引水隧洞軟巖洞段變形拱架換拱施工淺議

王 建

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

近些年隨著我國基礎設施建設力度逐漸加大，水利水電[1- 2]工程作為其中的重要部分也有了飛速發(fā)展。引水隧洞[3- 6]作為水電項目重要的組成部分，對其開展安全高效地開挖支護[7]尤其重要，特別是引水隧洞軟巖洞段洞挖施工[8]時發(fā)生變形[9- 10]，對工程質量、安全及進度均帶來較大影響，采取合理的施工工藝和措施尤為重要。本文以新疆某水利樞紐工程引水隧洞開挖支護為例，介紹軟巖洞段施工工藝及措施。

1 工程概況

新疆某水利樞紐工程發(fā)電洞洞身長9000m，采用鋼筋混凝土結構，洞身襯砌后為直徑8.5m的圓形斷面，襯砌厚度40～60cm。洞室圍巖以微風化～新鮮巖體為主，穿越地層為白堊系砂巖、泥巖、礫巖夾泥灰?guī)r。一次支護采用錨桿、掛鋼筋網、噴射混凝土、型鋼拱架及超前導管等方式相結合。根據圍巖類型，具體支護參數有：系統錨桿Φ25砂漿錨桿、長3.0m、間排距1.0～1.2m，鋼筋網間距200mm，C30噴射混凝土厚18～20cm，18#工字鋼支護，榀距0.8～1.5m，局部洞段頂拱180°采用長6mΦ40注漿小導管、間距0.25m。

該工程開挖支護1a后，Ⅰ#洞K3+560～K3+580段、Ⅱ#洞K3+440～K3+520段拱架最大收斂變形70cm，平均收斂變形30cm。通過原位取樣，測得圍巖平均單軸飽和抗壓強度為24.8MPa，屬于軟巖，變形的拱架嚴重侵占設計混凝土襯砌體型，且有繼續(xù)收斂變形趨勢，為保證后續(xù)施工安全及混凝土襯砌質量，亟需采取措施處理。

2 目的

為保證新疆某水利樞紐工程發(fā)電洞洞身工程后續(xù)施工安全及混凝土襯砌質量，需對侵占混凝土體型的一次支護拱架進行更換施工，換拱后的結構體型及尺寸與原設計一致。

3 方法及措施

3.1 施工方法

為保證混凝土襯砌的質量、安全及進度，針對不同變形部位按以下內容和順序進行作業(yè)和處理：①對拱架變形段上下游兩側20m范圍內拱架進行變形測量；②對未變形拱架進行鎖腳錨桿加密施工；③對拱架變形段開裂混凝土進行素噴施工；④拱架變形段變形拱架處理；⑤超前注漿小導管施工；⑥拱架變形部位固結灌漿施工；⑦拱架變形部位加密安裝系統錨桿施工；⑧空腔部位回填施工；⑨對處理完的變形拱架進行封閉(如需要)。

3.2 施工措施

3.2.1 變形拱架鎖腳錨桿加密施工

鎖腳錨桿采用長3.0mΦ25錨桿，在拱架左右拱腳兩側上下游各布置2根，鎖腳錨桿打設角度為垂直于巖面向下傾斜10°～20°，入巖2.8m，外露0.2m，具體布置形式如圖1所示。加固鎖腳錨桿必須緊貼鋼架內側，錨固牢靠，鋼拱架與鎖腳錨桿焊接飽滿，連接可靠。

拱架加固施工如圖2—3所示。

3.2.2 鋼拱架制作及安裝

(1)鋼拱架加工。①鋼拱架按圖紙在洞口綜合加工廠加工成型。每榀鋼拱架由頂拱及側拱各單元鋼構件采用螺栓拼接。從加工廠運輸至洞內過程中注意對成品的保護，防止碰撞變形導致安裝時拼接困難。②鋼支撐加工完成進行試拼，沿隧洞周邊輪廓誤差不大于3cm。③螺栓中心誤差不超過±0.5cm。

(2)鋼拱架安裝。①安裝前在鋼拱架基腳處預留0.2m至原地基，保證鋼支撐置于穩(wěn)固的地基上。②鋼拱架平面與隧洞中線傾角不大于2°。③為保證鋼拱架位置安裝準確，安裝前由測量隊測放安裝軸線。④在鋼拱架安裝中若鋼支撐和初噴層之間有較大間隙則安裝砂漿墊塊。⑤為增強鋼拱架穩(wěn)定性，在鋼拱架連接板處設置鎖腳錨桿，并與鋼拱架焊接在一起并設置縱向連接鋼筋。⑥為使鋼拱架定位準確，安裝前須預先隨機布設定位聯系鋼筋。聯系鋼筋一端與鋼拱架焊接，另一端用砂漿錨入圍巖0.5～1.0m，若鋼拱架附近有錨桿時可用錨桿定位。⑦鋼拱架安裝后在空腔部位最高處埋設2根Φ40鋼管作為后期的灌漿管及排氣管，灌漿管低于排氣管50cm，排氣管距空腔頂部20cm，在空腔部位最高處埋設混凝土泵管。⑧鋼拱架安裝后應立即噴混凝土封閉，須將鋼拱架全部覆蓋，使鋼拱架與噴混凝土形成整體。為保證噴混質量，須分層噴混凝土，單層厚度控制在5～6cm左右，噴混凝土施工按自下而上順序進行，杜絕先對上部施工造成噴射料墜落至鋼拱架根部，虛掩底部漏噴情況。

3.2.3 空腔處理

利用在拱架安裝時預埋的混凝土泵管，使用HBT60混凝土泵泵送至空腔，水平運輸采用9m3混凝土攪拌運輸車，采用C30F100W10高抗硫水泥混凝土填充。

3.2.4 超前注漿花管施工

利用鋼筋臺車和塌方渣堆進行超前注漿花管施工，在塌方段拱架頂拱120°范圍內安設超前注漿花管。如圖4所示。

(1)花管制作。花管采用Φ50鋼管，長度4.5m，間距25cm，前部設梅花狀出漿孔，外插角度為5°～30°，外露部分應與鋼拱架焊接牢固。

(2)花管安設。①用YT- 28手風鉆開孔，并用吹管將砂石吹出。用帶沖擊的鉆將花管頂入孔中，用膠泥封堵導管孔口周圍及工作面上的裂縫。②根據地質情況鉆設、安裝、灌注小導管鋼架支護。③花管按設計位置安裝，位置偏差不大于5cm，角度偏差不大于1°。④為保證鉆孔質量，鉆孔中臺架要絕對堅固。⑤在鋼拱架上沿地下洞室開挖輪廓線縱向鉆設小導管孔，其外插角需符合設計要求，孔深不宜小于5m，鉆孔孔徑比小導管直徑大20～30mm，鉆孔順序自高孔位向低孔位。

(3)注漿。①花管注漿前，對塌方變形的洞段噴射混凝土封閉。②注漿壓力為0.5～1.0MPa，必要時在孔口處設置止?jié){塞。止?jié){塞參數根據設計要求結合現場確定。③注漿后至開挖前的時間間隔，視漿液種類宜為4～8h。開挖時保留1.5～2.0m的止?jié){墻，防止下一次注漿時孔口跑漿。④花管注漿漿液擴散半徑不小于15cm。

圖1 變形拱架鎖腳錨桿加固安裝示意圖

圖2 底板開挖完成部分拱架加固示意圖

圖3 底板未開挖部分拱架加固示意圖

圖4 超前注漿花管布置示意圖

3.2.5 掛網噴混凝土施工

塌方部位采用掛網噴混凝土封閉處理。①先對危巖清撬確認圍巖牢固穩(wěn)定，后進行噴射混凝土封閉。②掛網鋼筋在洞外鋼筋加工廠加工，采用Φ8圓鋼加工成網片，驗收合格后方可進入二次混凝土噴射施工。③人工掛網，必須保證網片安裝至緊貼噴混表面。

3.2.6 固結灌漿施工

對處理洞段頂部240°范圍內采取固結灌漿，孔深5.0m，間距2.5m，排距3.0m，梅花型布置，灌漿壓力可從0.3MPa逐步增大，但不得大于1.0MPa。如圖5所示。

圖5 固結灌漿孔布置示意圖

固結灌漿按“分序加密”原則進行，環(huán)間分Ⅰ序和Ⅱ序2個序列。先施工Ⅰ序環(huán)，再施工Ⅱ序環(huán)。

(1)鉆孔。①固結灌漿孔采用YT28手風鉆鉆孔，孔徑不小于Φ38，孔深入巖5m。②固結灌漿鉆孔的開孔孔位偏差不大于10cm。

(2)裂隙沖洗。①灌漿孔灌漿前采用導管充水沖洗灌漿孔，由孔底向孔外沖洗。②灌漿孔沖洗沖見回水澄清后10min方可結束。③灌漿孔沖洗后，該孔要立即進行灌漿作業(yè)，因故中斷時間間隔超過24h時，在灌漿前重新沖洗。

(3)灌漿。①膠凝材料：采用質量合格的42.5高抗硫水泥的純水泥漿液。②灌漿方法：采用SGB6- 10灌漿泵進行灌漿，并做好記錄。③固結灌漿采用單孔灌注的方法，但在注入率小的地段，同一環(huán)上的孔可并聯灌漿，孔數可為2個，孔位保持對稱。

(4)水灰比及變漿標準。①水灰比。固結灌漿漿液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1，漿液的濃度由稀變濃，逐級變換。②調整漿液濃度標準。漿液單孔注入量達300L以上，或灌注時間已達30min，而灌漿壓力和吸漿量均無顯著改變時，變濃一級水灰比。當吸漿量大于30L/min時，可越級變濃。

(5)灌漿結束標準。在最大設計壓力下，單孔吸漿量不大于1L/min時，繼續(xù)灌注30min后結束。

(6)封孔。灌漿結束后，排出孔內的積水和污物，采用“壓力灌漿法”進行封孔，并將孔口抹平。

3.2.7 變形拱架拆除施工

施工順序為：素噴封閉→固結灌漿→系統錨桿加固→拱架拆除→欠挖處理→立拱架→噴護混凝土。

一次支護變形拱架及副拱拆除原則上先拆副拱后拆變形拱架，副拱及變形拱架均由外向內側進行，拆除變形拱架處理按照“拆一榀，處理一榀，隔榀或逐榀換拱”的原則施工，嚴禁多榀拱架同時拆除，同時換拱現象。

加密系統錨桿采用長4.5mΦ25錨桿，間排距1.2m，若系統錨桿加密區(qū)域巖石過于松散，普通錨桿施工困難，可采取中空注漿錨桿。

(1)將支護臺車運至作業(yè)面，由人工采用風鎬鑿除噴射混凝土，將副拱鎖腳錨桿及連接鋼筋也鑿出。

(2)采用電焊將拆除拱架的鎖腳錨桿和連接鋼筋割斷。

(3)采用人工配合反鏟將已割除鎖腳錨桿及連接鋼筋的拱架取下。

(4)下一榀拱架拆除。

3.2.8 二次擴挖

(1)由測量人員對拆除拱架后的斷面進行測量，并標注出欠挖尺寸。

(2)人工采用風稿對欠挖部位進行鑿除。

(3)由測量人員對處理后斷面進行復測，經驗收直至滿足設計尺寸。

3.2.9 拆拱后支護方式

每循環(huán)完成擴挖后，施工單位技術人員及時通知監(jiān)理、業(yè)主及設計單位代表，現場勘查并確定后續(xù)支護方式。遇一次支護變形部位巖石破碎時，為保證安全需及時完成支護施工，如監(jiān)理、業(yè)主及設計單位代表無法及時到位則按原設計支護方式進行支護。

如因二次擴挖導致破碎巖石掉塊產生超挖情況，原則上采用噴混凝土將超挖部位回填密實。為防止換拱后支護面變形，在空腔較大部位盡量采用噴射混凝土回填密實。對無法噴滿的部位，可先采用少量砂漿進行灌注，后期繼續(xù)灌注砂漿和混凝土或采用回填灌漿的方式回填密實。

若在處理過程中出現塌方情況，則立即停止施工并通知監(jiān)理、業(yè)主及設計單位現場勘查并確定處理方案。

4 結論

該工程發(fā)電洞通過以上處理措施順利完成換拱，未發(fā)生任何安全事故，質量滿足設計要求，達到預期換拱目的。總結以下幾點經驗供類似工程參考。

(1)軟巖隧洞施工前，需綜合前期地勘、超前地質預報資料及揭露圍巖情況合理編制開挖、支護方案，避免初期支護方案不完善導致換拱施工。

(2)重視局部變形前兆，依據超前地質預報和圍巖收斂監(jiān)測指導施工。

(3)采用風鎬及氣割拆除拱架時，嚴格按拆一榀換一榀的原則進行，減小對圍巖及相鄰初期支護影響，遇擾動引起垮塌及掉塊及時做封堵處理，加固后方可繼續(xù)換拱作業(yè)。

(4)新換拱架在未封閉成環(huán)穩(wěn)定前，不得拆除或懸空支撐豎臂，做好換拱成品保護并盡早開展仰拱及二襯施工。