支渠隧洞開挖與支護施工技術淺析

盧建山

（甘肅省水利水電工程局有限責任公司,甘肅 蘭州 730000）

0 引言

支渠是灌溉工程的重要組成部分，支渠施工中可能會遇到一些地質比較復雜的支渠隧洞。在施工過程中需要充分結合地質情況，選擇更加合理的開挖以及支護施工技術，從而使支渠隧洞工程得以高效開展。貴德縣拉西瓦灌溉工程的17#支渠隧洞處于黃土高原和青藏高原的過渡位置，地質環境比較復雜，巖層地質強度較低，穩定性差，容易坍塌變形。本文結合該工程實際，對支渠隧洞開挖與支護施工技術進行分析。

1 工程概況

貴德縣拉西瓦灌溉工程的17#支渠隧洞(樁號0+864.30～1+519.40)管線全長3644.6m，其中隧洞開挖及支護部分長655.1m。隧洞位置山體在遇水的情況下極易軟化、崩壞、穩定性變差，黏性土質，V 類（1）圍巖。隧洞進出口區域的圍巖屬于上更新統卵礫石，其強度比較低，膠結性也不好，拱頂容易出現坍塌變形，因此需要超前支護，屬于V類（2）型巖層。

2 施工總體方案

針對不同類型巖層段采用不同的開挖及支護方案。對于砂礫石巖層的開挖采用的是LWL80 履帶銑挖式裝載機（下文簡稱銑挖機）進行開挖裝渣。

在支護方面，對于V 類（1）圍巖除采用鋼支撐、錨桿、混凝土噴射支護外，還加入鋼拱架支護，間距設置為50cm/榀。對于V 類（2）圍巖在初期先采用基于超前小導管灌漿的超前支護，然后再采用鋼支撐、錨桿、混凝土噴射支護以及間距為80cm/榀的鋼拱架支護。

3 支渠隧洞開挖施工

3.1 砂礫石、黏土巖層隧洞采用銑挖機開挖施工

砂礫石、黏土巖層隧洞的開挖施工會用到火工材材料爆破開挖；盡管隧洞的橫截面較小，但爆破會對圍巖穩定造成擾動，產生較多的開挖外運量。該項目地質主要為黏土巖及砂礫石，總體上滿足銑挖的施工條件。由于砂礫石結構松散，故在工程進出口設置了10m的明洞段，為安全進洞打好基礎。然后利用銑挖機在明洞和隧洞進出交界處開挖一個小斷面，再逐漸擴大，配合鋼支撐、掛網、噴混凝土等，短進尺循環作業進入洞身。施工流程如圖1所示。

圖1 砂礫石巖層的支渠隧洞開挖

（1）施工準備。配置好施工人員，準備好施工所需的設備、水電等。

（2）測量放線。采用全站儀開展本工程的測量放樣工作，由專業的測量人員負責。

（3）超前支護。因此類巖層的穩定性差，為保證施工質量及安全性，加入了超前小導管注漿。注漿的小導管為孔距在30cm 的單排孔，孔深為3m，孔徑為Ф 40mm，外傾角約3～6°，注漿采用水泥漿[1]。支護的鋼拱架為I14型號的工字鋼，在頂拱區域的腹板上預先留有孔眼。為了能夠保證掌子面的圍巖穩定性，以及注漿的壓力，避免漿液倒流問題，采用混凝土噴射的方式進行封閉，噴射的厚度不小于10cm，還能夠起到止漿墻的效果。

（4）開挖。通過銑挖機先于上臺階掌子面的中心區域橫向挖出一深度為90～100cm 的槽，寬度和隧洞初支前導坑相同。之后對槽周邊巖體開挖，為保證開挖質量，避免開挖過大，采用逐次分層開挖，每次挖深在20～30cm。槽開挖后形成了一個工作面，之后沿著槽口不斷向外擴挖，按照隧洞的設計尺寸，分層分次開挖，避免出現超挖。在開挖施工后，檢查開挖尺寸是否合格，如果欠挖，則需要繼續通過銑挖機開挖，直到達到設計尺寸后進行人工修邊，將開挖形成的虛土、危石清除，并初噴混凝土，將基面和掌子面封閉，安裝錨桿。對于中下臺階通過銑挖機直接切槽開挖，方法和上臺階開挖相同。隧洞在開挖過程中可能會遇到地下水較多的情況，這會對隧洞銑挖機開挖造成影響，對于此類問題，在開挖的同時于隧洞中布設排水管、抽水泵，及時將水排出隧洞之外。如果在施工中出現了高壓涌水的情況，需要暫停開挖，及時通過混凝土材料將涌水洞封堵，封堵材料包括水泥、聚氨酯或水玻璃，封堵完成等巖體穩定后再繼續用銑挖機開挖施工。

（5）輪廓線調整。銑挖機在開挖施工時，對于輪廓線位置要預留出大概10～20cm 厚度，這部分由人工進行開挖、修整[2]?？刂崎g距為20cm 作為一個點,鑿巖修整至設計輪廓線。

（6）出渣。該隧洞工程截面面積為7.48m2，屬于典型的小斷面隧洞，這類隧洞采用常規的出渣裝載機會受到空間的限制，故采用銑挖裝載機，實現銑挖和出渣裝載一體化。銑挖機首先于施工掌子面根據預先設置好的開挖輪廓線完成銑挖作業，并利用三輪車運輸出渣，每次循環進尺約為1m。

（7）鋼支撐、掛網以及錨桿施工。鋼支撐結構均在加工車間進行制作，分別制作拱腿以及圓弧等部分，通過1cm 厚度的鋼板螺栓將不同部位連接起來。拱腿部分按照設計尺寸直接下料加工，圓弧部分根據弧度的要求，通過彎拱機進行制作。制作好后，送入施工現場。針對不同類型圍巖進行組裝，將拱腿、圓弧等鋼支撐元件按照場地實際情況進行拼接安裝，并通過錨桿鎖住，使鋼支撐結構處于穩定狀態下，形成一個整體。之后把加工完成的鋼筋網送入隧洞中按照設計位置逐一掛設【3】。每榀鋼拱架都需要通過錨桿進行鎖定。錨桿是由直徑Φ18 尺寸的HRB400 鋼筋制作而成，其長度為1.5m。需要打入巖層大約1.2m 深。外露的部分需要制作成L型，并與鋼拱架的翼板進行焊接固定。

（8）混凝土噴射。在噴混凝土之前需要對噴射部位做好檢查，將噴射面上的石渣、灰塵、堆積物等清理干凈,并通過高壓風槍進行吹洗【4】。施工環境要保證通風和照明，噴射時要采用分段分塊的形式有序進行，即從下到上，從墻到拱的順序依次噴射，噴射總厚度不小于10cm。等到噴射的第一層混凝土終凝之后，再開展下一層的噴射。在噴射之前，需設置好噴射厚度的標志，以有效控制噴射厚度。

砂礫石層的開挖按照每天3 個循環進尺來進行，每個循環為8h，每次進尺0.5m，即每日進尺1.5m。

3.2 黏土巖層的開挖施工

（1）施工準備。配置好施工人員，準備好施工所需的設備、水電等。

（2）測量放線。采用全站儀開展測量放樣工作，由專業的測量人員負責。

（3）鉆孔施工。按照設計位置的中線以及開挖輪廓線分別布孔進行鉆孔作業。鉆孔完成后進行檢查，保證位置偏差不能超過50mm。

（4）裝藥爆破施工。采用光面爆破，崩落孔通過直徑Φ35 的藥卷進行連續裝藥，周邊區域的光面爆破孔通過直徑Φ20的藥卷竹片進行捆扎，并間隔放藥。

（5）通風散煙以及除塵。隧洞中啟動通風設備，將爆破后產生的煙塵、有害氣體排出，等到氣體散盡之后，再灑水除塵。

（6）出渣。由于隧洞斷面較小，為滿足出渣過程中的車輛錯車問題，大約在隧洞進出口200m 的位置設置會車道。

（7）鋼支撐、掛網以及錨桿施工。鋼支撐結構均在加工車間進行制作，分別制作拱腿以及圓弧等部分，通過1cm 厚度的鋼板螺栓將不同部位連接起來。拱腿部分按照設計尺寸直接下料加工，圓弧部分根據弧度的要求，通過彎拱機進行制作[5]。制作好后，送入施工現場。針對不同類型圍巖進行組裝，將拱腿、圓弧等鋼支撐元件按照場地實際情況進行拼接安裝，并通過錨桿鎖住，使鋼支撐結構處于穩定狀態，形成一個整體。

（8）混凝土噴射。噴射之前的準備工作同3.1 節。噴射時要采用分段分塊的形式有序進行，即從下到上，從墻到拱的順序依次噴射，噴射總厚度不低于10cm。

黏土石層的開挖按照每天2 個循環進尺來進行，每循環一次為12h，每次進尺2m，即每日進尺4m。

4 支渠隧洞的支護施工

4.1 總體支護施工

（1）V類（1）圍巖支護。對于V類（1）圍巖采用鋼支撐、錨桿、混凝土噴射支護外，還加入鋼拱架支護，間距設置為50cm/榀。錨桿是由直徑Φ18 尺寸的HRB400鋼筋制作而成，其長度為1.5m。需要打入巖層大約1.2m 深。外露的部分需要制作成L 型，和鋼拱架的翼板焊接固定。拱架之間通過直徑Φ22的鋼筋連接，每2個鋼筋的間距為40cm。網片采用Φ8 直徑I 級鋼筋支撐，網格設置為20cm×20cm。噴射C20 規格的混凝土厚度約10cm。

（2）V類（2）圍巖支護。對于V類（2）圍巖在初期先采用基于超前小導管灌漿的超前支護，之后通過鋼支撐、錨桿、混凝土噴射支護以及鋼拱架支護，間距設置為80cm/榀。注漿的小導管為孔距在30cm 的單排孔，孔深為3m，孔徑為Φ40mm，外傾角約3～6°，注漿采用水泥漿。支護的鋼拱架為I14型號的工字鋼，在頂拱區域的腹板上預先留有孔眼。為了保證掌子面的圍巖穩定性以及注漿的壓力，避免漿液導流的問題，采用混凝土噴射的方式進行封閉，噴射的厚度在10cm 左右，錨桿是由直徑Φ18 尺寸的HRB400 鋼筋制作而成，其長度為1.5m。需要打入巖層大約1.2m 深。外露的部分需要制作成L 型，并與鋼拱架的翼板進行焊接固定。拱架之間通過直徑Φ22 的鋼筋連接，每2根鋼筋的間距為40cm。網片采用Φ8 直徑I 級鋼筋支撐，網格設置為20cm×20cm。噴射C20規格的混凝土厚度約10cm。

（3）加固初支。隧洞加強段初支采用的是鋼支撐、錨桿以及混凝土噴射的支護形式，開挖之前需要進行超前小導管支護，增加強度，注漿的小導管為孔距30cm 的單排孔，孔深為3m，孔徑為Φ40mm，外傾角約3～6°，注漿采用水泥漿。支護的鋼拱架為I14型號的工字鋼，在頂拱區域的腹板上預先留有孔眼。為了能夠保證掌子面的圍巖穩定性，以及注漿的壓力，避免漿液導流的問題，采用混凝土噴射方式進行封閉，噴射的厚度不小于10cm，錨桿是由直徑Φ18 尺寸的HRB400 鋼筋制作而成，其長度為1.5m。需要打入巖層大約1.2m深。外露部分需要制作成L 型，與鋼拱架的翼板進行焊接固定。

4.2 基于鋼拱架、鋼筋網、噴混凝土的隧洞支護施工

基于鋼拱架、鋼筋網、噴混凝土的隧洞支護施工流程見圖2。以鋼拱架支護施工作為重點，對該支渠隧洞的鋼拱架施工進行論述。

圖2 鋼拱架、鋼筋網、噴混凝土的隧洞支護施工

（1）鋼拱架制作。鋼拱架按照設計尺寸在加工車間進行下料，加工完成后做好編號標記，并通過汽車將鋼拱架運送到施工現場，分節分段安裝，利用鋼板螺栓進行連接固定。

（2）清理現場。先進行現場清理及測量放線，將松動的巖石、石渣清運干凈，并做10cm 以內的欠挖處理?，F場檢查合格后可進行后續的架設施工。

（3）鋼架架設。搭設簡易工作平臺，按照本段巖層的情況設置間距，找準定位[7]之后先安裝鋼架。對于底腳存在超欠挖的問題，需要加入墊塊墊石以保證鋼架的穩定。此外，還需要利用連接鋼筋把新安裝的部分與上一榀焊接連接，并通過錨桿固定、焊牢。對于每榀鋼架至少安裝3 點的錨桿固定底腳，每點要有2 根，形成一個穩固的整體。

（4）掛網與噴混凝土。鋼筋網采用的是240MPa 屈服強度光面鋼筋制作而成，首先是初凝，噴射3～5cm厚度的混凝土，將鋼筋緊貼著巖面在鋼架的外沿掛上去，再進行混凝土復噴。噴射混凝土要按照分段、分片的方式有序進行，一般為由下到上。在初噴的混凝土終凝之后才能復噴。如果因故中途擱置，初凝超過1h才進行復噴，則需要先通過高壓水槍沖洗初噴面，再進行混凝土的噴射?；炷羾娚渚嚯x在0.6～1.2m 之內，以螺旋的形式進行噴射。噴射后檢查厚度，如果沒有達到要求，需要追加噴射，直到達到設計厚度位置。復噴2h之后，進行為期2周的養護。

5 結束語

在支渠隧洞工程施工中，需要充分考慮當地的地質環境，對于強度、穩定性等都比較差的砂礫石巖層，可采用銑挖機開挖小斷面，且開挖前布設注漿超前小導管，增強圍巖強度。并利用鋼支撐、掛網、混凝土噴射等方式形成穩定的支護結構，對于提高施工質量及安全性具有理想的施工效果。