引水隧洞超前支護的設計與施工

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超前支護方案設計

1設計思想

從工程地質條件可以看出，隧洞進出口地質條件差，覆蓋層破碎，上覆巖體厚度較薄，溶蝕裂隙發(fā)育，豐水季節(jié)地下水位高于隧洞頂5～10m。因此，超前支護設計主要針對隧洞進出口段［1］。主要設計思想:①在隧洞開挖前，沿隧洞開挖外輪廓的頂部拱圈范圍，以一定的間隔，沿洞軸線方向設置大管棚(當圍巖較完整時，也可采用超前鎖口錨桿)，并通過管棚對巖體灌漿，從而在拱部預先形成加固的保護環(huán)。同時，環(huán)形固結層與管棚還可作為縱向支撐，與橫向環(huán)形鋼拱架共同作用，組成縱、橫向剛度較大的整體受力結構，有效阻止和限制圍巖變形;②由于大管棚的施工難度和成本隨管長的增加而增加，同時作用效果降低，因此管長較長時可采用小管棚超前支護法，即在大管棚的前方，沿隧洞開挖斷面外輪廓的頂部拱圈范圍，以一定的縱向間隔，在隧洞開挖的前進方向上超前鉆進小傾角鉆孔，并插入鋼管，再向插入的鋼管內壓注水泥漿或砂漿，以提高鋼管周邊圍巖的整體性和彈性模量，并使鋼管與圍巖形成整體，構成棚架體系，以防止圍巖的松弛和崩塌;③當圍巖較完整時，可采用超前錨桿，沿隧洞開挖斷面外輪廓，以一定間隔打入掌子面前方的巖體，將巖層錨固，對隧洞外輪廓圍巖起到懸吊、組合、固結的加固作用，增加圍巖的整體性和穩(wěn)定性;④在隧洞進出口的洞臉邊坡上，采用錨桿將巖層錨固，并掛網(wǎng)噴射混凝土支護，同時設置排水溝和排水管排水，提高邊坡穩(wěn)定性［2－3］。

2超前支護總體方案

隧洞進出口段超前支護采用在洞口平行洞軸線方向上布置直徑89mm、環(huán)向間距300mm、壁厚6mm、長20m的超前大管棚，管棚鋼管均勻布設在拱部，節(jié)長為4、6m。在管壁上按梅花形間距30mm×30mm交錯鉆出漿孔，出漿孔直徑為12mm。鋼管采用絲扣連接，連接長度為15cm，隧道縱向同一斷面處接頭數(shù)不大于總管數(shù)的50%，相鄰鋼管的接頭至少錯開1m。為穩(wěn)定仰坡及保證管棚鋼管外插角，在洞口前設置1．8m導向墻。導向墻采用C25混凝土，厚度為65cm，導向墻內設間距為60cm的I20工字鋼拱架，工字鋼拱架外圍安裝直徑108mm、環(huán)向間距300mm、壁厚6mm、長2m的熱軋無縫鋼管，作為管棚鋼管的孔口套管(導向管)。為避免鉆桿太長，鉆頭因自重而下垂或遇到孤石鉆進方向不易控制等現(xiàn)象，開鉆上挑角度應控制在3°～5°，并隨時用測斜儀量測角度和鉆進方向。大管棚再往里布置直徑42mm、環(huán)向間距300mm、排間距2m、壁厚3．5mm、長3．5m的超前小導管(小管棚)，小管棚搭接長度為1m，小管棚沿洞軸線方向布置，與洞軸線夾角一般為10°～20°。初期在頂拱和邊墻布置Φ25@1m×1．5m、長4m的錨桿，并設Ⅰ20@60cm的鋼拱架，在頂拱及邊墻掛Φ8@200mm×200mm的鋼筋網(wǎng)，噴250mm厚混凝土(兼做止?jié){墻)，底板不作初期支護;二期全斷面現(xiàn)澆60cm厚混凝土襯砌，并在底板布置Φ20@1m×1．5m、長1m的錨筋。各類斷面均需在頂拱布置Φ50@3m×3m、長3m的排水孔。隧洞進出口段超前支護設計見圖1。

隧洞超前支護施工

1大管棚施工

大管棚超前施工工藝流程見圖2。(1)施工準備工作。完成洞頂截水溝、進出口洞臉仰坡開挖及防護的施工，即在隧洞進出口洞臉邊坡上布置錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、布置直徑50mm的排水孔;并按要求制作套拱(導向墻)鋼拱架及導向管;同時配備測斜儀、2～3臺油壓鉆機及注漿泵等施工設備。(2)套拱(導向墻)施工。當隧洞進出口開挖至成洞面后，先按間距60cm在成洞面前架設I20工字鋼拱架，然后按設計要求的間距及外插角在工字鋼外緣用直徑12mm的鋼筋焊接固定直徑108mm的孔口導向管。導向管安設的精度直接影響管棚的質量，因此其檢驗合格后，方可支模澆筑套拱混凝土。(3)采用水平地質鉆機鉆孔并頂進管棚鋼管。管棚鉆機就位后，安裝內鉆桿及套管(為便于安裝鋼管，鉆頭直徑應大于管棚鋼管的直徑)，水平地質鉆機采用頂驅雙作用進行鉆孔;第一節(jié)鉆孔結束后，鉆機退回原位，接長鉆桿及套管繼續(xù)鉆進;鉆至設計長度后取出鉆桿，套管內注水清洗，取出套管分節(jié)裝入鋼花管(為便于鋼花管頂進，鋼花管前端焊成圓錐形);繼續(xù)進行下一根管棚鉆進，直至鉆進工作結束。鉆孔時，鉆機速度應保持均勻，特別是當鉆頭遇到夾泥、砂層時，應控制鉆進速度，避免發(fā)生夾鉆現(xiàn)象。如發(fā)生塌孔或卡鉆，需先對該段注漿后再繼續(xù)鉆進。(4)采用KBY－50/70雙液注漿機注漿。注漿前先檢查管路和機械狀況，確認正常后作現(xiàn)場壓漿試驗，以便確定合理的注漿參數(shù)。注漿漿液采用水泥漿加水玻璃雙漿液。水泥漿水灰比為1∶1～0．5∶1，水玻璃的模數(shù)以2．8左右為宜，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶1～0．5∶1。施工時可通過調整配合比控制初凝時間。長管棚采用分段注漿，漿液擴散半徑不小于0．3m。注漿過程中應隨時檢查孔口、鄰孔及覆蓋層較薄部位有無串漿現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)串漿現(xiàn)象，應立即停止注漿或采用間歇式注漿封堵串漿口。在規(guī)定的壓力下，灌漿孔段注入率小于設計值時，延續(xù)30min注漿即可結束。注漿結束后，應及時清除管內漿液，并用M30水泥砂漿緊密充填，增強管棚剛度和強度。

2超前小導管(小管棚)施工

用油漆將超前支護孔位進行標志，采用YT－28鑿巖機、直徑50mm的大鉆頭鉆孔，外插角為10°～20°。然后將用無縫鋼管加工而成的、端部為尖錐狀、直徑42mm、壁厚3．5mm、長3．5m的超前小導管插入孔內，導管外露20cm，外露端與鋼拱架焊接。在管壁上按梅花形布置小孔，間距20cm，孔眼直徑為8mm。鋼管安裝完畢后，應及時將鋼管與鉆孔壁間縫隙填塞密實，在鋼管外露端焊上法蘭盤、止?jié){閥。注漿漿液采用水泥、水玻璃雙漿液，并用雙液注漿機注漿。注漿前，先對開挖面5m范圍內圍巖噴25cm厚C20素混凝土作為止?jié){墻，以確保掌子面在進行壓力注漿時不出現(xiàn)漏漿、坍塌。注漿壓力及漿液配合比等灌漿參數(shù)根據(jù)施工現(xiàn)場試驗確定。注漿時先注無地下水的孔，再注有地下水的孔，如遇冒漿或串漿，則間隔一孔或幾孔分序注漿。

3超前錨桿施工

對于整體性較好的圍巖，開挖前首先對已形成的掌子面、邊墻及頂拱進行噴混凝土支護，掌子面噴5cm厚混凝土，兩側邊墻噴25cm厚混凝土。然后再對圍巖頂拱及開挖面周邊采用直徑25mm、長4．5m、環(huán)向間距為30cm、排間距為1m的錨桿進行超前支護，錨桿沿洞軸線方向布置，與洞軸線夾角為5°～15°，錨桿端部與鋼拱架采用焊接加固。錨桿施工順序為:風鉆鉆孔—高壓風清孔—插入桿體—安設止?jié){塞、墊板—注漿。注漿用注漿機進行，注漿壓力控制在0．5～1．0MPa，并注意隨時排除孔中空氣。

4進出口洞臉邊坡支護

隧洞進出口洞臉邊坡為弱風化灰?guī)r，永久開挖邊坡采用1∶0．5，臨時開挖邊坡采用1∶0．35，為保證洞頂有足夠的圍巖厚度，進出口邊坡分別在洞頂設置3．59m和3．27m高的直立邊坡;進、出口洞臉邊坡均設置有2m寬的馬道，馬道內側設M7．5漿砌石排水溝。為確保洞臉邊坡穩(wěn)定，對坡面采用噴錨支護，具體措施為:布置Φ25@1．5m×1．5m、長4m的錨桿，掛Φ8@20cm×20cm的鋼筋網(wǎng)，噴厚100mm的C25混凝土，按3m×3m的間距布置直徑50mm的排水孔，排水孔孔深2．5m。

超前地質預報及現(xiàn)場監(jiān)控量測

1超前地質預報

超前地質預報由超前地質預報組來完成，超前地質預報工作的主要內容包括:對照勘測資料，預測、預報地質條件變化對施工的影響;斷層或不穩(wěn)定巖層預測、預報。在隧道掘進施工時，每個作業(yè)面派有經(jīng)驗的技術人員值班，技術人員對工作面進行地質素描，并繪制地質素描圖，根據(jù)地質素描圖的內容，作出開挖面前方較短距離內的巖體穩(wěn)定性分板，通過綜合分析判斷，提出地質預測報告。采用TSP202地質超前預報儀，對圍巖地質情況進行超前探測。

2現(xiàn)場監(jiān)控量測

現(xiàn)場監(jiān)控量測是檢驗設計與施工是否正確合理和安全的重要手段。量測信息反饋到設計、施工中，可以及時對初期支護、二次襯砌及施工方法作出修正，確保結構的穩(wěn)定及施工安全。該工程主要對地質和支護狀況、周邊位移、拱頂下沉和錨桿抗拔力進行了監(jiān)測。施工期間，每次監(jiān)測后應及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制拱頂下沉、水平收斂、地表下沉等隨時間及工作面距離而變化的時態(tài)曲線(散點圖)，并根據(jù)開挖面的狀況，綜合判斷圍巖和初期支護結構的穩(wěn)定性，及時反饋給設計與施工單位。根據(jù)周邊位移量測的情況來看，觀測初期位移增長較緩，在開挖下斷面時位移量急劇增大，然后趨于平穩(wěn)，最終位移速率小于0．2mm/d，滿足規(guī)范和設計要求，充分說明了所采用的超前支護方案對防止圍巖惡化、控制隧道變形作用很明顯。（本文作者：吳偉民 單位：福建水利電力職業(yè)技術學院）