浅析小断面长引水隧洞开挖及支护施工

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

开挖和衬砌平行作业是小断面隧洞施工的难点，隧洞按先行开挖和初期支护，待洞身开挖贯通后再进行混凝土衬砌的施工程序，投入配套的非标机械设备组成开挖及混凝土衬砌作业线，提高单项工序的生产能力和设备利用率，可大幅压缩工期，降低成本，实现预期的质量安全和工期目标。

1 工程概况

某引水隧洞长8.85km，隧洞采用3个施工临时支洞和隧洞进出口共8个工作面进行施工。

主要施工内容有：石方洞挖、锚杆、锚筋束、钢筋挂网、喷射混凝土、钢筋混凝土衬砌、固结灌浆、回填灌浆等内容。

2 引水隧洞开挖

(1)施工道路布置：洞挖施工道路结合明挖道路一起布置，隧洞基础作为出碴道路，洞外与临时施工便道连接，洞内每间隔200m设置一个错车道。

(2)开挖施工设备选择：手持式风钻钻孔，移动式空压机供风；翻斗车配合拖拉机出碴。

(3)施工供风：洞挖施工供风由设在洞口附近的集中供风站移动式空压机供风。

(4)开挖工作面：隧洞共设8个工作面同时开挖，以便节省工期。

3 隧洞支护施工

根据设计图纸中所提供的地质情况，在本标段引水隧洞开挖中围岩类别分别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。Ⅲ类围岩段采用φ25的锚杆支护L=3m，间排距为2m×2m，喷混凝土5cm～7cm(范围：顶拱180°)；Ⅳ、Ⅴ类围岩支护采用φ25锚杆L=5m，间排距1.5m×1.5m，喷C20混凝土10cm，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用花栅拱架进行支护，Ⅳ类围岩花栅拱架支护间距在0.6m～0.8m，Ⅴ类围岩花栅拱支护间距在0.8m～1m。注浆用水泥砂浆经实验室进行配合比试验，其基本配比范围为水泥∶砂为1∶1～1∶2，水灰比为0.38～0.45。水泥砂浆随拌随用，拌制均匀，防止石块或其他杂物混入。

3.1 喷射混凝土施工

在喷射混凝土前，对喷射面清洗处理，清除开挖面的浮石或其它堆积物；采用高压风枪冲洗岩面；埋设控制喷射混凝土厚度的标志；作业区应具有良好的通风条件和充足的照明设施，并对施工机械设备，风、水管路及供电线路等进行全面检查和试运行。在受喷面涌水部位埋设导管做好排水，导水效果不好的含水层可设盲沟排水，对淋水处可设截水圈排水。喷射混凝土使用的水泥、砂子、小豆石、外加剂等材料应符合技术规范要求，喷射混凝土配合比按实验室提供的配合比并经现场试验后调整确定。

表1 喷射混凝土配合比

采用高压风枪将喷射面清理干净，并在施工部位建立截流排水系统后可进行混凝土喷射。

混凝土严格按配合比进行拌制。喷射混凝土时对作业面进行分区，分区长度在4m～6m。喷混凝土遵从自下而上、螺旋形划圈(直径为30cm左右)的喷射方式，且混凝土喷射的方向应尽量垂直于受喷面，喷射的距离在1m左右，以减少混凝土回弹损失。第二层的喷射应在第一层混凝土终凝后再进行，喷射前应做好前一层混凝土表面的清洗湿润。喷射完后对喷射机进行清洗，以方便下一次施工。

3.2 管棚法支护施工

管棚法施工流程：准备工作(加工制作钢花管)→钻孔→清孔→顶进管棚→焊接注浆管、制作排气孔→注浆管路检查→压水试验→浆液制作→注浆→堵口→下一工序。

3.2.1 施工方法

(1)钻孔：采用潜孔钻机钻孔，施工前控制好孔位、立轴方向及打设角度。经检查合格后才能开钻，钻孔大管棚孔径以108mm为宜，施钻过程中随时记录好每一段的围岩情况。施钻完毕后用高压风清孔。检查钻孔、打管质量时，画出草图，对孔位编号，逐孔、逐根检查并认真填写记录。

(2)送管：钻孔完毕并清孔后，及时顶进钢管。钢管按设计要求加工制作，现场安装成型。钢管接长采用丝扣连接，同时安装过程中注意同一截面接头错开。

(3)管口注浆孔加工：管口注浆孔采用30cm长φ20镀锌钢管，一头与管棚堵头钢板焊接(钢板先加工一与镀锌管内径相同的圆孔)，另一头接注浆管。排气孔亦采用镀锌管置于钢管内侧上方。

(4)压水试验：注浆前，先调试好注浆设备，检查管路是否畅通，并做压水试验，记录好用水量、压力、流量等参数。

(5)注浆：注浆材料采用水泥砂浆，水泥浆液水灰比1∶1，最大注浆压力采用2MPa。注浆压力应逐步升高，达到设计终压后继续注浆10min以上，并记录好每孔进浆量、注浆持续时间等数据。注完浆的钢管要立即堵塞孔口，防止浆液外流。

3.2.2 工艺要求

(1)工程材料控制措施：水泥、钢材等材料必须三证(出厂证、合格证、检验证)齐全，进场后按规定抽检，合格后方可使用。施工前钢管施工员必须对施工顺序、操作方法和要求向操作人员详细交底，施工过程中对钢管规格、数量、位置随时进行复核检查。同一截面钢管的接头数量应符合规范要求。

(2)管棚加工及安装：管棚钢管应按设计要求分节加工，现场组装时，应控制接头位置的准确及对接牢固，对不符合要求的重新加工安装。管棚在开挖轮廓线上按设计位置及角度打入。孔位误差≤5cm；角度误差≤2°。

(3)注浆：注浆前先进行压水试验，得出部分施工参数，用以指导施工。注浆压力应由小到大，先采用小压力注浆，待孔满后封闭排气孔加压至设计终压持续10min以上。必须保证孔眼浆液饱满密实，扩散范围达到设计要求。注浆过程中，要逐管填写记录，标明注浆压力、注浆量，发现问题及时处理。注浆效果检查在洞身开挖后进行，主要检查注浆量偏少和有怀疑的钢管，认真填写检查记录。通过钻孔检查注浆范围及厚度，小于30cm时，补打小导管并注浆。

3.3 挂网施工

固定挂网的锚筋一般利用锚杆或另打插筋，钢筋网沿开挖面铺设，并在岩面喷射一层混凝土后进行钢筋网的安装，钢筋网与壁面的距离是3cm～5cm，在有锚杆的部位，将挂网采用焊接方法固定在锚杆尾部，人工整理平整，使其紧贴初喷层，之后采用喷射混凝土覆盖，钢筋网混凝土保护层厚度≥2cm。钢筋网片在钢筋加工厂制作，用5t载重汽车运至工作面，采用简易钢筋台车安装。

3.4 注浆小导管施工

在不良地质条件下，用4m长φ40mm注浆小导管进行预支护。小导管与开挖洞面成10°角，断面间距为1m。小导管用手风钻完成φ42mm成孔，成孔完后用压力水进行冲洗。冲洗压力为80%灌浆压力，且≤1MPa。冲洗直至回流水变清为止。灌浆水灰比采用0.5和0.6两种水灰比进行灌注，灌浆压力在0.2MPa～0.3MPa之间。

3.5 花栅格构架施工

对于地质条件较差的洞段，为保证洞室开挖过程中和已成型断面的围岩稳定，在开挖过程中，根据围岩情况，Ⅳ类、Ⅴ类围岩采用花拱架方法进行加强支护，其中Ⅳ类围岩支护间距为0.6m～0.8m，Ⅴ类围岩支护间距为0.8m～1.0m，以保证洞室围岩稳定。花拱架采用φ22mm的螺纹钢筋制作，花拱架宽约17cm，高约12cm，中间采用“S”形螺纹钢筋焊接，使其成为一个柔性支撑体，长度根据拱周长进行加工制作，花拱架底座采用200mm×200mm×20mm钢板。拱角开挖时，需超挖一定范围，以便形成拱座安放花拱架或钢支撑底座；对无法形成拱座的部位，采用打插筋和填补混凝土的方法进行修补；花拱架的连接方式采用焊接。花栅拱架之间用φ22或φ25钢筋连接，间距为1m。花栅拱架连接尽量利用锚杆，若不能利用则布设锁脚锚杆，锁脚锚杆长2.5m，用φ22钢筋制作，间距为1.0m～1.5m，视现场情况适当调整。

4 结语

中小型水利水电工程引水隧洞衬砌施工因断面小、施工方案难以实施常成为施工的主要困难之一，在施工时解决好小断面引水隧洞的开挖及支护设计是非常关键的，并对此进行良好的控制，才能为小断面引水隧洞的预期施工质量和工期目标提供基础。