超前小導(dǎo)管和鋼拱架支護(hù)在引水隧洞工程中的應(yīng)用

張榮攀

一、工程概況

某水庫引水工程主要由渠首、上游渠道、引水隧洞及下游渠道組成，其中引水隧洞為第五標(biāo)段。工程內(nèi)容為無壓引水隧洞，長度2410m，隧洞起始樁號為0+000，進(jìn)口設(shè)計水位152.18m，出口樁號為2+410，出口設(shè)計水位150.84m，進(jìn)口底板高程149.78m，出口底板高程148.44m。隧洞型式為城門洞形，設(shè)計水深2.4m，底寬4.0m，洞高4.0m，坡降1/1800，設(shè)計引水流量17m3/s。

其 中 樁 號0-000～0-004 為 隧 洞進(jìn)口明洞段，采用圓拱直墻式，圓拱半徑2m，直墻段高度2m，洞壁厚0.8m；2+410～2+414 為隧洞出口明洞段，采用圓拱直墻式，圓拱半徑2m，直墻段高度2m，洞壁厚0.8m；破碎帶處洞身襯砌厚度為0.6cm，進(jìn)口0+000～0+010 及 出 口2+400～2+410 隧洞襯砌厚度為0.8cm。

二、地質(zhì)變化情況

原地質(zhì)勘查資料洞身進(jìn)出口段巖石結(jié)構(gòu)為微風(fēng)化巖體，按Ⅲ類圍巖考慮，支護(hù)形式為洞身襯砌0.4～0.6m 鋼筋混凝土，標(biāo)號為C25F250W4。實際施工中，當(dāng)洞身爆破掘進(jìn)至樁號0+623 段時，地質(zhì)情況發(fā)生較大變化，圍巖變?yōu)槿躏L(fēng)化花崗巖，巖體結(jié)構(gòu)呈碎塊狀及砂土狀，遇空氣及水易軟化造成洞頂塌落，屬Ⅴ類圍巖。為確保安全、質(zhì)量及施工進(jìn)度，經(jīng)項目部分析研究制定了超前小導(dǎo)管灌漿及鋼拱架支護(hù)的防護(hù)方案，經(jīng)相關(guān)專家論證業(yè)主批準(zhǔn)后實施。

三、支護(hù)工藝措施

為防止洞頂塌落發(fā)生質(zhì)量安全事故，經(jīng)分析論證確定采取超前小導(dǎo)管灌漿、鋼拱架、錨桿、噴射混凝土等支護(hù)方式穩(wěn)步推進(jìn)的有效加固措施，開挖鉆爆按照“先支護(hù)（強(qiáng)支護(hù)）、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動，快封閉，勤測量、勤反饋”的原則施工，消除安全隱患，保證施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。

小導(dǎo)管與鋼拱架聯(lián)合支護(hù)施工方法是隧道開挖中防止掌子面坍塌并限制圍巖變形的一種預(yù)支護(hù)手段。主要原理是在隧道開挖之前，沿著隧道開挖輪廓線外洞線方向水平鋪設(shè)鋼管，并通過鋼管向圍巖注漿，對小導(dǎo)管周圍的圍巖進(jìn)行加固，開挖后進(jìn)行鋼拱架支護(hù)，錨桿掛網(wǎng)噴漿，達(dá)到安全施工的目的。

小導(dǎo)管采用外徑Φ42mm、壁厚3.5mm 的熱軋無縫管，鋼管前端作成尖錐狀，尾部焊接Φ6 加勁箍，尾部長度100cm，作為不鉆孔的止?jié){段，管壁四周鉆四排Φ10mm 孔，管長4～5m，孔間距15cm，呈梅花形布置，鋼管沿拱的環(huán)向布置間距為25cm，外插角為1°～3°，兩排小導(dǎo)管沿隧洞縱向的搭接長度為1～2.5m。導(dǎo)管安裝首先在拱架腹板中央開孔，小導(dǎo)管鉆孔和安裝均通過該孔。錨桿縱向間距1m，橫向間距1.5m，呈梅花形布置。緊貼鋼拱架外側(cè)掛Ф8、Ф6.5 鋼筋網(wǎng)片后噴20cm 厚混凝土。待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行下一循環(huán)施工

施工順序：開挖→鋼拱架支護(hù)→超前小導(dǎo)管→掛網(wǎng)→噴射混凝土→鉆孔爆破進(jìn)入下一循環(huán)

四、具體支護(hù)施工方法

1.鋼拱架施工

鋼拱架采用20a 工字鋼支護(hù)，每榀鋼拱架間距0.5m，鋼拱架按隧洞斷面尺寸預(yù)先在洞外加工棚場地加工成型，在洞內(nèi)用螺栓連接成整體。

（1）鋼拱架制作

型鋼鋼架采用冷彎成型；鋼架加工焊接不得有假焊，焊縫表面不得有裂紋等缺陷。每榀鋼架加工完成后放在水泥地面上試拼，周邊拼裝允許誤差為±3cm，平面翹曲小于2cm。鋼架在開挖后及時架設(shè)。

（2）鋼架架設(shè)工藝要求

安裝前清除基底虛砟、雜物和積水。鋼架安裝允許偏差：鋼架間距、橫向位置和高程與設(shè)計位置的偏差不超過±5cm，垂直度誤差為±2°。

（3）鋼拱架安裝

鋼拱架各節(jié)鋼架間以螺栓連接，連接板密貼。鋼拱架拱腳打設(shè)鎖腳錨桿，數(shù)量為每側(cè)2 根。鋼架底腳置于牢固的基礎(chǔ)上。鋼架盡量密貼圍巖并與鎖腳錨桿焊接牢固，鋼架之間按設(shè)計縱向連接。每兩榀鋼拱架間用Φ20螺紋鋼焊接連接，環(huán)向間距0.5m。鋼架與噴混凝土形成一體，鋼架與圍巖間的間隙用噴射混凝土充填密實。

2.超前小導(dǎo)管施工

施工工藝流程：鉆孔→清孔→驗孔→安裝導(dǎo)管→注漿。

（1）施工參數(shù)

鋼管布設(shè)在圓心角約為180°的隧洞拱部；鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管Ф42，壁厚3.5mm，管長4～5m；管距：環(huán)向間距25cm；管心與襯砌設(shè)計外擴(kuò)線間距為10cm；傾角：上傾1°～3°；方向：平行于路線中線。

（2）鉆孔

采用28 型鉆機(jī)鉆孔，鉆頭采用Ф50 合金鉆頭施鉆，鉆機(jī)開機(jī)時，可低速運(yùn)轉(zhuǎn)，待成孔1m 后，適當(dāng)加壓；巖質(zhì)較好的可以一次成孔；若鉆進(jìn)時產(chǎn)生塌孔、卡鉆，需注漿待凝后再行鉆孔，根據(jù)鉆進(jìn)情況判斷成孔質(zhì)量，及時處理鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題；認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄，及時對孔內(nèi)巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述，作為開挖洞身的地質(zhì)預(yù)報，為指導(dǎo)洞身開挖提供基礎(chǔ)資料。

（3）清孔和驗孔

打完孔后用高風(fēng)壓持續(xù)掃孔3min，清除浮渣至孔底，確保孔徑、孔深符合要求，防止堵孔。測量孔深并做好記錄。

（4）安裝鋼管

鋼管四周鉆Ф10mm 出漿孔；管頭焊成圓錐形，便于入孔；鋼管內(nèi)安裝一根Φ25 螺紋鋼，長度同小導(dǎo)管長度；鋼管用人工裝進(jìn)。一次性頂進(jìn)長度4～5m。

（5）注漿

采用灌漿機(jī)將水泥漿注入鋼管內(nèi)，灌漿壓力根據(jù)實驗確定，必要時摻速凝劑。注漿材料采用水泥漿（水灰比0.5～1）；當(dāng)圍巖破碎，巖體止?jié){效果不好時，可采用水泥+水玻璃雙液漿。注漿前先進(jìn)行現(xiàn)場試驗，通過現(xiàn)場試驗確定具體參數(shù)。

導(dǎo)管及錨桿噴護(hù)工序完成后，每次爆破開挖進(jìn)尺小于1m，開挖后，立即架立工字鋼拱架，小導(dǎo)管與鋼拱焊成整體形成復(fù)合棚狀支護(hù)。

3.錨桿施工

布孔：開挖后，將浮石撬除，巖面清理干凈。

造孔：采用錨桿臺車和YT-28 手風(fēng)鉆造孔。

表1 噴射混凝土配合比表

洗孔：鉆孔結(jié)束后，用高壓風(fēng)水洗孔，并將孔內(nèi)水吹干。

驗孔：對孔位、孔深、斜度進(jìn)行檢查，驗收合格后方可進(jìn)入下道工序。

注漿、插錨桿：頂壁錨桿用錨固劑，邊墻錨桿按配合比拌制砂漿，采用注漿機(jī)注漿，砂漿標(biāo)號不低于M30。施工均采用先注漿、后插錨桿的方法。錨桿在后方加工廠制作。

4.噴射混凝土施工

（1）材料選擇

水泥：選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號為PO42.5，進(jìn)場水泥有檢驗報告，進(jìn)場后進(jìn)行抽樣檢測。

骨料：細(xì)骨料采用堅硬耐久的粗、中砂，細(xì)度模數(shù)大于2.5，含水率控制在5%～7%；粗骨料采用碎石，粒徑不大于15mm；噴射混凝土的骨料級配滿足規(guī)定。

外加劑：噴射混凝土所使用的外加劑，如速凝劑等質(zhì)量要符合設(shè)計要求并有生產(chǎn)廠家的質(zhì)量證明書，初凝時間不應(yīng)大于5min，終凝時間不應(yīng)大于10min，選用的外加劑經(jīng)監(jiān)理人員批準(zhǔn)后使用。

（2）配合比

噴射混凝土配合比由自檢單位根據(jù)實驗給出，見表1。

（3）配料、拌和及運(yùn)輸

配料：拌制混合料的稱量應(yīng)控制在相關(guān)規(guī)定的范圍之內(nèi)，水泥控制在±2%，砂、石控制在±3%。

攪拌時間：混合料攪拌采用0.5m3強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌料，攪拌時間不得少于2min；混合料摻有外加劑時，攪拌時間適當(dāng)延長使外加劑與混合料均勻摻合。

運(yùn)輸：混合料在拌和站集中拌制，采用5t 自卸汽車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，做到隨時拌料、隨時運(yùn)輸、隨時噴射，避免長時間存放，以防混合料結(jié)塊浪費(fèi)。

（4）施工程序

噴混凝土施工應(yīng)嚴(yán)格按照巖面清理→驗收→拌合→噴射→養(yǎng)護(hù)的程序進(jìn)行。

（5）施工方法

施噴前先清洗巖石表面，清除受噴面上的松動巖石，清除噴射作業(yè)的各種障礙物，特別是巖面臺階處的砂石與泥土必須鏟除，再用高壓風(fēng)清理干凈，并埋設(shè)控制噴層厚度的標(biāo)志。

噴射采用分區(qū)依次進(jìn)行，噴射順序自下而上。分層噴射時，后一層在前一層混凝土終凝前進(jìn)行，若終凝后噴射時，先用風(fēng)水清洗噴層面然后再施噴；噴射作業(yè)緊跟開挖工作面，混凝土終凝至下一循環(huán)放炮時間不少于3h。

噴射混凝土噴頭與受噴面應(yīng)盡量垂直，偏角宜控制在20°以內(nèi)，利用噴射料來抑阻集料的回彈，以減少混凝土的回彈量。噴頭與噴面的距離應(yīng)控制在0.8～1.0m 左右。

噴射混凝土終凝2h 后及時噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于7d；氣溫低于5℃時，不進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)。

噴射作業(yè)前，對機(jī)械設(shè)備、風(fēng)、水管路，輸料管路和電纜線路等進(jìn)行全面檢查及試運(yùn)轉(zhuǎn)，并檢查速凝劑的泵送及計量裝置性能。

（6）拌制控制及噴射注意事項

高性能混凝土攪拌時負(fù)荷非常大，拌制時先投入砂，再投入水泥等，攪拌30s 后，再加入水、減水劑攪拌60s，最后投入粗骨料進(jìn)行攪拌，攪拌時間不少于60s。

噴射混凝土采用濕噴工藝，除速凝劑外包括水在內(nèi)的所有集料均在洞外拌合站攪拌均勻，然后運(yùn)到洞內(nèi)送入噴射機(jī)械進(jìn)行噴射，噴射混凝土做到密實、飽滿、表面平順，強(qiáng)度要達(dá)到設(shè)計要求。

五、結(jié)語

在引水隧洞掘進(jìn)施工中，現(xiàn)場技術(shù)及作業(yè)人員針對地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化制訂了超前小導(dǎo)管和鋼拱架聯(lián)合支護(hù)方案并順利實施，保證了項目施工質(zhì)量和設(shè)備人員安全，為工程施工順利推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)，該工藝措施安全合理效果明顯，對類似地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧洞施工有一定參考價值■