王 建

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

近些年随着我国基础设施建设力度逐渐加大，水利水电[1- 2]工程作为其中的重要部分也有了飞速发展。引水隧洞[3- 6]作为水电项目重要的组成部分，对其开展安全高效地开挖支护[7]尤其重要，特别是引水隧洞软岩洞段洞挖施工[8]时发生变形[9- 10]，对工程质量、安全及进度均带来较大影响，采取合理的施工工艺和措施尤为重要。本文以新疆某水利枢纽工程引水隧洞开挖支护为例，介绍软岩洞段施工工艺及措施。

1 工程概况

新疆某水利枢纽工程发电洞洞身长9000m，采用钢筋混凝土结构，洞身衬砌后为直径8.5m的圆形断面，衬砌厚度40～60cm。洞室围岩以微风化～新鲜岩体为主，穿越地层为白垩系砂岩、泥岩、砾岩夹泥灰岩。一次支护采用锚杆、挂钢筋网、喷射混凝土、型钢拱架及超前导管等方式相结合。根据围岩类型，具体支护参数有：系统锚杆Φ25砂浆锚杆、长3.0m、间排距1.0～1.2m，钢筋网间距200mm，C30喷射混凝土厚18～20cm，18#工字钢支护，榀距0.8～1.5m，局部洞段顶拱180°采用长6mΦ40注浆小导管、间距0.25m。

该工程开挖支护1a后，Ⅰ#洞K3+560～K3+580段、Ⅱ#洞K3+440～K3+520段拱架最大收敛变形70cm，平均收敛变形30cm。通过原位取样，测得围岩平均单轴饱和抗压强度为24.8MPa，属于软岩，变形的拱架严重侵占设计混凝土衬砌体型，且有继续收敛变形趋势，为保证后续施工安全及混凝土衬砌质量，亟需采取措施处理。

2 目的

为保证新疆某水利枢纽工程发电洞洞身工程后续施工安全及混凝土衬砌质量，需对侵占混凝土体型的一次支护拱架进行更换施工，换拱后的结构体型及尺寸与原设计一致。

3 方法及措施

3.1 施工方法

为保证混凝土衬砌的质量、安全及进度，针对不同变形部位按以下内容和顺序进行作业和处理：①对拱架变形段上下游两侧20m范围内拱架进行变形测量；②对未变形拱架进行锁脚锚杆加密施工；③对拱架变形段开裂混凝土进行素喷施工；④拱架变形段变形拱架处理；⑤超前注浆小导管施工；⑥拱架变形部位固结灌浆施工；⑦拱架变形部位加密安装系统锚杆施工；⑧空腔部位回填施工；⑨对处理完的变形拱架进行封闭(如需要)。

3.2 施工措施

3.2.1 变形拱架锁脚锚杆加密施工

锁脚锚杆采用长3.0mΦ25锚杆，在拱架左右拱脚两侧上下游各布置2根，锁脚锚杆打设角度为垂直于岩面向下倾斜10°～20°，入岩2.8m，外露0.2m，具体布置形式如图1所示。加固锁脚锚杆必须紧贴钢架内侧，锚固牢靠，钢拱架与锁脚锚杆焊接饱满，连接可靠。

拱架加固施工如图2—3所示。

3.2.2 钢拱架制作及安装

(1)钢拱架加工。①钢拱架按图纸在洞口综合加工厂加工成型。每榀钢拱架由顶拱及侧拱各单元钢构件采用螺栓拼接。从加工厂运输至洞内过程中注意对成品的保护，防止碰撞变形导致安装时拼接困难。②钢支撑加工完成进行试拼，沿隧洞周边轮廓误差不大于3cm。③螺栓中心误差不超过±0.5cm。

(2)钢拱架安装。①安装前在钢拱架基脚处预留0.2m至原地基，保证钢支撑置于稳固的地基上。②钢拱架平面与隧洞中线倾角不大于2°。③为保证钢拱架位置安装准确，安装前由测量队测放安装轴线。④在钢拱架安装中若钢支撑和初喷层之间有较大间隙则安装砂浆垫块。⑤为增强钢拱架稳定性，在钢拱架连接板处设置锁脚锚杆，并与钢拱架焊接在一起并设置纵向连接钢筋。⑥为使钢拱架定位准确，安装前须预先随机布设定位联系钢筋。联系钢筋一端与钢拱架焊接，另一端用砂浆锚入围岩0.5～1.0m，若钢拱架附近有锚杆时可用锚杆定位。⑦钢拱架安装后在空腔部位最高处埋设2根Φ40钢管作为后期的灌浆管及排气管，灌浆管低于排气管50cm，排气管距空腔顶部20cm，在空腔部位最高处埋设混凝土泵管。⑧钢拱架安装后应立即喷混凝土封闭，须将钢拱架全部覆盖，使钢拱架与喷混凝土形成整体。为保证喷混质量，须分层喷混凝土，单层厚度控制在5～6cm左右，喷混凝土施工按自下而上顺序进行，杜绝先对上部施工造成喷射料坠落至钢拱架根部，虚掩底部漏喷情况。

3.2.3 空腔处理

利用在拱架安装时预埋的混凝土泵管，使用HBT60混凝土泵泵送至空腔，水平运输采用9m3混凝土搅拌运输车，采用C30F100W10高抗硫水泥混凝土填充。

3.2.4 超前注浆花管施工

利用钢筋台车和塌方渣堆进行超前注浆花管施工，在塌方段拱架顶拱120°范围内安设超前注浆花管。如图4所示。

(1)花管制作。花管采用Φ50钢管，长度4.5m，间距25cm，前部设梅花状出浆孔，外插角度为5°～30°，外露部分应与钢拱架焊接牢固。

(2)花管安设。①用YT- 28手风钻开孔，并用吹管将砂石吹出。用带冲击的钻将花管顶入孔中，用胶泥封堵导管孔口周围及工作面上的裂缝。②根据地质情况钻设、安装、灌注小导管钢架支护。③花管按设计位置安装，位置偏差不大于5cm，角度偏差不大于1°。④为保证钻孔质量，钻孔中台架要绝对坚固。⑤在钢拱架上沿地下洞室开挖轮廓线纵向钻设小导管孔，其外插角需符合设计要求，孔深不宜小于5m，钻孔孔径比小导管直径大20～30mm，钻孔顺序自高孔位向低孔位。

(3)注浆。①花管注浆前，对塌方变形的洞段喷射混凝土封闭。②注浆压力为0.5～1.0MPa，必要时在孔口处设置止浆塞。止浆塞参数根据设计要求结合现场确定。③注浆后至开挖前的时间间隔，视浆液种类宜为4～8h。开挖时保留1.5～2.0m的止浆墙，防止下一次注浆时孔口跑浆。④花管注浆浆液扩散半径不小于15cm。

图1 变形拱架锁脚锚杆加固安装示意图

图2 底板开挖完成部分拱架加固示意图

图3 底板未开挖部分拱架加固示意图

图4 超前注浆花管布置示意图

3.2.5 挂网喷混凝土施工

塌方部位采用挂网喷混凝土封闭处理。①先对危岩清撬确认围岩牢固稳定，后进行喷射混凝土封闭。②挂网钢筋在洞外钢筋加工厂加工，采用Φ8圆钢加工成网片，验收合格后方可进入二次混凝土喷射施工。③人工挂网，必须保证网片安装至紧贴喷混表面。

3.2.6 固结灌浆施工

对处理洞段顶部240°范围内采取固结灌浆，孔深5.0m，间距2.5m，排距3.0m，梅花型布置，灌浆压力可从0.3MPa逐步增大，但不得大于1.0MPa。如图5所示。

图5 固结灌浆孔布置示意图

固结灌浆按“分序加密”原则进行，环间分Ⅰ序和Ⅱ序2个序列。先施工Ⅰ序环，再施工Ⅱ序环。

(1)钻孔。①固结灌浆孔采用YT28手风钻钻孔，孔径不小于Φ38，孔深入岩5m。②固结灌浆钻孔的开孔孔位偏差不大于10cm。

(2)裂隙冲洗。①灌浆孔灌浆前采用导管充水冲洗灌浆孔，由孔底向孔外冲洗。②灌浆孔冲洗冲见回水澄清后10min方可结束。③灌浆孔冲洗后，该孔要立即进行灌浆作业，因故中断时间间隔超过24h时，在灌浆前重新冲洗。

(3)灌浆。①胶凝材料：采用质量合格的42.5高抗硫水泥的纯水泥浆液。②灌浆方法：采用SGB6- 10灌浆泵进行灌浆，并做好记录。③固结灌浆采用单孔灌注的方法，但在注入率小的地段，同一环上的孔可并联灌浆，孔数可为2个，孔位保持对称。

(4)水灰比及变浆标准。①水灰比。固结灌浆浆液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1，浆液的浓度由稀变浓，逐级变换。②调整浆液浓度标准。浆液单孔注入量达300L以上，或灌注时间已达30min，而灌浆压力和吸浆量均无显著改变时，变浓一级水灰比。当吸浆量大于30L/min时，可越级变浓。

(5)灌浆结束标准。在最大设计压力下，单孔吸浆量不大于1L/min时，继续灌注30min后结束。

(6)封孔。灌浆结束后，排出孔内的积水和污物，采用“压力灌浆法”进行封孔，并将孔口抹平。

3.2.7 变形拱架拆除施工

施工顺序为：素喷封闭→固结灌浆→系统锚杆加固→拱架拆除→欠挖处理→立拱架→喷护混凝土。

一次支护变形拱架及副拱拆除原则上先拆副拱后拆变形拱架，副拱及变形拱架均由外向内侧进行，拆除变形拱架处理按照“拆一榀，处理一榀，隔榀或逐榀换拱”的原则施工，严禁多榀拱架同时拆除，同时换拱现象。

加密系统锚杆采用长4.5mΦ25锚杆，间排距1.2m，若系统锚杆加密区域岩石过于松散，普通锚杆施工困难，可采取中空注浆锚杆。

(1)将支护台车运至作业面，由人工采用风镐凿除喷射混凝土，将副拱锁脚锚杆及连接钢筋也凿出。

(2)采用电焊将拆除拱架的锁脚锚杆和连接钢筋割断。

(3)采用人工配合反铲将已割除锁脚锚杆及连接钢筋的拱架取下。

(4)下一榀拱架拆除。

3.2.8 二次扩挖

(1)由测量人员对拆除拱架后的断面进行测量，并标注出欠挖尺寸。

(2)人工采用风稿对欠挖部位进行凿除。

(3)由测量人员对处理后断面进行复测，经验收直至满足设计尺寸。

3.2.9 拆拱后支护方式

每循环完成扩挖后，施工单位技术人员及时通知监理、业主及设计单位代表，现场勘查并确定后续支护方式。遇一次支护变形部位岩石破碎时，为保证安全需及时完成支护施工，如监理、业主及设计单位代表无法及时到位则按原设计支护方式进行支护。

如因二次扩挖导致破碎岩石掉块产生超挖情况，原则上采用喷混凝土将超挖部位回填密实。为防止换拱后支护面变形，在空腔较大部位尽量采用喷射混凝土回填密实。对无法喷满的部位，可先采用少量砂浆进行灌注，后期继续灌注砂浆和混凝土或采用回填灌浆的方式回填密实。

若在处理过程中出现塌方情况，则立即停止施工并通知监理、业主及设计单位现场勘查并确定处理方案。

4 结论

该工程发电洞通过以上处理措施顺利完成换拱，未发生任何安全事故，质量满足设计要求，达到预期换拱目的。总结以下几点经验供类似工程参考。

(1)软岩隧洞施工前，需综合前期地勘、超前地质预报资料及揭露围岩情况合理编制开挖、支护方案，避免初期支护方案不完善导致换拱施工。

(2)重视局部变形前兆，依据超前地质预报和围岩收敛监测指导施工。

(3)采用风镐及气割拆除拱架时，严格按拆一榀换一榀的原则进行，减小对围岩及相邻初期支护影响，遇扰动引起垮塌及掉块及时做封堵处理，加固后方可继续换拱作业。

(4)新换拱架在未封闭成环稳定前，不得拆除或悬空支撑竖臂，做好换拱成品保护并尽早开展仰拱及二衬施工。