锚杆、钢拱架及喷射混凝土的输水隧洞支护施工

熊志杰

（江西省水利水电建设集团有限公司，南昌 330000）

0 引言

供水引水隧洞支护施工条件复杂，很多大型机械设备难以到达施工现场，这就使得支护技术具有很强的局限性，整体式支护、复合式支护、装配式支护难以高效开展。而喷锚式支护施工工具设备的体积比较小，可自由出入隧洞，可加速施工速度，可完成供水引水隧洞支护工作，保证隧洞围岩结构的稳定性。但在具体应用中，需要结合隧洞的围岩结构特点，制定科学的施工方案，并对整个施工过程进行有效控制，才能更好的保证支护效果，促使供水引水隧洞支护工作能够安全、有序的完成。

1 工程概述

高安市上游水库是一座以供水、灌溉为主，兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的大（2）型水库，水库控制流域面积129km2，总库容1.85 亿m3，水库正常蓄水位83.00m，设计洪水位84.85m，校核洪水位86.34m，死水位71.00m。高安市上游水库除险加固工程（一期）施工1 标新建灌溉供水引水隧洞布置在主坝左岸山体中，新建灌溉供水引水隧洞穿越全～强风化千枚状变质砂岩，围岩为Ⅴ类，极不稳定，难于自稳，开挖过程中极易坍塌变形，成洞条件差。进、出口段原始地形较缓，洞脸边坡较稳定。隧洞围岩物理力学参数建议值，见表1。

表1 隧洞围岩物理力学参数建议值表

2 施工方案

就高安市上游水库工程而言，在供水引水隧洞支护施工中遇到的主要地质问题是围岩几乎全部都是全风化、强风化变质砂岩，岩质为软～极软，结构破裂严重，裂隙很发育，岩体破碎严重，围岩极其不稳定性，难以自稳，容易发生坍塌变形。存在边挖边塌问题，成洞条件比较差[1]。

因此，根据工程围岩破碎严重，存在严重的安全风险，确定施工方案如下：需对隧洞进行超前支护，安装型钢拱架，以提升支护的稳定性，挂网喷混凝土，联合系统锚杆的支护方法，可在拱顶范围内采取直径为22mm，长度为3.0m 的超前锚杆进行支护，纵向水平间距2.0m，支护间距控制0.5m左右。采用Ⅰ14 工字钢单榀钢拱架，间距控制在60cm 左右。挂高强度镀锌铅丝网喷混凝土的厚度为20cm，铅丝网片的直径为6mm，系统锚杆采取直径为22mm 的螺纹钢筋，间距控制在1.5m 左右，长度控制为4.5m。隧洞初期支护剖面图，见图1。

图1 隧洞初期支护剖面图

3 锚杆、钢拱架及喷射混凝土施工的要点

为保证施工的安全，本工程支护形式，采取了超前锚杆、钢拱架、挂网喷混凝土和锚杆等联合支护的方法，取得了良好效果。

3.1 钻孔

通过测量放线，确定好每根锚杆安装的具体位置，然后用移动式排架和YT-28 气腿钻成孔[2]。

3.2 锚杆安装

本工程在锚杆安装中，分为超前锚杆安装和系统锚杆安装两部分。

超前锚杆安装：钢筋型号22（Ⅲ级螺纹钢筋）、长度L=3.0m，布置范围为拱顶部160°，纵向水平间距2.0m，环向间距0.5m，钻孔上角度为上仰角15°，锚固剂锚固。

系统锚杆：拱顶锚杆采用锚固剂锚固，洞身两侧洞壁锚杆，锚杆钻孔由水平向修改为可向下倾斜5°～10°，灌注砂浆为M20；钢筋型号22（Ⅲ级螺纹钢筋）；锚杆长度L=2.5m，排距0.6m，梅花形布置；拱顶锚杆的布置范围为头90°（两侧锚杆与隧洞轴线的夹角为45°）；拱顶以下两侧洞壁锚杆的布置形式为下部锚杆距隧洞底板0.6m 处，隧洞进出口水平开挖段（桩号：D0+027.40～D0+037.40、D0+152.60～D0+162.60）上部锚杆布置在距隧洞底板1.40m 处，隧洞中间段（桩号：D0+037.40～D0+152.60）上部锚杆布置在距隧洞底板1.35m 处；锚杆孔直径Φ56mm，锚杆中应套装对中器，锚杆外端头90°、弯折10cm、外露长度为10cm，并与钢筋网焊接，底排锚杆与钢拱架焊接。

为保证支护效果，需要切实做好以下两点：

1）在进行锚杆正式安装前，必须严格检查好钻孔的深度、锚杆的长度，施工单位自检完成之后，上报给监理单位进行验收，保证锚杆的长度、规格等都能达到设计要求。

2）当锚杆安装完成，灌注砂浆达到龄期后，可分组抽检，每300根一组，且每组抽检不少于3根，锚杆安装质量检验时，要邀请监理单位同时参与[3]。

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3.3 制作钢筋网

所选择的钢筋在使用前需要进行全面检查，保证钢筋的质量和规格都达标后才能使用，钢筋通过绑扎或者焊接的方法连接成一个整体。钢筋网需要紧贴岩面不留空隙，并和锚杆连接牢固，由于本工程围岩为Ⅴ级围岩，破碎严重，不能进行局部布设，要沿着隧洞的形式进行全面布设，尤其是拱顶必须布设牢固的钢筋网。

3.4 钢拱架支撑

Ⅴ级围岩和破碎带在临时支护中采取钢拱架支撑，通过混凝土做全封闭处理，确保钢支撑各附件与钢支撑牢固焊接。在混凝土浇筑中，可将附件与钢支撑全部留在混凝土中，为防止岩石掉块，将钢支撑之间通过钢筋网制作成挡网[4]。钢筋网和钢支撑之间需要采取焊接的方法连接成一个整体。

本工程钢拱架采取了Ⅰ14 工字钢，间距0.6m，隧洞进出口断层等围岩破碎带可适当加密，隧洞开挖每榀钢拱架间采用20（Ⅲ级螺纹钢筋）钢筋连接，钢拱架底部视开挖情况可适当增设横向型钢支撑（钢筋和型钢现场计量），施工期间应注意监测钢拱架整体稳定性。钢筋网布设中，采取的钢筋型号为Φ6，间距20cm。

3.5 混凝土喷射

混凝土喷射是锚杆、钢拱架及喷射混凝土支护的核心环节，如何选择有效混凝土喷射方式，是本工程施工的难点之一。可选择的混凝土喷射方案有4 种：

1）方案1：干喷。喷嘴位置将水和干拌和料充分混合，施工质量取决于操作人员的技能。在喷射混凝土时，需要供应大量的干混合料，因此，供料作业限制比较少。水平输送距离在40～60m 之间，粉尘比较多，回弹量也比较大，发生故障后处理容易，设备清洗养护也比较容易。

2）方案2：潮喷。砂、石料等原材料需要经过预先潮湿处理之后，再在喷嘴位置进行二次加水，水化效果比较好，质量比干喷高。但由于需要在地面对集料进行预潮处理，因此，供料作业限制比少，水平输送距离约为40m，粉尘较少，回弹量较少，发生故障后处理比较容易，设备清洗养护也比较容易。

3）方案3：湿喷。提前将包括水在内的混凝土材料进行拌和，充分混合后再进行喷射，施工质量容易控制。但供料比较困难，操作难度大，设备占用空间大。水平输送距离一般在20～40m 之间，粉尘量少，回弹量少，堵管后处理难度大，设备清洗养护麻烦[5]。

综合对比，四种混凝土喷射方法，湿喷更加适合本工程，按照施工原材料的要求，进行混凝土配合比设计，进行试喷，达到设计强度之后，再进行全面喷射。

按照本工程试验室提供的混凝土配合比，在本次隧洞混凝土喷射施工中确定的配合比为：水泥：砂:豆石:水=1 : 2.00 : 1.66 : 0.46，控制速凝剂的掺入量为4.5%，混凝土坍落度控制在8～12cm 之间，砂率控制约为55%，在正式喷射之前，先用高压水枪将速冻岩面冲洗干净，同时清除隧洞岩石碎屑、松动的石块，保持隧洞围岩湿润，再由监理单位进行验收，验收达标之后，才能进行湿喷混凝土操作。混合料需要在隧洞之外配制好，通过5t 自卸汽车运输到洞内，倒入到集料斗中。再由人工上料到湿喷机的料斗中，通过TK-500 型喷射机进行输送，人工手持喷头，进行均匀、分层喷射。本工程所选胶管的有效长度为20m，因此，分段施工的长度也要定位20m 一段，达标后再进行下一段喷射[6]。按照从下到上的顺序进行均匀喷射，隧洞边墙混凝土喷射每层厚度控制在5～7cm 之间，隧洞拱顶每层喷射厚度控制在4～5m 之间，等喷射后的混凝土完成终凝后，人工进行喷水养护，为混凝土固化成型，营造一个良好的条件，以免形成裂缝。

3.6 支护施工效果

高安市上游水库新建灌溉供水引水隧洞穿越全～强风化千枚状变质砂岩，围岩为Ⅴ类，极不稳定，难于自稳，开挖过程中极易坍塌变形，成洞条件差，难以满足施工的要求，而且存在很多安全隐患。为保证施工质量，隧洞经采取锚杆、钢拱架、挂网喷混凝土联合支护方式后，监测隧道围岩基本稳定，符合规定，未出现质量问题，确保了隧洞后期的良性施工。保证了施工任务顺利完成，而且没有发生任何安全问题，表明锚杆、钢拱架及喷射混凝土施工技术，在供水引水隧道支护施工中应用的方法有效，可进行大范围推广。

4 结语

综上所述，结合工程实例，分析了基于锚杆、钢拱架及喷射混凝土的供水引水隧洞支护施工，分析得到，供水引水隧洞支护对施工质量有严格要求，任何一个细节控制不当，都会影响最终的支护效果。但由于供水引水隧洞支护施工空间有限，很多大型设备无法进入到隧洞内部，此时，锚杆、钢拱架及喷射混凝土联合支护具有的优势就充分体现出来，在具体施工中，锚喷支护施工采用先锚后喷的施工程序，但对软弱围岩、破碎带等，应采用先喷第一层混凝土进行封闭保护，然后打锚杆、挂网、最后喷射混凝土至设计厚度的施工程序。并结合工程特点和围岩情况，对各个施工环节进行严格控制，才能保证支护效果，为后期施工提供一个良好的支护条件。