彭伟文

(广东水电二局股份有限公司，广东 增城，511340)



金元水电站引水隧洞开挖一次支护措施

彭伟文

(广东水电二局股份有限公司，广东 增城，511340)

金元水电站引水隧洞跨越岩层地质条件复杂，在开挖过程中针对不同地质条件，采取了锚杆、挂钢筋网、喷混凝土、钢筋格栅拱架、超前锚杆及超前小导管等不同的支护措施，由于支护及时、措施合理，取得了良好的效果，保证了施工安全。

隧洞开挖 新奥法 一次支护 金元水电站

1 前言

金元水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中游，为金汤河干流梯级开发的第二级水电站，引水式开发。水库正常蓄水位为2610.00m，死水位为2602.00m，总库容13.3万m3，调节库容9.6万m3，具有日调节能力。电站装机2台，总装机容量12.0万kW。

电站为Ⅲ等中型工程，枢纽建筑物由首部枢纽、左岸引水隧洞、左岸地面厂房、钟鼓楼沟调水建筑物及公地沟调水建筑物等组成。首部枢纽建筑物由混凝土重力坝、泄洪冲沙闸、排污闸及引水系统进水口组成。

引水隧洞开挖断面为简易马蹄形断面，开挖底宽3.5m～4.1m，高4.7m～5.6m。过水断面形状、尺寸根据围岩类别不同分别采用不同的断面形状和尺寸：对于喷锚衬砌段，采用马蹄形，底宽3.9m，净高5.25m；钢筋混凝土衬砌段，采用圆形断面，内径3.9m；钢板衬砌段，内径3.4m。引水隧洞共设9条施工支洞，支洞为城门型断面，开挖宽度为4.7m，高5.6m。

引水隧洞自进水口至调压室中心全长15.5km，所跨越的岩层地质情况复杂，本文主要介绍在不同地质条件下隧洞开挖所采取的一次支护措施。“新奥法”改变了我们的支护观念，它把围岩从一种荷载变成一种承载荷载的结构物，只要真正树立这一观念，选择正确的支护结构和支护参数，对任何一种类型的围岩都没有问题。

2 锚杆支护

在洞室开挖中，锚杆支护是应用得最广泛的一种支护措施。锚杆的作用有几方面：在块状围岩中，有内压作用、悬吊作用及组成支撑拱作用；在松软岩体中，悬吊作用不明显，更主要是多根锚杆的内压作用组成的支撑拱作用。2#施工支洞围岩主要为厚层状灰白色、肉红色结晶灰岩，节理裂隙较发育，并发育较多小断层，同时沿主要结构面地下水活动剧烈，影响着围岩的完整性和稳定性，围岩类别以Ⅲ类为主。在开挖过程中，主要采取了随机锚杆支护，锚杆直径为25mm，长度一般为300cm，锚杆方向垂直于结构面，对于有两个结构面切割的楔形体，必须分别在垂直于两个结构面的方向均布置锚杆。对于地下水的处理，主要采取在隧洞两侧边墙钻排水孔的措施进行集中引排。在引水隧洞主洞的开挖过程中，为了保证围岩的稳定，爆破后及时采用了系统锚杆支护，系统锚杆直径为25mm，长度为300cm，间、排距均为125cm，垂直于开挖面梅花型布置。

图1 锚杆支护示意

图2 支撑拱示意

锚杆支护最关键的是要合理确定两个支护参数，即锚杆的深度和密度(间距)。在有较高强度的块状围岩中，锚杆的作用是通过块体硬岩的传递，作用到更大范围，其悬吊作用和支撑拱作用均得到发挥；而在软弱破碎围岩中，锚杆的作用范围仅存在于杆体周围有限半径内，岩性越软其作用半径越小。并且，在软岩中，围岩的弹性区不明显或根本不存在，锚杆的悬吊作用显然不存在，增加锚杆长度也不可能扩大锚杆对杆体周边的作用半径，要发挥锚杆的支撑拱作用，只能加密锚杆，其设计参数应短而密，不是长而稀。只要其支撑拱有足够的厚度，如小断面隧洞为3.0m左右，大断面隧洞为5.0m左右，使锚杆长度略超过所假设的支撑拱厚度，就能保证围岩稳定。因此，锚杆的稀密程度完全取决于围岩的类别，在块状硬岩中，锚杆可以稀一些，而在软岩中要有足够的密度，可以在1.0m×1.0m甚至更密；而锚杆长度与洞室断面大小及形状有关，洞室断面越大，锚杆应该越长；同时，围岩越差，锚杆也应该越长。

3 挂钢筋网及喷混凝土支护

有时单靠锚杆支护并不能保证施工安全，往往需要锚杆与挂钢筋网、喷混凝土联合支护，如当围岩有小断层或挤压破碎带发育时，就需要采用锚杆、挂网及喷混凝土支护，才能防止掉块。1#施工支洞围岩为厚～巨厚层状灰白色、肉红色结晶灰岩，节理裂隙较发育，围岩类别以Ⅲ类为主，整体稳定。在K0+184～K0+196段有多组结构面切割，围岩较破碎，为防止顶拱掉块伤人，采用了随机锚杆、挂钢筋网和喷混凝土联合支护措施，保证了施工安全。引水隧洞埋深超过200m，围岩为灰白、肉红色厚～巨厚层状结晶灰岩，岩体新鲜完整，节理裂隙不发育，K1+790～K1+835段无地下水活动，顶拱发生了因地应力较高引起的片帮和弱岩爆现象，对此，我们也采取了锚杆、挂钢筋网和喷混凝土支护措施。

喷混凝土支护不仅适应于硬岩和中硬岩，在软岩中也可以采用。在硬岩和中硬岩中，喷混凝土一般不紧跟开挖工作面，而是有意滞后一段时间，对于稳定性好的围岩，不仅可以滞后几天，甚至几个月，这样的支护结构更有利，这就是所谓的适时支护。但软岩中的喷混凝土支护必须及时紧跟开挖工作面，实践证明，软岩在开挖暴露后，立即喷上一层混凝土，往往能延长围岩的自稳时间。在初喷一层混凝土的基础上，再进行锚杆、挂网、安装钢拱架，再复喷混凝土的操作程序更有利于作业安全和围岩稳定。同时说明一点，在软岩中没有必要过多的苛求喷层与岩面的结合强度，因为岩石自身的强度就很低，喷层与岩石的粘结强度不可能高于围岩岩体的强度。在这类围岩中，初喷一层混凝土只要能形成一层薄壳，就能满足后续施工作业要求。1#施工支洞K0+21～K0+35段右半部分为砂砾石碎石土，属溶蚀性裂隙沟堆积物，开挖后及时对其喷一层混凝土，然后再采取其他支护措施。3#施工支洞从K0+235桩号开始，围岩为灰黑色炭质千枚岩与薄层结晶灰岩互层，受邻近区域断裂构造影响，岩层受挤压扭曲，岩体中次级挤压面和方解石脉发育，岩石较破碎，围岩类别以Ⅳ类为主，局部破碎带千枚岩集中段为Ⅴ类，对此类围岩，开挖暴露后，均及时进行了喷混凝土支护，然后再进行钢格栅拱架、挂钢筋网和复喷混凝土支护。对于这种软岩甚至是松散堆积物，开挖后先初喷一层混凝土，保证了后续支护作业的安全。

4 钢筋格栅拱架支护

新奥法强调柔性支护，这一点在坚硬完整岩体中运用得很好，因为岩体完整，稳定性好，至于局部掉块，只需用薄薄的喷混凝土层，适量的锚杆，足可以防止；而在软岩或松散岩体中，仅靠薄层混凝土与锚杆是挡不住围岩变形的。因此在软岩的一次支护中，除要加大支护强度外，还必须增加支护刚度，增加支护刚度最常用办法就是采用钢支撑支护。钢支撑可以采用型钢，也可以采用钢筋加工成格栅拱架，钢支撑一般不单独使用，通常与锚杆、挂钢筋网及喷混凝土联合使用。

4#施工支洞从K0+621桩号开始，围岩为灰色薄层～中厚层状泥质灰岩间夹薄层千枚岩，层状结构；岩体中层理发育，节理裂隙相对不太发育，岩石弱风化～强风化，渗水不严重，只局部顶拱部位有滴水现象；岩层走向与洞轴向呈中、小角度相交，围岩自稳能力较差，围岩类别以Ⅳ类为主。施工中采用“短进尺、强支护”掘进，开挖后立即采用锚杆、挂钢筋网、钢筋格栅拱架及喷混凝土联合支护措施跟进，保证了开挖施工的顺利进行。钢筋格栅拱架采用四方形断面，分段加工，主筋为φ25，连接筋为φ16，接头处焊接钢板采用螺栓连接，在架设时再组装成型，拱架间距为50cm，相邻两榀拱架采用φ22钢筋连接。安装格栅拱架时必须尽量紧贴围岩，拱架与围岩之间必须喷满混凝土，拱架必须立正，保证垂直度，拱脚采用钢垫板支撑在坚实的地基上。

图3 钢筋格栅拱架支护示意

钢筋格栅拱架不但具有传统钢支撑(型钢)的功能，还克服了传统钢支撑的很多缺陷，显示出了传统钢支撑所不具有的优越性，其特点如下：

(1)格栅拱架刚度适中，容许围岩适度变形，又能及时提供支护阻力，限制围岩过大的变形而防止崩塌。钢筋格栅拱架的刚度在施工过程中是变化的，在安装初期没有喷射混凝土之前，基本上是不能承载的，刚架是柔性的；当喷射一定厚度的混凝土后格栅拱架与混凝土一起承受荷载，并提供一定的支护阻力；当混凝土喷射到设计厚度时，刚性进一步增大，可以承受更大的荷载。

(2)比传统钢支撑节约工程造价。格栅拱架是由普通钢筋加工而成，材料来源广泛、加工工艺简单、不会因切割、弯曲、焊接加工等工艺流程而使成品价格增加；同时，使用格栅拱架比使用型钢节约钢材，从而降低工程造价。

(3)重量轻、便于施工安装。格栅拱架重量轻，架设安装时，工人劳动强度不大，且处处可抓，方便搬用，适合现场的条件。

(4)使用灵活，可以随时调整其设计尺寸。地下工程中地质情况复杂多变，由于格栅拱架制作容易，可以采用不同规格的钢筋，可随时调整格栅拱架结构形式和断面尺寸等参数，以适用复杂多变的地质情况。

(5)能很好地随混凝土一起与围岩贴密，支护效果好。格栅拱架能完全被混凝土紧密包裹而成为一体，形成钢筋混凝土结构，喷混凝土能够充满格栅及其与围岩的所有空隙，而传统钢支撑背面往往不能完全充填密实。

(6)便于与其它支护手段联合使用。格栅拱架能很容易地与锚杆、钢筋网、超前小导管等支护手段联合使用，取得良好的支护效果。

5 超前锚杆与超前小导管支护

掌子面前方的围岩超前预支护技术是在软弱围岩中采用暗挖法施工时，为保证掌子面前方围岩的稳定性或提高掌子面的自稳能力，确保施工安全而采取的超前支护方法之一，是地下工程施工辅助方法的重要构成部分。这些方法一般包括超前锚杆、超前小导管、各种尺寸的管棚、围岩注浆、预衬砌等。掌子面超前小导管注浆是采用较多的一种超前支护方法，它是沿初期支护外轮廓线，以一定仰角向掌子面施打φ32～φ45的带泄浆孔的小导管并进行注浆，充分填充岩体空隙，形成一定厚度的结合体。其作用是稳定掌子面前方的岩体，以达到控制开挖松弛、崩塌、沉降，从而提高了掌子面的自稳性，保证掘进的安全。

6#施工支洞掘进到K0+51桩号后围岩为灰白色、肉红色厚层状粉晶灰岩、白云岩夹黄绿～灰色千枚岩，弱风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，稳定性差，属Ⅳ类围岩，施工中主要采取了格栅拱架和超前锚杆跟进支护。超前锚杆采用φ25钢筋，长3m，锚杆间距40cm，每循环进尺1.2m。当掘进到K0+63时，围岩变得更破碎，为Ⅴ类围岩，发生了一次塌方，为了安全通过该段，采用了超前小导管注浆和格栅拱架支护措施。3#施工支洞K0+595～K0+605段围岩以炭质千枚岩为主，强度低，遇水易软化，加之岩层走向与洞轴线方向大致平行，对围岩稳定不利，在洞顶与拱肩部位出现了不同程度的掉块和塌方，施工中采用了小导管注浆及钢拱架(为增加支护刚度，采用型钢拱架)支撑，安全通过了该塌方段。

图4 小导管支护示意

防止开挖时掌子面前方围岩不能自稳而塌方，是采用小导管预支护技术的根本目的，在设计施工时应充分考虑支护时间、支护类型和支护参数的选择。小导管的间距应根据掌子面前方围岩的地质条件和其自稳能力来决定；小导管的外插角应考虑小导管的长度和钢架的间距；要考虑一次掘进进尺及前后小导管之间的搭接长度。小导管的长度以3m～4.5m为宜，外插角以10°～18°为宜，间距通常按每米3～4根布置，搭接长度一般不小于1.0m。

6 结语

(1)新奥法是一种概念，不要把它当作一种具体的施工方法。它强调隧洞的主要承载部分是围岩，支护结构与围岩是一个整体化的结构；围岩原有的抗力必须尽可能得到保持，防止围岩松弛，一旦松弛岩块间的摩擦力下降，岩体强度就随之下降，这是新奥法的核心理念。不同的地下工程围岩地质条件千差万别，开挖断面型式和尺寸也各不相同，在开挖施工中，只要利用这一理念，采取适当的开挖方法和支护措施，是可以保证开挖施工安全的。

(2)从有利于支护与岩体共同作用的观点来看，支护应当具有适当柔性。锚、喷就是柔性支护措施，喷混凝土一般较薄，它不能抑制围岩变形，但它可以防止岩块松动，而不易产生破坏。而锚杆的施作是一个过程，它通过对杆体周边的岩石的约束而逐步地抑制围岩变形，当锚杆的施作达到满足围岩稳定时，就抑制住了围岩变形。

(3)新奥法强调支护强度，它必须区别于支护厚度和支护刚度。当围岩出现不稳定或变形量过大时，不能仅用增加支护物的厚度或刚度去解决问题，而是要增加支护强度去抑制围岩变形。增加支护强度的最好办法是增加锚杆的长度与密度，当然视情况也要增加支护物中的钢构件，特别是对于软岩，不能过分强调柔性支护。

(4)新奥法强调适时支护，开挖后让围岩释放部分应力，寻求一最佳支护时间，即使支护阻力达到最低点时进行支护。这在硬岩中或许能找到，可在软岩中是找不到的，软岩要及时支护，开挖后立即喷一层混凝土，及早封闭岩面，是十分有好处的。在块状围岩中，能封闭和充填所有节理裂隙，阻止裂隙间小颗粒与软弱物质被挤压出来，保持它的楔子作用，不降低围岩强度，保持围岩稳定；而在软岩中，及时喷混凝土封闭，也能延长自稳时间，让人们有时间做进一步的支护工作，如安装钢拱架、锚杆、挂钢筋网及再喷混凝土等。必须要注意的是支护时间，硬岩Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩要延后一段时间，软岩Ⅳ、Ⅴ类围岩宜早。

(5)钢格栅支护与传统钢支撑支护有相同的适用范围，但它具有刚度适中、成本节约、便于安装、使用灵活及支护效果好等优点，具有更广泛的应用前景。

(6)超前对不稳定围岩进行预先支护，既能控制围岩在开挖时的变形与位移，又能防止不稳定岩体坍塌破坏，保证施工安全，在Ⅳ、Ⅴ类围岩中应用较多。

(7)支护措施多种多样，在实际施工中必须根据具体地质情况，单独使用或多种联合使用，才能取得良好的效果。

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