洪、养殖以及旅游等综合性用途。该水电站的整体建筑结构由石坝、洪道、隧洞、发电系统与导流工程等建筑物构成，本文主要对其中的引水建筑物进行讨论。该工程的引水建筑物包括引渠、电站进水口和引水隧洞，该引水隧洞的土建工程主要包括渐变段和上平直段的石方洞挖、支护、衬砌混凝土、固结灌浆、回填灌浆等。

2.工程地质条件分析

该工程的引水隧洞处于电站进水塔的下游阶段，从位置上看与进水口八个预留岩柱呈互相交错分布，隧洞的洞脸在两侧预留岩柱之间，所处地形呈垂直立面边坡状。该工程的地理地质条件复杂，存在多个引水隧洞，且各个隧洞内的岩石种类和结构有较大差异，具体包括：弱风化花岗岩、弱风化角砾岩、弱风化粉砂岩、弱风化细砂岩和少量泥岩，从结构上看多为镶嵌碎裂结构、中厚层或薄层状结构。

3.施工过程研究

（1）开挖施工

①洞口开挖过程分析

该水利工程的洞口多为Ⅳ类围岩，因此采用方形开挖存在一定的难度，为了确保洞口成型，需要在開挖之前实施125KN预应力锁口锚杆施工。具体过程为：将125KN预应力锚杆等两排分布在洞口开挖线外侧，目的是提前锚固洞口，该水利工程的隧洞预应力锁口锚杆规格为Φ32@1.5m×1m，L=9m，上仰10°。

具体的工艺流程为：施工准备阶段、施工进行阶段（测量放线、钻孔、清洗钻孔、验收、安插锚杆、内锚段注浆、安装托板垫圈螺帽、张拉锁定、自由段注浆）、检测维护阶段（物探实验）。在这其中，对最重要的预应力锚杆施工过程进行分析：

首先应由测量人员进行准备工作，即在施工现场用红油漆逐一标注孔位以作标识，然后进行钻孔操作，即使用直径90mm的潜孔钻以上仰 10°的姿态完成钻孔操作，待钻孔结束后用风、水联合清洗，同时对孔径、孔向、孔深和孔底的清洁程度进行逐一排查并进行记录。接着将提前制作好的预应力锚杆插入孔内，该过程一定要保持缓慢插入且注浆管畅通无阻以及止浆环完好无损，同时确保杆体与各个部件之间结合牢固，无任何脱落和损坏的情况。待插杆操作完成后安装垫板和螺帽，注意锚固段应及时进行注浆，并结合现场的张拉分五个量级依次施加张拉力值：首次张拉力应为设计值的25%（31.25KN），后续四次张拉力值分别为设计值的50%（62.5KN）、75%（93.75KN）、100%（125KN）、110%（137.5KN），且确保每次张拉之前持荷5分钟，最后保持静载持续稳压30分钟后进行锁定。待张拉操作完成后采用纯水泥浆对锚杆自由段进行回填灌浆施工，具体的使用工具为GSP-A型灌浆泵。接着对排气管的畅通情况进行现场确认，并完成孔内自由段注浆操作，当排气孔停止排气且伴随浆液溢出时，就表示自由段注浆饱满，此时停止注浆。

②洞身开挖过程分析

洞身开挖施工的整个工艺流程依次为：操作平台就位、测量放线布孔、钻孔、清孔、装药连线、撤离人员设备、起爆、通风排烟散烟、查炮、洒水出渣、掌子面清理排险，待整个流程走完后进入下一循环。

同样的，洞身的开挖方式仍分为上下两层，同时完成中部楔型掏槽和周边光面爆破施工。进口渐变段的开挖需要分层进行，第Ⅰ层高7.5m，开挖方法选用中导洞领先、两侧墙扩挖跟进式完成，兼顾YT-28气腿钻造孔和周边光面爆破，运输工具采用3.0m3侧卸式装载机和15t自卸汽车；第Ⅱ层高5.0—6.8m，开挖方法如上，兼顾YT-28气腿钻打水平孔以及周边光面爆破，装渣设备为3.0m3侧卸式装载机、清渣设备为CAT330D（1.6m3）挖掘机；最后一层仍用YT-28气腿钻造孔并对局部浅孔光面进行爆破，然后处理局部欠挖以确保开挖体型满足规范要求。

③洞身破碎带开挖

洞身破碎带开挖主要针对上半洞进行，整体工艺流程依次为：台车就位、测量放线、钻孔、清孔、装药连线、撤离人员设备、起爆、洒水通风散烟、查炮排险、出渣、掌子面清理、台车就位、拉网喷砼、锚杆施工，待整个流程走完后进入下一循环。

需要注意的是，1#引水隧洞多为弱风化花岗岩，且洞口段有F9断层露出，容易风化破碎，因此开挖钻爆的施工应遵循“先支护、短进尺、多循环、弱爆破”的原则，重点对破碎带进行钢支撑加强支护，以确保成洞岩体稳定。

（2）锚喷支护施工

①系统锚杆施工

整个工艺流程依次为：测量放线、钻孔、清孔、验收、拌制灌注水泥砂浆、安插锚杆、物探实验。在这一过程中，钻孔作业时应使用YT-28手风钻和φ42钻头进行钻孔，钻孔位置由测量中心经现场逐一号孔确定，开孔时应保证于任何方向的偏差都小于100mm。对于锚孔的深度应符合设计要求，孔深偏差值小于50mm，待钻孔结束后用风、水联合清洗以去除孔内的松散岩粉粒和积水，待清除完毕后对孔径、孔向、孔深和孔底的清洁程度进行逐一排查并记录结果，验收合格后再用高压风吹净孔内残渣和水。注浆环节使用MZ-30泵进行操作，控制水泥与砂浆配合比（重量比）为1：1.15、水泥与水配合比为1：0.39，待锚杆注浆完成后保护锚杆在砂浆彻底凝固之前不受到敲击、碰撞和拉拔影响。

②超前锚杆施工

在洞身上半洞开挖过程中考虑到局部岩石容易破碎，为了确保隧洞成型并保证施工安全，应在爆破后及时进行超前锚杆施工。

超前锚杆型号为Φ32@0.4m，L=3m且保持上仰10°，距离开挖设计线外20cm-25cm，间距为30cm-35cm，排距为2.0m。在局部岩石破碎过程中需要进行加密施工，注浆时按照系统标准控制水泥砂浆配合比，并保持錨杆外露约30cm，同时应焊接在钢筋网或钢支撑上才能进入下一环节施工。

③钢支撑加固施工

以7#引水隧洞为例，由于岩石破碎等地质原因导致爆破后局部超挖，因此设计人员采用18mm的工字钢按支撑间距1m进行加强支护，每排钢支撑采用Φ28@0.8m，L=6m的锚杆进行固定，彼此之间采用Φ25的钢筋进行连接，且间距为0.5m，在钢支撑上部铺设预制好的钢筋网片，并通过及时的喷护施工来保证围岩稳定。

④喷混凝土施工

整个工艺流程依次为：测量定位、清理浮土和松动石块、清洗表面、搭设工作平台、验收仓面、3-5cm素喷、挂钢筋网、标记厚度、验收仓面、喷射作业、检查厚度、补喷、验收检查、养护、强度试验。在具体施工中应分为两层进行喷护：第Ⅰ层采用素喷 3-5cm厚度，第Ⅱ层为5-7cm至设计厚度15cm，待喷射混凝土全部凝固两小时之后，进行十四个昼夜的喷水养护工作。

需要注意的两个施工环节为：第一，素喷混凝土施工。应对岩面使用高压风、水联合清洗，并用0.35m3拌和机进行现场拌料，再利用湿喷工艺进行喷混凝土操作。整个过程分片分段依次进行，喷射顺序自上而下，且保持喷射时钢支撑上部确保锚喷密室，以及喷层表面应光滑平整无干斑或滑移流淌现象；第二，挂网喷混凝土施工。所用钢筋应于钢筋加工场制作成网片，且网格尺寸为φ6.5@200mm×200mm，由载重车负责运输。对于极不平整或有破碎的岩面先完成一层素喷，再铺设钢筋网，并运用0.35m3搅拌机对混凝土进行现场搅拌，并结合湿喷工艺完成喷混凝土作业。在起喷阶段，应适当缩短喷头与受喷面间的距离，同时调整喷射角度以确保钢筋网背面地质超挖部位的混凝土密实坚固。

待开挖支护施工结束后，应及时进行混凝土衬砌施工以保证隧洞稳定，接着完成钻孔回填灌浆以及岩石混凝土的固结灌浆，从而再次提升隧洞的稳定性。

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