超前小導管和鋼拱架支護在引水隧洞工程中的應用

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段。工程內容為無壓引水隧洞，長度2410m，隧洞起始樁號為0+000，進口設計水位152.18m，出口樁號為2+410，出口設計水位150.84m，進口底板高程149.78m，出口底板高程148.44m。隧洞型式為城門洞形，設計水深2.4m，底寬4.0m，洞高4.0m，坡降1/1800，設計引水流量17m3/s。

其 中 樁 號0-000～0-004 為 隧 洞進口明洞段，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，進口0+000～0+010 及 出 口2+400～2+410 隧洞襯砌厚度為0.8cm。

二、地質變化情況

原地質勘查資料洞身進出口段巖石結構為微風化巖體，按Ⅲ類圍巖考慮，支護形式為洞身襯砌0.4～0.6m 鋼筋混凝土，標號為C25F250W4。實際施工中，當洞身爆破掘進至樁號0+623 段時，地質情況發生較大變化，圍巖變為弱風化花崗巖，巖體結構呈碎塊狀及砂土狀，遇空氣及水易軟化造成洞頂塌落，屬Ⅴ類圍巖。為確保安全、質量及施工進度，經項目部分析研究制定了超前小導管灌漿及鋼拱架支護的防護方案，經相關專家論證業主批準后實施。

三、支護工藝措施

為防止洞頂塌落發生質量安全事故，經分析論證確定采取超前小導管灌漿、鋼拱架、錨桿、噴射混凝土等支護方式穩步推進的有效加固措施，開挖鉆爆按照“先支護（強支護）、短進尺、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，保證施工進度和施工質量。

小導管與鋼拱架聯合支護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支護手段。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鋼管，并通過鋼管向圍巖注漿，對小導管周圍的圍巖進行加固，開挖后進行鋼拱架支護，錨桿掛網噴漿，達到安全施工的目的。

小導管采用外徑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，作為不鉆孔的止漿段，管壁四周鉆四排Φ10mm 孔，管長4～5m，孔間距15cm，呈梅花形布置，鋼管沿拱的環向布置間距為25cm，外插角為1°～3°，兩排小導管沿隧洞縱向的搭接長度為1～2.5m。導管安裝首先在拱架腹板中央開孔，小導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。緊貼鋼拱架外側掛Ф8、Ф6.5 鋼筋網片后噴20cm 厚混凝土。待混凝土達到一定強度后進行下一循環施工

施工順序：開挖→鋼拱架支護→超前小導管→掛網→噴射混凝土→鉆孔爆破進入下一循環

四、具體支護施工方法

1.鋼拱架施工

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

（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。

（2）鋼架架設工藝要求

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

鋼拱架各節鋼架間以螺栓連接，連接板密貼。鋼拱架拱腳打設鎖腳錨桿，數量為每側2 根。鋼架底腳置于牢固的基礎上。鋼架盡量密貼圍巖并與鎖腳錨桿焊接牢固，鋼架之間按設計縱向連接。每兩榀鋼拱架間用Φ20螺紋鋼焊接連接，環向間距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.超前小導管施工

施工工藝流程：鉆孔→清孔→驗孔→安裝導管→注漿。

（1）施工參數

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

（2）鉆孔

采用28 型鉆機鉆孔，鉆頭采用Ф50 合金鉆頭施鉆，鉆機開機時，可低速運轉，待成孔1m 后，適當加壓；巖質較好的可以一次成孔；若鉆進時產生塌孔、卡鉆，需注漿待凝后再行鉆孔，根據鉆進情況判斷成孔質量，及時處理鉆進過程中出現的問題；認真作好鉆進過程的原始記錄，及時對孔內巖屑進行地質判斷、描述，作為開挖洞身的地質預報，為指導洞身開挖提供基礎資料。

（3）清孔和驗孔

打完孔后用高風壓持續掃孔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；鋼管內安裝一根Φ25 螺紋鋼，長度同小導管長度；鋼管用人工裝進。一次性頂進長度4～5m。

（5）注漿

采用灌漿機將水泥漿注入鋼管內，灌漿壓力根據實驗確定，必要時摻速凝劑。注漿材料采用水泥漿（水灰比0.5～1）；當圍巖破碎，巖體止漿效果不好時，可采用水泥+水玻璃雙液漿。注漿前先進行現場試驗，通過現場試驗確定具體參數。

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

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 手風鉆造孔。

表1 噴射混凝土配合比表

洗孔：鉆孔結束后，用高壓風水洗孔，并將孔內水吹干。

驗孔：對孔位、孔深、斜度進行檢查，驗收合格后方可進入下道工序。

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，采用注漿機注漿，砂漿標號不低于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：選用符合國家標準的普通硅酸鹽水泥，水泥標號為PO42.5，進場水泥有檢驗報告，進場后進行抽樣檢測。

骨料：細骨料采用堅硬耐久的粗、中砂，細度模數大于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定。

外加劑：噴射混凝土所使用的外加劑，如速凝劑等質量要符合設計要求并有生產廠家的質量證明書，初凝時間不應大于5min，終凝時間不應大于10min，選用的外加劑經監理人員批準后使用。

（2）配合比

噴射混凝土配合比由自檢單位根據實驗給出，見表1。

（3）配料、拌和及運輸

配料：拌制混合料的稱量應控制在相關規定的范圍之內，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強制式攪拌機拌料，攪拌時間不得少于2min；混合料摻有外加劑時，攪拌時間適當延長使外加劑與混合料均勻摻合。

運輸：混合料在拌和站集中拌制，采用5t 自卸汽車運輸至施工現場，做到隨時拌料、隨時運輸、隨時噴射，避免長時間存放，以防混合料結塊浪費。

（4）施工程序

噴混凝土施工應嚴格按照巖面清理→驗收→拌合→噴射→養護的程序進行。

（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，再用高壓風清理干凈，并埋設控制噴層厚度的標志。

噴射采用分區依次進行，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行，若終凝后噴射時，先用風水清洗噴層面然后再施噴；噴射作業緊跟開挖工作面，混凝土終凝至下一循環放炮時間不少于3h。

噴射混凝土噴頭與受噴面應盡量垂直，偏角宜控制在20°以內，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控制在0.8～1.0m 左右。

噴射混凝土終凝2h 后及時噴水養護，養護時間不少于7d；氣溫低于5℃時，不進行噴水養護。

噴射作業前，對機械設備、風、水管路，輸料管路和電纜線路等進行全面檢查及試運轉，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的所有集料均在洞外拌合站攪拌均勻，然后運到洞內送入噴射機械進行噴射，噴射混凝土做到密實、飽滿、表面平順，強度要達到設計要求。

五、結語

在引水隧洞掘進施工中，現場技術及作業人員針對地質結構變化制訂了超前小導管和鋼拱架聯合支護方案并順利實施，保證了項目施工質量和設備人員安全，為工程施工順利推進奠定了基礎，該工藝措施安全合理效果明顯，對類似地質結構隧洞施工有一定參考價值■