水利工程隧洞開挖和支護(hù)技術(shù)分析

陳寶勝

摘 要：水利工程的施工需要考慮到地質(zhì)、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(zhì)量，會同時運用科學(xué)的支護(hù)技術(shù)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(hù)技術(shù)展開詳細(xì)探討。

關(guān)鍵詞：水利工程 隧洞開挖 支護(hù)技術(shù)

水利工程的施工過程較為復(fù)雜，所涉及到的施工材料和施工技術(shù)以及準(zhǔn)備、實施、檢測等各個階段，都需要對實際案例進(jìn)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(hù)技術(shù)進(jìn)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(jié)構(gòu)由石壩、洪道、隧洞、發(fā)電系統(tǒng)與導(dǎo)流工程等建筑物構(gòu)成，本文主要對其中的引水建筑物進(jìn)行討論。該工程的引水建筑物包括引渠、電站進(jìn)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(hù)、襯砌混凝土、固結(jié)灌漿、回填灌漿等。

2.工程地質(zhì)條件分析

該工程的引水隧洞處于電站進(jìn)水塔的下游階段，從位置上看與進(jìn)水口八個預(yù)留巖柱呈互相交錯分布，隧洞的洞臉在兩側(cè)預(yù)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(zhì)條件復(fù)雜，存在多個引水隧洞，且各個隧洞內(nèi)的巖石種類和結(jié)構(gòu)有較大差異，具體包括：弱風(fēng)化花崗巖、弱風(fēng)化角礫巖、弱風(fēng)化粉砂巖、弱風(fēng)化細(xì)砂巖和少量泥巖，從結(jié)構(gòu)上看多為鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)、中厚層或薄層狀結(jié)構(gòu)。

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(yù)應(yīng)力鎖口錨桿施工。具體過程為：將125KN預(yù)應(yīng)力錨桿等兩排分布在洞口開挖線外側(cè)，目的是提前錨固洞口，該水利工程的隧洞預(yù)應(yīng)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(zhǔn)備階段、施工進(jìn)行階段（測量放線、鉆孔、清洗鉆孔、驗收、安插錨桿、內(nèi)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(hù)階段（物探實驗）。在這其中，對最重要的預(yù)應(yīng)力錨桿施工過程進(jìn)行分析：

首先應(yīng)由測量人員進(jìn)行準(zhǔn)備工作，即在施工現(xiàn)場用紅油漆逐一標(biāo)注孔位以作標(biāo)識，然后進(jìn)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(jié)束后用風(fēng)、水聯(lián)合清洗，同時對孔徑、孔向、孔深和孔底的清潔程度進(jìn)行逐一排查并進(jìn)行記錄。接著將提前制作好的預(yù)應(yīng)力錨桿插入孔內(nèi)，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(jié)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(yīng)及時進(jìn)行注漿，并結(jié)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(yīng)為設(shè)計值的25%（31.25KN），后續(xù)四次張拉力值分別為設(shè)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(jìn)行鎖定。待張拉操作完成后采用純水泥漿對錨桿自由段進(jìn)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(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，并完成孔內(nèi)自由段注漿操作，當(dāng)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(shè)備、起爆、通風(fēng)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(jìn)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(jìn)口漸變段的開挖需要分層進(jìn)行，第Ⅰ層高7.5m，開挖方法選用中導(dǎo)洞領(lǐng)先、兩側(cè)墻擴(kuò)挖跟進(jìn)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(cè)卸式裝載機(jī)和15t自卸汽車；第Ⅱ?qū)痈?.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(shè)備為3.0m3側(cè)卸式裝載機(jī)、清渣設(shè)備為CAT330D（1.6m3）挖掘機(jī)；最后一層仍用YT-28氣腿鉆造孔并對局部淺孔光面進(jìn)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(jìn)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(shè)備、起爆、灑水通風(fēng)散煙、查炮排險、出渣、掌子面清理、臺車就位、拉網(wǎng)噴砼、錨桿施工，待整個流程走完后進(jìn)入下一循環(huán)。

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

（2）錨噴支護(hù)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(yīng)使用YT-28手風(fēng)鉆和φ42鉆頭進(jìn)行鉆孔，鉆孔位置由測量中心經(jīng)現(xiàn)場逐一號孔確定，開孔時應(yīng)保證于任何方向的偏差都小于100mm。對于錨孔的深度應(yīng)符合設(shè)計要求，孔深偏差值小于50mm，待鉆孔結(jié)束后用風(fēng)、水聯(lián)合清洗以去除孔內(nèi)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(jìn)行逐一排查并記錄結(jié)果，驗收合格后再用高壓風(fēng)吹凈孔內(nèi)殘渣和水。注漿環(huán)節(jié)使用MZ-30泵進(jìn)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(hù)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(yīng)在爆破后及時進(jìn)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(shè)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(jìn)行加密施工，注漿時按照系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)控制水泥砂漿配合比，并保持錨桿外露約30cm，同時應(yīng)焊接在鋼筋網(wǎng)或鋼支撐上才能進(jìn)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(zhì)原因?qū)е卤坪缶植砍冢虼嗽O(shè)計人員采用18mm的工字鋼按支撐間距1m進(jìn)行加強支護(hù)，每排鋼支撐采用Φ28@0.8m，L=6m的錨桿進(jìn)行固定，彼此之間采用Φ25的鋼筋進(jìn)行連接，且間距為0.5m，在鋼支撐上部鋪設(shè)預(yù)制好的鋼筋網(wǎng)片，并通過及時的噴護(hù)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(shè)工作平臺、驗收倉面、3-5cm素噴、掛鋼筋網(wǎng)、標(biāo)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(hù)、強度試驗。在具體施工中應(yīng)分為兩層進(jìn)行噴護(hù)：第Ⅰ層采用素噴 3-5cm厚度，第Ⅱ?qū)訛?-7cm至設(shè)計厚度15cm，待噴射混凝土全部凝固兩小時之后，進(jìn)行十四個晝夜的噴水養(yǎng)護(hù)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(yīng)對巖面使用高壓風(fēng)、水聯(lián)合清洗，并用0.35m3拌和機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場拌料，再利用濕噴工藝進(jìn)行噴混凝土操作。整個過程分片分段依次進(jìn)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(yīng)光滑平整無干斑或滑移流淌現(xiàn)象；第二，掛網(wǎng)噴混凝土施工。所用鋼筋應(yīng)于鋼筋加工場制作成網(wǎng)片，且網(wǎng)格尺寸為φ6.5@200mm×200mm，由載重車負(fù)責(zé)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(shè)鋼筋網(wǎng)，并運用0.35m3攪拌機(jī)對混凝土進(jìn)行現(xiàn)場攪拌，并結(jié)合濕噴工藝完成噴混凝土作業(yè)。在起噴階段，應(yīng)適當(dāng)縮短噴頭與受噴面間的距離，同時調(diào)整噴射角度以確保鋼筋網(wǎng)背面地質(zhì)超挖部位的混凝土密實堅固。

待開挖支護(hù)施工結(jié)束后，應(yīng)及時進(jìn)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(jié)灌漿，從而再次提升隧洞的穩(wěn)定性。

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