引水隧洞超前支护的设计与施工

超前支护方案设计

1设计思想

从工程地质条件可以看出，隧洞进出口地质条件差，覆盖层破碎，上覆岩体厚度较薄，溶蚀裂隙发育，丰水季节地下水位高于隧洞顶5～10m。因此，超前支护设计主要针对隧洞进出口段［1］。主要设计思想:①在隧洞开挖前，沿隧洞开挖外轮廓的顶部拱圈范围，以一定的间隔，沿洞轴线方向设置大管棚(当围岩较完整时，也可采用超前锁口锚杆)，并通过管棚对岩体灌浆，从而在拱部预先形成加固的保护环。同时，环形固结层与管棚还可作为纵向支撑，与横向环形钢拱架共同作用，组成纵、横向刚度较大的整体受力结构，有效阻止和限制围岩变形;②由于大管棚的施工难度和成本随管长的增加而增加，同时作用效果降低，因此管长较长时可采用小管棚超前支护法，即在大管棚的前方，沿隧洞开挖断面外轮廓的顶部拱圈范围，以一定的纵向间隔，在隧洞开挖的前进方向上超前钻进小倾角钻孔，并插入钢管，再向插入的钢管内压注水泥浆或砂浆，以提高钢管周边围岩的整体性和弹性模量，并使钢管与围岩形成整体，构成棚架体系，以防止围岩的松弛和崩塌;③当围岩较完整时，可采用超前锚杆，沿隧洞开挖断面外轮廓，以一定间隔打入掌子面前方的岩体，将岩层锚固，对隧洞外轮廓围岩起到悬吊、组合、固结的加固作用，增加围岩的整体性和稳定性;④在隧洞进出口的洞脸边坡上，采用锚杆将岩层锚固，并挂网喷射混凝土支护，同时设置排水沟和排水管排水，提高边坡稳定性［2－3］。

2超前支护总体方案

隧洞进出口段超前支护采用在洞口平行洞轴线方向上布置直径89mm、环向间距300mm、壁厚6mm、长20m的超前大管棚，管棚钢管均匀布设在拱部，节长为4、6m。在管壁上按梅花形间距30mm×30mm交错钻出浆孔，出浆孔直径为12mm。钢管采用丝扣连接，连接长度为15cm，隧道纵向同一断面处接头数不大于总管数的50%，相邻钢管的接头至少错开1m。为稳定仰坡及保证管棚钢管外插角，在洞口前设置1．8m导向墙。导向墙采用C25混凝土，厚度为65cm，导向墙内设间距为60cm的I20工字钢拱架，工字钢拱架安装直径108mm、环向间距300mm、壁厚6mm、长2m的热轧无缝钢管，作为管棚钢管的孔口套管(导向管)。为避免钻杆太长，钻头因自重而下垂或遇到孤石钻进方向不易控制等现象，开钻上挑角度应控制在3°～5°，并随时用测斜仪量测角度和钻进方向。大管棚再往里布置直径42mm、环向间距300mm、排间距2m、壁厚3．5mm、长3．5m的超前小导管(小管棚)，小管棚搭接长度为1m，小管棚沿洞轴线方向布置，与洞轴线夹角一般为10°～20°。初期在顶拱和边墙布置Φ25@1m×1．5m、长4m的锚杆，并设Ⅰ20@60cm的钢拱架，在顶拱及边墙挂Φ8@200mm×200mm的钢筋网，喷250mm厚混凝土(兼做止浆墙)，底板不作初期支护;二期全断面现浇60cm厚混凝土衬砌，并在底板布置Φ20@1m×1．5m、长1m的锚筋。各类断面均需在顶拱布置Φ50@3m×3m、长3m的排水孔。隧洞进出口段超前支护设计见图1。

隧洞超前支护施工

1大管棚施工

大管棚超前施工工艺流程见图2。(1)施工准备工作。完成洞顶截水沟、进出口洞脸仰坡开挖及防护的施工，即在隧洞进出口洞脸边坡上布置锚杆、挂钢筋网、喷混凝土、布置直径50mm的排水孔;并按要求制作套拱(导向墙)钢拱架及导向管;同时配备测斜仪、2～3台油压钻机及注浆泵等施工设备。(2)套拱(导向墙)施工。当隧洞进出口开挖至成洞面后，先按间距60cm在成洞面前架设I20工字钢拱架，然后按设计要求的间距及外插角在工字钢外缘用直径12mm的钢筋焊接固定直径108mm的孔口导向管。导向管安设的精度直接影响管棚的质量，因此其检验合格后，方可支模浇筑套拱混凝土。(3)采用水平地质钻机钻孔并顶进管棚钢管。管棚钻机就位后，安装内钻杆及套管(为便于安装钢管，钻头直径应大于管棚钢管的直径)，水平地质钻机采用顶驱双作用进行钻孔;第一节钻孔结束后，钻机退回原位，接长钻杆及套管继续钻进;钻至设计长度后取出钻杆，套管内注水清洗，取出套管分节装入钢花管(为便于钢花管顶进，钢花管前端焊成圆锥形);继续进行下一根管棚钻进，直至钻进工作结束。钻孔时，钻机速度应保持均匀，特别是当钻头遇到夹泥、砂层时，应控制钻进速度，避免发生夹钻现象。如发生塌孔或卡钻，需先对该段注浆后再继续钻进。(4)采用KBY－50/70双液注浆机注浆。注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后作现场压浆试验，以便确定合理的注浆参数。注浆浆液采用水泥浆加水玻璃双浆液。水泥浆水灰比为1∶1～0．5∶1，水玻璃的模数以2．8左右为宜，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶1～0．5∶1。施工时可通过调整配合比控制初凝时间。长管棚采用分段注浆，浆液扩散半径不小于0．3m。注浆过程中应随时检查孔口、邻孔及覆盖层较薄部位有无串浆现象，如发现串浆现象，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口。在规定的压力下，灌浆孔段注入率小于设计值时，延续30min注浆即可结束。注浆结束后，应及时清除管内浆液，并用M30水泥砂浆紧密充填，增强管棚刚度和强度。

2超前小导管(小管棚)施工

用油漆将超前支护孔位进行标志，采用YT－28凿岩机、直径50mm的大钻头钻孔，外插角为10°～20°。然后将用无缝钢管加工而成的、端部为尖锥状、直径42mm、壁厚3．5mm、长3．5m的超前小导管插入孔内，导管外露20cm，外露端与钢拱架焊接。在管壁上按梅花形布置小孔，间距20cm，孔眼直径为8mm。钢管安装完毕后，应及时将钢管与钻孔壁间缝隙填塞密实，在钢管外露端焊上法兰盘、止浆阀。注浆浆液采用水泥、水玻璃双浆液，并用双液注浆机注浆。注浆前，先对开挖面5m范围内围岩喷25cm厚C20素混凝土作为止浆墙，以确保掌子面在进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。注浆压力及浆液配合比等灌浆参数根据施工现场试验确定。注浆时先注无地下水的孔，再注有地下水的孔，如遇冒浆或串浆，则间隔一孔或几孔分序注浆。

3超前锚杆施工

对于整体性较好的围岩，开挖前首先对已形成的掌子面、边墙及顶拱进行喷混凝土支护，掌子面喷5cm厚混凝土，两侧边墙喷25cm厚混凝土。然后再对围岩顶拱及开挖面周边采用直径25mm、长4．5m、环向间距为30cm、排间距为1m的锚杆进行超前支护，锚杆沿洞轴线方向布置，与洞轴线夹角为5°～15°，锚杆端部与钢拱架采用焊接加固。锚杆施工顺序为:风钻钻孔—高压风清孔—插入杆体—安设止浆塞、垫板—注浆。注浆用注浆机进行，注浆压力控制在0．5～1．0MPa，并注意随时排除孔中空气。

4进出口洞脸边坡支护

隧洞进出口洞脸边坡为弱风化灰岩，永久开挖边坡采用1∶0．5，临时开挖边坡采用1∶0．35，为保证洞顶有足够的围岩厚度，进出口边坡分别在洞顶设置3．59m和3．27m高的直立边坡;进、出口洞脸边坡均设置有2m宽的马道，马道内侧设M7．5浆砌石排水沟。为确保洞脸边坡稳定，对坡面采用喷锚支护，具体措施为:布置Φ25@1．5m×1．5m、长4m的锚杆，挂Φ8@20cm×20cm的钢筋网，喷厚100mm的C25混凝土，按3m×3m的间距布置直径50mm的排水孔，排水孔孔深2．5m。

超前地质预报及现场监控量测

1超前地质预报

超前地质预报由超前地质预报组来完成，超前地质预报工作的主要内容包括:对照勘测资料，预测、预报地质条件变化对施工的影响;断层或不稳定岩层预测、预报。在隧道掘进施工时，每个作业面派有经验的技术人员值班，技术人员对工作面进行地质素描，并绘制地质素描图，根据地质素描图的内容，作出开挖面前方较短距离内的岩体稳定性分板，通过综合分析判断，提出地质预测报告。采用TSP202地质超前预报仪，对围岩地质情况进行超前探测。

2现场监控量测

现场监控量测是检验设计与施工是否正确合理和安全的重要手段。量测信息反馈到设计、施工中，可以及时对初期支护、二次衬砌及施工方法作出修正，确保结构的稳定及施工安全。该工程主要对地质和支护状况、周边位移、拱顶下沉和锚杆抗拔力进行了监测。施工期间，每次监测后应及时根据监测数据绘制拱顶下沉、水平收敛、地表下沉等随时间及工作面距离而变化的时态曲线(散点图)，并根据开挖面的状况，综合判断围岩和初期支护结构的稳定性，及时反馈给设计与施工单位。根据周边位移量测的情况来看，观测初期位移增长较缓，在开挖下断面时位移量急剧增大，然后趋于平稳，最终位移速率小于0．2mm/d，满足规范和设计要求，充分说明了所采用的超前支护方案对防止围岩恶化、控制隧道变形作用很明显。（本文作者：吴伟民 单位：福建水利电力职业技术学院）