錨桿、鋼拱架及噴射混凝土的輸水隧洞支護施工

熊志杰

（江西省水利水電建設集團有限公司，南昌 330000）

0 引言

供水引水隧洞支護施工條件復雜，很多大型機械設備難以到達施工現場，這就使得支護技術具有很強的局限性，整體式支護、復合式支護、裝配式支護難以高效開展。而噴錨式支護施工工具設備的體積比較小，可自由出入隧洞，可加速施工速度，可完成供水引水隧洞支護工作，保證隧洞圍巖結構的穩定性。但在具體應用中，需要結合隧洞的圍巖結構特點，制定科學的施工方案，并對整個施工過程進行有效控制，才能更好的保證支護效果，促使供水引水隧洞支護工作能夠安全、有序的完成。

1 工程概述

高安市上游水庫是一座以供水、灌溉為主，兼顧防洪、發電、養殖等綜合利用的大（2）型水庫，水庫控制流域面積129km2，總庫容1.85 億m3，水庫正常蓄水位83.00m，設計洪水位84.85m，校核洪水位86.34m，死水位71.00m。高安市上游水庫除險加固工程（一期）施工1 標新建灌溉供水引水隧洞布置在主壩左岸山體中，新建灌溉供水引水隧洞穿越全～強風化千枚狀變質砂巖，圍巖為Ⅴ類，極不穩定，難于自穩，開挖過程中極易坍塌變形，成洞條件差。進、出口段原始地形較緩，洞臉邊坡較穩定。隧洞圍巖物理力學參數建議值，見表1。

表1 隧洞圍巖物理力學參數建議值表

2 施工方案

就高安市上游水庫工程而言，在供水引水隧洞支護施工中遇到的主要地質問題是圍巖幾乎全部都是全風化、強風化變質砂巖，巖質為軟～極軟，結構破裂嚴重，裂隙很發育，巖體破碎嚴重，圍巖極其不穩定性，難以自穩，容易發生坍塌變形。存在邊挖邊塌問題，成洞條件比較差[1]。

因此，根據工程圍巖破碎嚴重，存在嚴重的安全風險，確定施工方案如下：需對隧洞進行超前支護，安裝型鋼拱架，以提升支護的穩定性，掛網噴混凝土，聯合系統錨桿的支護方法，可在拱頂范圍內采取直徑為22mm，長度為3.0m 的超前錨桿進行支護，縱向水平間距2.0m，支護間距控制0.5m左右。采用Ⅰ14 工字鋼單榀鋼拱架，間距控制在60cm 左右。掛高強度鍍鋅鉛絲網噴混凝土的厚度為20cm，鉛絲網片的直徑為6mm，系統錨桿采取直徑為22mm 的螺紋鋼筋，間距控制在1.5m 左右，長度控制為4.5m。隧洞初期支護剖面圖，見圖1。

圖1 隧洞初期支護剖面圖

3 錨桿、鋼拱架及噴射混凝土施工的要點

為保證施工的安全，本工程支護形式，采取了超前錨桿、鋼拱架、掛網噴混凝土和錨桿等聯合支護的方法，取得了良好效果。

3.1 鉆孔

通過測量放線，確定好每根錨桿安裝的具體位置，然后用移動式排架和YT-28 氣腿鉆成孔[2]。

3.2 錨桿安裝

本工程在錨桿安裝中，分為超前錨桿安裝和系統錨桿安裝兩部分。

超前錨桿安裝：鋼筋型號22（Ⅲ級螺紋鋼筋）、長度L=3.0m，布置范圍為拱頂部160°，縱向水平間距2.0m，環向間距0.5m，鉆孔上角度為上仰角15°，錨固劑錨固。

系統錨桿：拱頂錨桿采用錨固劑錨固，洞身兩側洞壁錨桿，錨桿鉆孔由水平向修改為可向下傾斜5°～10°，灌注砂漿為M20；鋼筋型號22（Ⅲ級螺紋鋼筋）；錨桿長度L=2.5m，排距0.6m，梅花形布置；拱頂錨桿的布置范圍為頭90°（兩側錨桿與隧洞軸線的夾角為45°）；拱頂以下兩側洞壁錨桿的布置形式為下部錨桿距隧洞底板0.6m 處，隧洞進出口水平開挖段（樁號：D0+027.40～D0+037.40、D0+152.60～D0+162.60）上部錨桿布置在距隧洞底板1.40m 處，隧洞中間段（樁號：D0+037.40～D0+152.60）上部錨桿布置在距隧洞底板1.35m 處；錨桿孔直徑Φ56mm，錨桿中應套裝對中器，錨桿外端頭90°、彎折10cm、外露長度為10cm，并與鋼筋網焊接，底排錨桿與鋼拱架焊接。

為保證支護效果，需要切實做好以下兩點：

1）在進行錨桿正式安裝前，必須嚴格檢查好鉆孔的深度、錨桿的長度，施工單位自檢完成之后，上報給監理單位進行驗收，保證錨桿的長度、規格等都能達到設計要求。

2）當錨桿安裝完成，灌注砂漿達到齡期后，可分組抽檢，每300根一組，且每組抽檢不少于3根，錨桿安裝質量檢驗時，要邀請監理單位同時參與[3]。

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3.3 制作鋼筋網

所選擇的鋼筋在使用前需要進行全面檢查，保證鋼筋的質量和規格都達標后才能使用，鋼筋通過綁扎或者焊接的方法連接成一個整體。鋼筋網需要緊貼巖面不留空隙，并和錨桿連接牢固，由于本工程圍巖為Ⅴ級圍巖，破碎嚴重，不能進行局部布設，要沿著隧洞的形式進行全面布設，尤其是拱頂必須布設牢固的鋼筋網。

3.4 鋼拱架支撐

Ⅴ級圍巖和破碎帶在臨時支護中采取鋼拱架支撐，通過混凝土做全封閉處理，確保鋼支撐各附件與鋼支撐牢固焊接。在混凝土澆筑中，可將附件與鋼支撐全部留在混凝土中，為防止巖石掉塊，將鋼支撐之間通過鋼筋網制作成擋網[4]。鋼筋網和鋼支撐之間需要采取焊接的方法連接成一個整體。

本工程鋼拱架采取了Ⅰ14 工字鋼，間距0.6m，隧洞進出口斷層等圍巖破碎帶可適當加密，隧洞開挖每榀鋼拱架間采用20（Ⅲ級螺紋鋼筋）鋼筋連接，鋼拱架底部視開挖情況可適當增設橫向型鋼支撐（鋼筋和型鋼現場計量），施工期間應注意監測鋼拱架整體穩定性。鋼筋網布設中，采取的鋼筋型號為Φ6，間距20cm。

3.5 混凝土噴射

混凝土噴射是錨桿、鋼拱架及噴射混凝土支護的核心環節，如何選擇有效混凝土噴射方式，是本工程施工的難點之一。可選擇的混凝土噴射方案有4 種：

1）方案1：干噴。噴嘴位置將水和干拌和料充分混合，施工質量取決于操作人員的技能。在噴射混凝土時，需要供應大量的干混合料，因此，供料作業限制比較少。水平輸送距離在40～60m 之間，粉塵比較多，回彈量也比較大，發生故障后處理容易，設備清洗養護也比較容易。

2）方案2：潮噴。砂、石料等原材料需要經過預先潮濕處理之后，再在噴嘴位置進行二次加水，水化效果比較好，質量比干噴高。但由于需要在地面對集料進行預潮處理，因此，供料作業限制比少，水平輸送距離約為40m，粉塵較少，回彈量較少，發生故障后處理比較容易，設備清洗養護也比較容易。

3）方案3：濕噴。提前將包括水在內的混凝土材料進行拌和，充分混合后再進行噴射，施工質量容易控制。但供料比較困難，操作難度大，設備占用空間大。水平輸送距離一般在20～40m 之間，粉塵量少，回彈量少，堵管后處理難度大，設備清洗養護麻煩[5]。

綜合對比，四種混凝土噴射方法，濕噴更加適合本工程，按照施工原材料的要求，進行混凝土配合比設計，進行試噴，達到設計強度之后，再進行全面噴射。

按照本工程試驗室提供的混凝土配合比，在本次隧洞混凝土噴射施工中確定的配合比為：水泥：砂:豆石:水=1 : 2.00 : 1.66 : 0.46，控制速凝劑的摻入量為4.5%，混凝土坍落度控制在8～12cm 之間，砂率控制約為55%，在正式噴射之前，先用高壓水槍將速凍巖面沖洗干凈，同時清除隧洞巖石碎屑、松動的石塊，保持隧洞圍巖濕潤，再由監理單位進行驗收，驗收達標之后，才能進行濕噴混凝土操作。混合料需要在隧洞之外配制好，通過5t 自卸汽車運輸到洞內，倒入到集料斗中。再由人工上料到濕噴機的料斗中，通過TK-500 型噴射機進行輸送，人工手持噴頭，進行均勻、分層噴射。本工程所選膠管的有效長度為20m，因此，分段施工的長度也要定位20m 一段，達標后再進行下一段噴射[6]。按照從下到上的順序進行均勻噴射，隧洞邊墻混凝土噴射每層厚度控制在5～7cm 之間，隧洞拱頂每層噴射厚度控制在4～5m 之間，等噴射后的混凝土完成終凝后，人工進行噴水養護，為混凝土固化成型，營造一個良好的條件，以免形成裂縫。

3.6 支護施工效果

高安市上游水庫新建灌溉供水引水隧洞穿越全～強風化千枚狀變質砂巖，圍巖為Ⅴ類，極不穩定，難于自穩，開挖過程中極易坍塌變形，成洞條件差，難以滿足施工的要求，而且存在很多安全隱患。為保證施工質量，隧洞經采取錨桿、鋼拱架、掛網噴混凝土聯合支護方式后，監測隧道圍巖基本穩定，符合規定，未出現質量問題，確保了隧洞后期的良性施工。保證了施工任務順利完成，而且沒有發生任何安全問題，表明錨桿、鋼拱架及噴射混凝土施工技術，在供水引水隧道支護施工中應用的方法有效，可進行大范圍推廣。

4 結語

綜上所述，結合工程實例，分析了基于錨桿、鋼拱架及噴射混凝土的供水引水隧洞支護施工，分析得到，供水引水隧洞支護對施工質量有嚴格要求，任何一個細節控制不當，都會影響最終的支護效果。但由于供水引水隧洞支護施工空間有限，很多大型設備無法進入到隧洞內部，此時，錨桿、鋼拱架及噴射混凝土聯合支護具有的優勢就充分體現出來，在具體施工中，錨噴支護施工采用先錨后噴的施工程序，但對軟弱圍巖、破碎帶等，應采用先噴第一層混凝土進行封閉保護，然后打錨桿、掛網、最后噴射混凝土至設計厚度的施工程序。并結合工程特點和圍巖情況，對各個施工環節進行嚴格控制，才能保證支護效果，為后期施工提供一個良好的支護條件。