某水库泄洪洞开挖支护施工工艺应用解析

陈世雄,曹德昭

(清远市清新区龙须带水库管理所,广东 清远 511500)

1 工程背景

1.1 泄洪洞工程概况

进厂泄洪洞从安装间右侧垂直进入。发电厂房利用进厂泄洪洞与地面的上、下库连接公路相连，是发电厂房与外界的主要交通运输通道。泄洪洞全长924.84 m(桩号J0+000.000 m～J1+924.84 m)，最大纵坡为6.887%。起点位于主厂房安装间右侧边墙高程200.4 m处，终点位于上、下库连接公路高程260.0 m处。洞内采用城门型断面，断面净尺寸为7.5 m×7.5 m(宽×高)。进厂泄洪洞洞内装饰工程不属于本标范围。Ⅲ类的围岩,选用系统锚杆+挂网喷混凝土的支护模式;Ⅳ类、Ⅴ类的围岩使用系统锚索+挂网喷混凝土支撑+钢格栅钢拱架+混凝土模筑衬砌的综合保护形式。

1#施工支洞口与厂区通风洞口联合设计,前期作为建筑支洞口,后期为厂区永久通风洞。支洞口设计位于厂区南端,进洞口高度为270.0 m,终点则设在主厂区东左侧墙高度218.0 m处。主厂房顶拱施工、支护以及钢筋模筑衬砌的浇筑,截面规格为7.5 m×7.0 m(宽×高),全洞可达573.6 m,最大侧向倾角为11%。按照洞室的围岩类型,对Ⅲ类围岩洞段设计为系统锚杆+挂网喷混凝土的支护;对洞口和Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段,设计为系统锚杆+挂网喷混凝土支撑+钢筋格栅式拱架+钢筋模筑衬砌的综合支护。进洞公路起点位于15#公路高程270.0 m处，终点位于1#施工支洞洞口，全长约20.0 m，混凝土路面，路面宽度7 m。

1.2 施工重难点

施工安全是本工程的关键。本工程泄洪洞、1#支洞的围岩完整性较差，断层较多，节理裂隙发育。因此，施工中如何确保开挖稳定和施工安全，是本工程的关键问题。

泄洪洞、1#支洞洞脸边坡及侧坡主要为全风化岩石，岩体完整性较差，强度低，成洞条件差，如何确保安全顺利的挂口进洞既是确保本标段各节点工期的实现，又涉及后续工程的如期开展，因此，确保泄洪洞、1#支洞的顺利进洞是工程重点之一。

对于洞内断层应充分考虑施工开挖的不利因素再采取适当的排水措施，是本工程的难点。

1.3 施工总布置

施工分为泄洪洞、1#施工支洞工程两个工作面进行独立施工。各工作面以土石方明挖及支护→洞身开挖及支护→衬砌及路面混凝土→灌浆→排水孔的施工顺序为主线科学组织施工。

2 地下洞室开挖及支护

隧洞开挖采用手风钻钻孔，Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类 围岩实行光面爆破，一次成型开挖，Ⅴ类围岩采用松动爆破，分层开挖，出渣采用无轨运输，配置柳工50侧卸装载机装渣，8t自卸车拉运。

隧洞开挖施工总程序为： 进口土石方明挖→洞脸支护→洞口锁口施工→洞内开挖、支护→底板混凝土浇筑→边顶拱混凝土浇筑→回填灌浆→缺陷处理及验收。

2.1 洞挖爆破施工

2.1.1 洞挖方案

隧洞施工采取“新奥法”方式进行,在爆破后依据围岩状况及时实施临时保护,并依据变形检测结果适时改变支护参数[1]。在变形量很大时,及时按照最大变形量调节施工尺度,以确保施工质量达到设计要求。

各类围岩施工作业循环时间如表1。

表1 各类围岩施工作业循环时间 h

洞内控制测量采用全站仪进行，利用洞外大地四边形控制测量网点引双线控制点到洞内进行控制测量[2]。

2.1.2 爆破方案

爆破孔采用YT-28气腿式手风钻钻孔，用钢管和工字钢制作钻爆作业平台，用2#岩石乳化炸药爆破，毫秒微差非电雷管起爆，用导爆管引到300 m外用激发器引爆[2]。

爆破后立即启动轴流风机进行排烟通风，当洞内空气达标后爆破人员进入洞内查看爆破情况，若有哑炮即进行处理，排除爆破危险后安全员进入洞内进行围岩危石清撬，然后进行出渣。出渣采用3 m3侧卸装载机配合8 t自卸车进行，最好用1 m3反铲进行掌子面清理。

根据同类工程施工实践,在施工过程中采取了全断面的光面开挖爆破施工方式，一次施工完成，从中心空洞直孔掏槽,非电微秒避雷器起爆。光爆洞钻孔使用Φ42钻孔,其他孔使用Φ38钻孔；采用多段非电微秒避雷装置拿起[3-4]。Ⅲ类围岩每循环设计进尺三米,Ⅳ类围岩每循环设计进尺两米，根据设计地质资料确，本标段洞内没有Ⅴ类围岩开挖。

2.2 支护工程

本工程明挖支护主要为锚杆、挂钢筋网、喷混凝土、格栅钢拱架，分为开挖临时支护和永久锚杆、挂网喷混凝土支护两种。

隧洞施工后,须按照施工时揭示的地质要求、施工要求，按时完成支护。临时支护工程随开挖的进行而逐步跟进，一般滞后开挖作业面50～80 m。

工序主要包括:喷护→混凝土养护(工程设计要求时)→打锚杆→挂网(工程设计要求时)→重复喷水泥。

2.2.1 锚杆施工

锚杆设计长为4.5 m、3.0 m两种，锚杆直径为Φ22。锚杆钻孔采用YT-28型气腿式风钻。钻孔由人工在工作平台上进行。锚筋桩采用"先安放锚筋后灌浆"的方式进行施工，其开挖的钻头孔径须超过原锚桩孔径25 mm之上。

在安装锚筋前，先将锚杆孔彻底清洗，对位于砾砂岩上的锚杆孔则禁止使用水冲洗，而采用风洗。先注浆的永久支护锚杆，在插杆后立即在孔口处将锚杆临时固定。锚杆注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔锚杆。

注浆料选用MZ-30锚杆注浆料机，边拌和边注浆料。注浆方法混凝土采用P42.5型普通硅酸盐混凝土[5]。

2.2.2 喷射混凝土施工

进行浇注混凝土前布置钢筋网，与钢筋网的距离一般为150～200 mm，钢材选用直径一般为6～8 mm屈服抗拉强度240 MPa的光面钢筋，钢材保护层厚不低于50 mm，挂钢网主要用于进口边坡上和洞内临时支护、Ⅱ类、Ⅲ类围岩永久支护。钢筋网和锚杆衔接得紧密，钢筋网中间的搭设直径不低于20 cm,并用钢丝系紧[6]。挂网锚索和钢筋以直径网的边缘在岩石表面进行搭设钢筋锚固。采用双层钢网时,在第二层钢网和一层钢网都被水泥所包覆后进行。混凝土喷护利用操作平台,TK-961型喷射机进行湿喷。

2.2.3 钢支撑施工

在经超前勘察认定的Ⅳ、Ⅴ型岩体等破碎软弱区域，架设了钢支撑或格栅拱架及附件，距离一般为50～80 cm。位置应安装在设计断面以外。

安装格栅和钢支撑，应在钢板支承或放在坚实的基础上，安装时在钢支承基础部位设置15～20 cm地基；架立钢板支承时挖沟安装就地，软弱部位在钢支承基础部位安装锚索或浇注C25混凝土以提高地基承载能力。为确保钢支柱和格率栅的安放正确，隧洞施工中在支柱的各连接板上留出支承连接板沟槽；两拱脚上的二边墙脚上留出安装支柱腿沟[7]。初喷混凝土时，先在沟槽部进入木楔，并为架设支柱时预留联结板部位。为提高支柱的总体安全性，将支柱和锚索联接在一起。沿支座设直径为Φ20纵向连接的钢板，并按环向距离1 m设置。

3 钻孔与灌浆工程施工

工程灌浆包括洞室回填灌浆和洞室固结灌浆。洞室回填灌浆范围在洞内顶拱120°范围，固结灌浆主要集中在Ⅳ、Ⅴ类围岩中进行。

3.1 灌浆试验

3.1.1 固结灌浆试验

为选定并验证灌浆设计参数，在固结灌浆施工前，严格按照固结灌浆技术要求的灌浆参数进行施工，检查设计灌浆参数能否满足设计及规范要求；同时检查区域地质情况有无大的差异，是否该采取相应的补充措施[7]。

严格按照设计及规范要求，采用自低端向高端用赶浆法进行灌浆。灌浆试验区灌浆结束后，根据试验结果选用最终灌浆参数，根据所需灌浆参数进行固结灌浆施工。

3.1.2 回填灌浆试验

回填灌浆选择在完成底板浇筑30 d以后隧洞段进行，灌浆试验段长度为50 m。通过灌浆试验确定灌浆压力、浆液浓度。

先进行顶拱灌浆孔钻孔，然后进行灌浆试验段两头堵漏，最后从低端向高端按照先Ⅰ序孔，后Ⅱ序孔，先两侧孔，后顶拱孔的顺序灌浆，并记录好灌浆压力、浆液浓度、水泥、粉煤灰、砂的用量，掌握混凝土浇筑深度及钻孔深度[8]。根据浆液灌注情况分析洞顶结构及关键密实情况。

3.2 洞室回填灌浆施工

平洞内的洞顶回填砂浆在模筑衬砌混凝土超过70%的高度时完成,胶结砂浆在相应位置的回填砂浆完成7 d内完成。回填与灌浆分区段进行，每区段长度不大于40 m。分区端须封闭且密实,将灌浆过程分为二段次序，将浇筑时间从较低的一头进行，向较高的一段推移。相邻区域内的相同次序钻进，完全或部分钻出后再实施灌浆。具体施工流程见图1。

图1 回填灌浆工艺流程

3.3 洞室固结灌浆施工

固结灌浆孔深入基岩3 m。固结灌浆工程量为1920 m。固结灌浆滞后回填灌浆15 d进行。按环间分序、环内加密的原则，进行灌浆孔分序。

固结注浆成型灌前应做简单压水试验。简单压水试验使用单点方法,测量压力最大值约为该段期间最大压力值的80%，但最大值仍为1.0 MPa；试验口数约占总口数的5%；试验压力水二十分，每五分秒试验一次压力水流量，以最后的流量值为实验流量。

4 砌体工程

本标段砌体工程主要分布部位为进厂泄洪洞进口边坡坡顶截水沟、路堑墙及1#施工支洞。砌体总工程量793 m3。

4.1 截水沟施工

截水沟的边坡离开挖方路基边坡的间距根据地质条件而定,以不改变路基稳定性为基础。截洪沟开挖的土方，应在道堑和拦洪沟中间修成土台并加以夯筑，台顶可筑成2%的斜向截水沟。

坡地和路堤中间的拦洪沟距离路堤坡足最少2 m，利用挖拦洪沟中的泥土回填在露地和拦洪沟中间,并修建向沟的边坡小于2%的公路堤道及土台，使坡堤内侧地层的排水进入拦洪沟并排出。截水沟宽度大于500 m的地区应在合适位置设有排水出口，将反应物引至山坡内侧的天然沟内的桥涵或入水，同时截水沟也需要设有牢靠的出入口，在必要时设有排污沟、跌水及急流沟等。截水沟的出口需要与排水设备顺利连接[8]。

为了避免在水下渗和冲击,截水沟应该做好彻底的防渗与补强,并采取加固措施以避免水渗和冲击沟底或沟缝。

4.2 排水沟施工

排水沟的线形要求平顺，尽量采取平直形式，拐弯口应作成圆弧，排水沟长按照具体要求而定,一般不得大于500 m。排水沟边道布置上，应距道路尽量长一点，距道路坡脚不得低于3～4 m。在排水沟、截水沟，路堤的倾斜坡度过大产生的排水速率超过沟底、沟壁土的最大冲击流量时,要采取路堤的措施。

急流沟的纵坡比一般不得大于1∶1.5，并要和周围自然地形坡相配合。当急流沟较长时，在沟底有一个大倾斜坡度，通常是向上一段较陡,再以下逐渐较缓。当急流沟较长时，宜分段砌筑。各分段不得大于10 m,接头用防水材料填堵,严密而无缝隙。急流沟的砌筑,应在自然水流和暗沟入、流出间有过渡地段。地基应在基础之下，地基下部应按设计图纸规定砌筑防滑台阶,还需设有女儿墙。防洪堤边坡急流沟的砌筑，应能给雨水进入排污渠开辟一条通畅途径,路缘石开口和流水进入防洪堤边坡急流沟的交接地段，要衔接圆顺[8]。

4.3 路堑墙施工

每段的路堑墙在该段的路基土石方开挖结束后，人工进行基坑清理及局部欠挖处理，基坑验收合格后，进行路堑墙的砌筑。片石从开挖后的石料中选用。砂从最近的骨料加工厂采购。砂浆在砌筑现场采用砂浆拌和机拌制。砌筑前，将坡面松动岩石清除，清除新鲜面，边坡凹陷部分挖成台阶，采用相同标号的砌体砌筑。

按施工图纸规定的伸缩缝和沉降缝的长度(10～15 m)分段砌筑。泄水孔、反滤层与墙体同步施工，施工时，做好防护，防止泄水孔堵塞。伸缩缝整齐垂直，上下贯通，缝内填塞沥青麻絮，深度不小于20 cm。自下而上逐层砌筑，砌筑时，咬扣紧密，嵌缝饱满、密实，勾缝平顺无脱落。

5 结 论

针对广东清远抽水蓄能项目下库泄洪洞施工方案的应用，通过对洞室进行全断面的光面开挖爆破、对明挖段采用明挖支护主要为锚杆、挂钢筋网、喷混凝土、格栅钢拱架等支护，对危岩体采用钢支撑或格栅拱架扥支护，同时进行回填和固结灌浆，施工进行顺利，基本完成目标。同时工程适当部位积极推广应用新技术工艺，使用了水泥基药卷锚杆、喷钢纤维混凝土或聚丙烯混凝土、GY—V型灌浆自动记录仪和安吉洛克管棚支护技术，取得良好的效果。

本工程的顺利实施为类似工况类似环境的泄洪洞开挖支护施工有积极的参考作用。