水利工程隧洞開挖和支護技術分析

陳寶勝

摘 要：水利工程的施工需要考慮到地質、氣候、水文等各種因素的影響，整個施工過程最重要、難度最大的工序為引水隧洞的開挖，為了保證這一環(huán)節(jié)的施工安全和施工質量，會同時運用科學的支護技術予以輔助。本文以實際案例為研究對象，對水利工程隧洞開挖和支護技術展開詳細探討。

關鍵詞：水利工程 隧洞開挖 支護技術

水利工程的施工過程較為復雜，所涉及到的施工材料和施工技術以及準備、實施、檢測等各個階段，都需要對實際案例進行分析才能直觀地掌握整個施工流程與核心環(huán)節(jié)。有鑒于此，本文以某水電站為研究對象，主要對其隧洞開挖和支護技術進行分析討論。

1.工程概況

某水電站是以發(fā)電為主的大型一等水利工程，同時也兼顧灌溉、防洪、養(yǎng)殖以及旅游等綜合性用途。該水電站的整體建筑結構由石壩、洪道、隧洞、發(fā)電系統(tǒng)與導流工程等建筑物構成，本文主要對其中的引水建筑物進行討論。該工程的引水建筑物包括引渠、電站進水口和引水隧洞，該引水隧洞的土建工程主要包括漸變段和上平直段的石方洞挖、支護、襯砌混凝土、固結灌漿、回填灌漿等。

2.工程地質條件分析

該工程的引水隧洞處于電站進水塔的下游階段，從位置上看與進水口八個預留巖柱呈互相交錯分布，隧洞的洞臉在兩側預留巖柱之間，所處地形呈垂直立面邊坡狀。該工程的地理地質條件復雜，存在多個引水隧洞，且各個隧洞內的巖石種類和結構有較大差異，具體包括：弱風化花崗巖、弱風化角礫巖、弱風化粉砂巖、弱風化細砂巖和少量泥巖，從結構上看多為鑲嵌碎裂結構、中厚層或薄層狀結構。

3.施工過程研究

（1）開挖施工

①洞口開挖過程分析

該水利工程的洞口多為Ⅳ類圍巖，因此采用方形開挖存在一定的難度，為了確保洞口成型，需要在開挖之前實施125KN預應力鎖口錨桿施工。具體過程為：將125KN預應力錨桿等兩排分布在洞口開挖線外側，目的是提前錨固洞口，該水利工程的隧洞預應力鎖口錨桿規(guī)格為Φ32@1.5m×1m，L=9m，上仰10°。

具體的工藝流程為：施工準備階段、施工進行階段（測量放線、鉆孔、清洗鉆孔、驗收、安插錨桿、內錨段注漿、安裝托板墊圈螺帽、張拉鎖定、自由段注漿）、檢測維護階段（物探實驗）。在這其中，對最重要的預應力錨桿施工過程進行分析：

首先應由測量人員進行準備工作，即在施工現(xiàn)場用紅油漆逐一標注孔位以作標識，然后進行鉆孔操作，即使用直徑90mm的潛孔鉆以上仰 10°的姿態(tài)完成鉆孔操作，待鉆孔結束后用風、水聯(lián)合清洗，同時對孔徑、孔向、孔深和孔底的清潔程度進行逐一排查并進行記錄。接著將提前制作好的預應力錨桿插入孔內，該過程一定要保持緩慢插入且注漿管暢通無阻以及止?jié){環(huán)完好無損，同時確保桿體與各個部件之間結合牢固，無任何脫落和損壞的情況。待插桿操作完成后安裝墊板和螺帽，注意錨固段應及時進行注漿，并結合現(xiàn)場的張拉分五個量級依次施加張拉力值：首次張拉力應為設計值的25%（31.25KN），后續(xù)四次張拉力值分別為設計值的50%（62.5KN）、75%（93.75KN）、100%（125KN）、110%（137.5KN），且確保每次張拉之前持荷5分鐘，最后保持靜載持續(xù)穩(wěn)壓30分鐘后進行鎖定。待張拉操作完成后采用純水泥漿對錨桿自由段進行回填灌漿施工，具體的使用工具為GSP-A型灌漿泵。接著對排氣管的暢通情況進行現(xiàn)場確認，并完成孔內自由段注漿操作，當排氣孔停止排氣且伴隨漿液溢出時，就表示自由段注漿飽滿，此時停止注漿。

②洞身開挖過程分析

洞身開挖施工的整個工藝流程依次為：操作平臺就位、測量放線布孔、鉆孔、清孔、裝藥連線、撤離人員設備、起爆、通風排煙散煙、查炮、灑水出渣、掌子面清理排險，待整個流程走完后進入下一循環(huán)。

同樣的，洞身的開挖方式仍分為上下兩層，同時完成中部楔型掏槽和周邊光面爆破施工。進口漸變段的開挖需要分層進行，第Ⅰ層高7.5m，開挖方法選用中導洞領先、兩側墻擴挖跟進式完成，兼顧YT-28氣腿鉆造孔和周邊光面爆破，運輸工具采用3.0m3側卸式裝載機和15t自卸汽車；第Ⅱ層高5.0—6.8m，開挖方法如上，兼顧YT-28氣腿鉆打水平孔以及周邊光面爆破，裝渣設備為3.0m3側卸式裝載機、清渣設備為CAT330D（1.6m3）挖掘機；最后一層仍用YT-28氣腿鉆造孔并對局部淺孔光面進行爆破，然后處理局部欠挖以確保開挖體型滿足規(guī)范要求。

③洞身破碎帶開挖

洞身破碎帶開挖主要針對上半洞進行，整體工藝流程依次為：臺車就位、測量放線、鉆孔、清孔、裝藥連線、撤離人員設備、起爆、灑水通風散煙、查炮排險、出渣、掌子面清理、臺車就位、拉網噴砼、錨桿施工，待整個流程走完后進入下一循環(huán)。

需要注意的是，1#引水隧洞多為弱風化花崗巖，且洞口段有F9斷層露出，容易風化破碎，因此開挖鉆爆的施工應遵循“先支護、短進尺、多循環(huán)、弱爆破”的原則，重點對破碎帶進行鋼支撐加強支護，以確保成洞巖體穩(wěn)定。

（2）錨噴支護施工

①系統(tǒng)錨桿施工

整個工藝流程依次為：測量放線、鉆孔、清孔、驗收、拌制灌注水泥砂漿、安插錨桿、物探實驗。在這一過程中，鉆孔作業(yè)時應使用YT-28手風鉆和φ42鉆頭進行鉆孔，鉆孔位置由測量中心經現(xiàn)場逐一號孔確定，開孔時應保證于任何方向的偏差都小于100mm。對于錨孔的深度應符合設計要求，孔深偏差值小于50mm，待鉆孔結束后用風、水聯(lián)合清洗以去除孔內的松散巖粉粒和積水，待清除完畢后對孔徑、孔向、孔深和孔底的清潔程度進行逐一排查并記錄結果，驗收合格后再用高壓風吹凈孔內殘渣和水。注漿環(huán)節(jié)使用MZ-30泵進行操作，控制水泥與砂漿配合比（重量比）為1：1.15、水泥與水配合比為1：0.39，待錨桿注漿完成后保護錨桿在砂漿徹底凝固之前不受到敲擊、碰撞和拉拔影響。

②超前錨桿施工

在洞身上半洞開挖過程中考慮到局部巖石容易破碎，為了確保隧洞成型并保證施工安全，應在爆破后及時進行超前錨桿施工。

超前錨桿型號為Φ32@0.4m，L=3m且保持上仰10°，距離開挖設計線外20cm-25cm，間距為30cm-35cm，排距為2.0m。在局部巖石破碎過程中需要進行加密施工，注漿時按照系統(tǒng)標準控制水泥砂漿配合比，并保持錨桿外露約30cm，同時應焊接在鋼筋網或鋼支撐上才能進入下一環(huán)節(jié)施工。

③鋼支撐加固施工

以7#引水隧洞為例，由于巖石破碎等地質原因導致爆破后局部超挖，因此設計人員采用18mm的工字鋼按支撐間距1m進行加強支護，每排鋼支撐采用Φ28@0.8m，L=6m的錨桿進行固定，彼此之間采用Φ25的鋼筋進行連接，且間距為0.5m，在鋼支撐上部鋪設預制好的鋼筋網片，并通過及時的噴護施工來保證圍巖穩(wěn)定。

④噴混凝土施工

整個工藝流程依次為：測量定位、清理浮土和松動石塊、清洗表面、搭設工作平臺、驗收倉面、3-5cm素噴、掛鋼筋網、標記厚度、驗收倉面、噴射作業(yè)、檢查厚度、補噴、驗收檢查、養(yǎng)護、強度試驗。在具體施工中應分為兩層進行噴護：第Ⅰ層采用素噴 3-5cm厚度，第Ⅱ層為5-7cm至設計厚度15cm，待噴射混凝土全部凝固兩小時之后，進行十四個晝夜的噴水養(yǎng)護工作。

需要注意的兩個施工環(huán)節(jié)為：第一，素噴混凝土施工。應對巖面使用高壓風、水聯(lián)合清洗，并用0.35m3拌和機進行現(xiàn)場拌料，再利用濕噴工藝進行噴混凝土操作。整個過程分片分段依次進行，噴射順序自上而下，且保持噴射時鋼支撐上部確保錨噴密室，以及噴層表面應光滑平整無干斑或滑移流淌現(xiàn)象；第二，掛網噴混凝土施工。所用鋼筋應于鋼筋加工場制作成網片，且網格尺寸為φ6.5@200mm×200mm，由載重車負責運輸。對于極不平整或有破碎的巖面先完成一層素噴，再鋪設鋼筋網，并運用0.35m3攪拌機對混凝土進行現(xiàn)場攪拌，并結合濕噴工藝完成噴混凝土作業(yè)。在起噴階段，應適當縮短噴頭與受噴面間的距離，同時調整噴射角度以確保鋼筋網背面地質超挖部位的混凝土密實堅固。

待開挖支護施工結束后，應及時進行混凝土襯砌施工以保證隧洞穩(wěn)定，接著完成鉆孔回填灌漿以及巖石混凝土的固結灌漿，從而再次提升隧洞的穩(wěn)定性。

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