超前小导管和钢拱架支护在引水隧洞工程中的应用

张荣攀

一、工程概况

某水库引水工程主要由渠首、上游渠道、引水隧洞及下游渠道组成，其中引水隧洞为第五标段。工程内容为无压引水隧洞，长度2410m，隧洞起始桩号为0+000，进口设计水位152.18m，出口桩号为2+410，出口设计水位150.84m，进口底板高程149.78m，出口底板高程148.44m。隧洞型式为城门洞形，设计水深2.4m，底宽4.0m，洞高4.0m，坡降1/1800，设计引水流量17m³/s。

其 中 桩 号0-000～0-004 为 隧 洞进口明洞段，采用圆拱直墙式，圆拱半径2m，直墙段高度2m，洞壁厚0.8m；2+410～2+414 为隧洞出口明洞段，采用圆拱直墙式，圆拱半径2m，直墙段高度2m，洞壁厚0.8m；破碎带处洞身衬砌厚度为0.6cm，进口0+000～0+010 及 出 口2+400～2+410 隧洞衬砌厚度为0.8cm。

二、地质变化情况

原地质勘查资料洞身进出口段岩石结构为微风化岩体，按Ⅲ类围岩考虑，支护形式为洞身衬砌0.4～0.6m 钢筋混凝土，标号为C25F250W4。实际施工中，当洞身爆破掘进至桩号0+623 段时，地质情况发生较大变化，围岩变为弱风化花岗岩，岩体结构呈碎块状及砂土状，遇空气及水易软化造成洞顶塌落，属Ⅴ类围岩。为确保安全、质量及施工进度，经项目部分析研究制定了超前小导管灌浆及钢拱架支护的防护方案，经相关专家论证业主批准后实施。

三、支护工艺措施

为防止洞顶塌落发生质量安全事故，经分析论证确定采取超前小导管灌浆、钢拱架、锚杆、喷射混凝土等支护方式稳步推进的有效加固措施，开挖钻爆按照“先支护（强支护）、短进尺、弱爆破、少扰动，快封闭，勤测量、勤反馈”的原则施工，消除安全隐患，保证施工进度和施工质量。

小导管与钢拱架联合支护施工方法是隧道开挖中防止掌子面坍塌并限制围岩变形的一种预支护手段。主要原理是在隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线外洞线方向水平铺设钢管，并通过钢管向围岩注浆，对小导管周围的围岩进行加固，开挖后进行钢拱架支护，锚杆挂网喷浆，达到安全施工的目的。

小导管采用外径Φ42mm、壁厚3.5mm 的热轧无缝管，钢管前端作成尖锥状，尾部焊接Φ6 加劲箍，尾部长度100cm，作为不钻孔的止浆段，管壁四周钻四排Φ10mm 孔，管长4～5m，孔间距15cm，呈梅花形布置，钢管沿拱的环向布置间距为25cm，外插角为1°～3°，两排小导管沿隧洞纵向的搭接长度为1～2.5m。导管安装首先在拱架腹板中央开孔，小导管钻孔和安装均通过该孔。锚杆纵向间距1m，横向间距1.5m，呈梅花形布置。紧贴钢拱架外侧挂Ф8、Ф6.5 钢筋网片后喷20cm 厚混凝土。待混凝土达到一定强度后进行下一循环施工

施工顺序：开挖→钢拱架支护→超前小导管→挂网→喷射混凝土→钻孔爆破进入下一循环

四、具体支护施工方法

1.钢拱架施工

钢拱架采用20a 工字钢支护，每榀钢拱架间距0.5m，钢拱架按隧洞断面尺寸预先在洞外加工棚场地加工成型，在洞内用螺栓连接成整体。

（1）钢拱架制作

型钢钢架采用冷弯成型；钢架加工焊接不得有假焊，焊缝表面不得有裂纹等缺陷。每榀钢架加工完成后放在水泥地面上试拼，周边拼装允许误差为±3cm，平面翘曲小于2cm。钢架在开挖后及时架设。

（2）钢架架设工艺要求

安装前清除基底虚砟、杂物和积水。钢架安装允许偏差：钢架间距、横向位置和高程与设计位置的偏差不超过±5cm，垂直度误差为±2°。

（3）钢拱架安装

钢拱架各节钢架间以螺栓连接，连接板密贴。钢拱架拱脚打设锁脚锚杆，数量为每侧2 根。钢架底脚置于牢固的基础上。钢架尽量密贴围岩并与锁脚锚杆焊接牢固，钢架之间按设计纵向连接。每两榀钢拱架间用Φ20螺纹钢焊接连接，环向间距0.5m。钢架与喷混凝土形成一体，钢架与围岩间的间隙用喷射混凝土充填密实。

2.超前小导管施工

施工工艺流程：钻孔→清孔→验孔→安装导管→注浆。

（1）施工参数

钢管布设在圆心角约为180°的隧洞拱部；钢管规格：热轧无缝钢管Ф42，壁厚3.5mm，管长4～5m；管距：环向间距25cm；管心与衬砌设计外扩线间距为10cm；倾角：上倾1°～3°；方向：平行于路线中线。

（2）钻孔

采用28 型钻机钻孔，钻头采用Ф50 合金钻头施钻，钻机开机时，可低速运转，待成孔1m 后，适当加压；岩质较好的可以一次成孔；若钻进时产生塌孔、卡钻，需注浆待凝后再行钻孔，根据钻进情况判断成孔质量，及时处理钻进过程中出现的问题；认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔内岩屑进行地质判断、描述，作为开挖洞身的地质预报，为指导洞身开挖提供基础资料。

（3）清孔和验孔

打完孔后用高风压持续扫孔3min，清除浮渣至孔底，确保孔径、孔深符合要求，防止堵孔。测量孔深并做好记录。

（4）安装钢管

钢管四周钻Ф10mm 出浆孔；管头焊成圆锥形，便于入孔；钢管内安装一根Φ25 螺纹钢，长度同小导管长度；钢管用人工装进。一次性顶进长度4～5m。

（5）注浆

采用灌浆机将水泥浆注入钢管内，灌浆压力根据实验确定，必要时掺速凝剂。注浆材料采用水泥浆（水灰比0.5～1）；当围岩破碎，岩体止浆效果不好时，可采用水泥+水玻璃双液浆。注浆前先进行现场试验，通过现场试验确定具体参数。

导管及锚杆喷护工序完成后，每次爆破开挖进尺小于1m，开挖后，立即架立工字钢拱架，小导管与钢拱焊成整体形成复合棚状支护。

3.锚杆施工

布孔：开挖后，将浮石撬除，岩面清理干净。

造孔：采用锚杆台车和YT-28 手风钻造孔。

表1 喷射混凝土配合比表

洗孔：钻孔结束后，用高压风水洗孔，并将孔内水吹干。

验孔：对孔位、孔深、斜度进行检查，验收合格后方可进入下道工序。

注浆、插锚杆：顶壁锚杆用锚固剂，边墙锚杆按配合比拌制砂浆，采用注浆机注浆，砂浆标号不低于M30。施工均采用先注浆、后插锚杆的方法。锚杆在后方加工厂制作。

4.喷射混凝土施工

（1）材料选择

水泥：选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥，水泥标号为PO42.5，进场水泥有检验报告，进场后进行抽样检测。

骨料：细骨料采用坚硬耐久的粗、中砂，细度模数大于2.5，含水率控制在5%～7%；粗骨料采用碎石，粒径不大于15mm；喷射混凝土的骨料级配满足规定。

外加剂：喷射混凝土所使用的外加剂，如速凝剂等质量要符合设计要求并有生产厂家的质量证明书，初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min，选用的外加剂经监理人员批准后使用。

（2）配合比

喷射混凝土配合比由自检单位根据实验给出，见表1。

（3）配料、拌和及运输

配料：拌制混合料的称量应控制在相关规定的范围之内，水泥控制在±2%，砂、石控制在±3%。

搅拌时间：混合料搅拌采用0.5m3强制式搅拌机拌料，搅拌时间不得少于2min；混合料掺有外加剂时，搅拌时间适当延长使外加剂与混合料均匀掺合。

运输：混合料在拌和站集中拌制，采用5t 自卸汽车运输至施工现场，做到随时拌料、随时运输、随时喷射，避免长时间存放，以防混合料结块浪费。

（4）施工程序

喷混凝土施工应严格按照岩面清理→验收→拌合→喷射→养护的程序进行。

（5）施工方法

施喷前先清洗岩石表面，清除受喷面上的松动岩石，清除喷射作业的各种障碍物，特别是岩面台阶处的砂石与泥土必须铲除，再用高压风清理干净，并埋设控制喷层厚度的标志。

喷射采用分区依次进行，喷射顺序自下而上。分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝前进行，若终凝后喷射时，先用风水清洗喷层面然后再施喷；喷射作业紧跟开挖工作面，混凝土终凝至下一循环放炮时间不少于3h。

喷射混凝土喷头与受喷面应尽量垂直，偏角宜控制在20°以内，利用喷射料来抑阻集料的回弹，以减少混凝土的回弹量。喷头与喷面的距离应控制在0.8～1.0m 左右。

喷射混凝土终凝2h 后及时喷水养护，养护时间不少于7d；气温低于5℃时，不进行喷水养护。

喷射作业前，对机械设备、风、水管路，输料管路和电缆线路等进行全面检查及试运转，并检查速凝剂的泵送及计量装置性能。

（6）拌制控制及喷射注意事项

高性能混凝土搅拌时负荷非常大，拌制时先投入砂，再投入水泥等，搅拌30s 后，再加入水、减水剂搅拌60s，最后投入粗骨料进行搅拌，搅拌时间不少于60s。

喷射混凝土采用湿喷工艺，除速凝剂外包括水在内的所有集料均在洞外拌合站搅拌均匀，然后运到洞内送入喷射机械进行喷射，喷射混凝土做到密实、饱满、表面平顺，强度要达到设计要求。

五、结语

在引水隧洞掘进施工中，现场技术及作业人员针对地质结构变化制订了超前小导管和钢拱架联合支护方案并顺利实施，保证了项目施工质量和设备人员安全，为工程施工顺利推进奠定了基础，该工艺措施安全合理效果明显，对类似地质结构隧洞施工有一定参考价值■