小导管超前注浆和复合式衬砌技术.doc

小导管超前注浆和复合式衬砌技术
在布东水电站2 号引水隧洞的应用
黄 杰
（广西水利电力勘测设计研究院，广西南宁 530023）
摘 要：介绍布东水电站2 号引水隧洞出口段，采用小导管超前注浆和复合式衬砌施工技术；同时讨论了施工过程中施工工艺。
关键词：布东水电站 2 号引水隧洞 小导管超前注浆 复合式衬砌
1 概 述
布东水电站位于广西百色地区隆林县境内，是新洲河下游最后一级待开发的引水式电站，水头落差为116m，装机
容量10.5MW，引水流量为13.23m3/s。工程主要建筑物有挡水闸、进水闸、1 号隧洞、反虹管、明渠、2 号隧洞、压力前池、压力钢管、发电厂房、开关站等。2号引水隧洞断面型式为城门洞型，其断面尺寸为3.2m×4.124m，最大开挖断面尺寸为4.12m×5.03m，出口段为软弱围岩、松散土、类砂土状，风化层较厚，其稳定性极差，设计采用小导管超前注浆和复合式衬砌技术。
2 基本地形、地质条件
2.1 地形资料
2 号隧洞位于新州河左岸，洞轴线走向N83°E；隧洞位于碎屑岩相地区，为侵蚀中低山地类型。山体呈鱼背脊状，
弯曲而狭长，普遍覆盖殘坡积层，植被发育，草木丛生，沟谷发育。
2.2 地质资料
2 号隧洞出口地形坡度较平缓，岩性为灰褐色薄～中厚层状砂岩和极薄～中层状泥岩夹层或互层，覆盖层厚度约
3～5m。强风化带厚度一般为50～55m，岩体较为破碎，局部泥岩全风化呈土状，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，围岩不稳定～
极不稳定。
工程区出露地层为三迭系中统新苑组下段（T2x1）地层，岩相变化复杂，分布面积广。地层可分为上部和下部：上部（T2x1-2）为薄～中厚层砂岩、粉砂岩夹薄～中层状泥岩夹层或互层；下部（T2x1-1）为薄～中厚层砂岩、粉砂岩夹薄～中层状泥岩夹层或互层，顶部为砂岩、含泥质灰岩夹泥岩。
3 加固支护及洞口超前支护设计
3.1 洞口超前小导管和锁口墙
在洞口设计开挖线以上50mm 先打两排间距500mm 小导管，其环向间距为300mm,外径为φ42mm, 壁厚3.5mm，小导
管前端加工成锥尖状，管壁每隔200mm 交错钻φ8mm 的小眼孔，最后一排眼孔离管末端的距离大于1000mm，钢管长度为6m,其中有5m 钳入岩石内，1m 埋在锁口墙内，从而防止进洞时隧洞冒顶,为进洞创造安全的条件。锁口墙长度2m，高出洞顶2m,锁口墙两侧及靠近洞脸一侧的开挖边坡为1:0.3,使锁口墙和超前小导管联合受力，起到既可以防止洞脸边坡滑塌，又可以降低洞脸边坡的双重作用。
3.2 洞脸边坡支护和加固
锁口墙浇筑完成后，从锁口墙顶按1:1.25 开挖边坡进行开挖，并对边坡进行加固，加固方法是：先按竖直方向打
Φ25mm＠1500mm×1500mm 的砂浆锚杆(锚杆打到洞顶开挖轮廓线为止)，再浇筑厚250mm 的C25 混凝土,混凝土内配双层Φ12mm＠200mm×200mm 的Ⅱ级钢筋网，并将砂浆锚杆和钢筋网焊牢。为了避免边坡受到雨水的冲刷，对边坡进行锚喷保护,保护方法是：先按垂直坡面方向打Φ25mm＠1500mm×1500mm的砂浆锚杆(锚杆长度为3000mm)，再配挂网钢筋φ8mm＠250mm×250mm,最后在挂网钢筋上喷100mm 厚的C25 混凝土。洞脸边坡还设置φ50＠3000mm×3000mm 排水孔，孔深为1500mm 。加固支护及洞口超前支护详见图1、图2 及图3。
4 洞身超前支护及复合式衬砌
由于围岩软弱破碎、自稳定能力差，因此进洞施工时采取了“短进尺，弱爆破、少扰动”的措施。作为临
时支护的超前小导管是不能保证隧洞的正常运行的，因此为了保证隧洞的正常运行，尚需采用喷锚支护和钢拱
架复合式衬砌。图3(A 型断面)和图4(B 型断面)是两种不同的衬砌型式。 (1)图3(A 型断面)的衬砌型式：完成洞脸边坡支护及洞口管棚施工即可浇筑洞口锁口墙混凝土，待锁口墙混凝土养护时间充足后方可进行隧洞洞内的开挖，洞内开挖时不可一次开挖到位，应采用自上而下的正台阶式开挖(上部的开挖水利技术监督 2004 年第6 期
高度为2514mm)，拱顶开挖完后应立即初喷20mm 厚的C25混凝土以封闭掌子面，再安装用工字钢Ⅰ140 加工而成的上层钢拱架, 钢拱架排距为750mm；然后打拱顶砂浆锚杆Φ25mm＠750mm×1500mm（排距×环距）,L=3500mm，并和钢拱架焊紧焊牢,同时进行钢筋挂网(φ8＠250mm×250mm)，挂完钢筋网后即可喷140mm 厚的C25 混凝土封闭钢拱架及砂浆锚杆；上部初期支护完后，方可进行隧洞下部的开挖及初期支护的施工,其方法和上部相同。待下部初期支护完后，即可进行下一个循环的初期支护施工(一次进尺为1500mm)，同时进行本循环的二期支护施工，二期支护的衬砌厚度为300mm 的C20 混凝土，混凝土内配置纵向钢筋Φ12＠200mm×200mm,环向钢筋Φ16＠200mm×200mm。
图1 2 号隧洞支护处理纵剖面图 图2 锁口墙断面图(桩号7+341.900～7+343.900)图3 2 号隧洞支护处理断面图(A 型断面) 图4 2 号隧洞支护处理断面图(B 型断面) (桩号7+335.900～7+341.900) (桩号7+258.900～7+338.900)
(2)图4(B 型断面)的衬砌型式：进洞3m 以后先沿拱部开挖线布置向外倾斜、仰角为8°的超前小导管φ42mm＠
1500mm×300mm（排距×环距）,L=3500mm , 安装完小导管后即可按图4(B 型断面)衬砌型式中的洞内初期支护及二期支护。
(3)两种衬砌型式的设计参数如表1 所示。
(4)两种衬砌型式可按如下工序施工。
A 型断面的施工工序：施工洞脸－施工洞口管棚－浇筑洞口锁口墙－上层隧洞开挖－拱顶初喷20mm 厚喷混凝土－
上层钢拱架安装－拱顶径向砂浆锚杆安装－挂网－喷混凝土封闭钢拱架及砂浆锚杆－下层隧洞开挖－下层钢拱架安装－喷混凝土封闭钢拱架。B 型断面的施工工序：超前导管施工－上层隧洞开挖－拱顶初喷20mm 厚混凝土－上层钢拱架安装－拱顶径向砂浆锚杆安装－挂网－喷混凝土封闭钢拱架及砂浆锚杆－下层隧洞开挖－下层钢拱架安装－喷混凝土封闭钢拱架。
表1 2＃隧洞两种衬砌型式设计参数表
支护结构 A 型断面 B 型断面
初喷C25 混凝土厚度 20mm 20mm次喷C25 混凝土厚度 140mm 140mm砂浆锚杆钢筋Φ 25mm ＠ 750mm × 1500mm （ 排距× 环
距）,L=3500mm
钢筋Φ25mm＠750mm×1500mm（排距×环距）,L=3500mm
钢筋网 钢筋φ8＠250mm×250mm 钢筋φ8＠250mm×250mm
钢拱架 工字钢Ⅰ140(排距为750mm) 工字钢Ⅰ140(排距为750mm)
小导管
钢管φ42mm＠1500mm×300mm（排距×环距）,长度
L=6000mm,厚度δ=3.5mm,仰角θ=0°
钢管φ42mm＠1500mm×300mm（排距×环距）,长度
L=3500mm,厚度δ=3.5mm,仰角θ=8°
5 砂浆锚杆设计
如前面所述，2 号隧洞出口段的岩体较为破碎，局部泥岩全风化呈土状，围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类，围岩不稳定～极不
稳定。为了增加洞挖的成洞率和围岩的稳定，在洞身范围内设计水泥砂浆全粘结式锚杆，其设计要点如下。
(1)杆体材料为Ⅱ钢筋，钢筋直径为25mm。
(2)杆体钢筋的保护层厚度不应小于8mm。
(3)水泥砂浆的强度等级不应低于M20。
(4)在施工过程中，若遇到自稳时间短的围岩，可以考虑用早强水泥砂浆锚杆。
(5)锚杆的排距为750mm,环距为1500mm,锚杆长度为3500mm,锚杆在顶拱126.9°范围内呈梅花形布置。
(6)锚杆体使用前应平直、除锈、除油。
(7)砂浆中的砂应采用中细砂，并且保证其粒径不大于2.5mm，使用前应过筛。
(8)砂浆的重量配合比：水泥比砂为1:1～1:2，水灰比为0.38～0.45。
(9)砂浆应拌和均匀，随拌随用。一次拌和的砂浆应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入；注浆开始或中途
停止超过30min 时，就用水或稀水泥浆润滑注浆罐及其管路；注浆时，注浆管应插到距孔底50～100mm,随砂浆的
注入缓慢匀速拔出；杆体插入后，若孔口无砂浆溢出，应及时补注。杆体插入孔内的长度为3450mm,锚杆安装完
后，不得随意敲击。
6 超前小导管设计
为了保证施工进度及施工过程中的安全，在围岩破碎的隧洞设置超前小导管。
6.1 超前小导管的特点
(1)小导管超前注浆中可以形成管棚和围岩联合超前支护体系，提高岩体自身稳定性，抑制围岩松弛变形。
(2)注浆质量易于控制，工艺操作简便，工人容易撑握。
(3)由于工期紧迫，可以通过调整浆液凝固时间，缩短工序时间。
(4)小钢管材源广，易采购。
6.2 小导管的设计要点
(1)杆体材料应用Q235 钢材制作，钢管的外径为42mm,钢管壁厚为3.5mm。
(2)洞脸小导管的长度为6000mm,其中5000mm 插入岩体内，1000mm 埋在锁墙的混凝土中；第一排小导管距洞顶开
挖线50mm，第二排小导管距第一排小导管500mm,小导管的环向间距为300mm。
(3)洞内小导管的长度为3500mm, 钢管的外径为42mm,钢管壁厚为3.5mm；小导管排距750mm,环距为300mm；小导
管在顶拱126.9°范围内呈梅花形布置,小导管应穿过钢拱架顶部并向外倾斜，仰角为8°，纵向相邻两排小导管的水平投影搭接长度为2000mm。
(4)注浆压力控制在1.0MPa 以下，并在孔口处设置止浆木塞；或接橡胶软管，用铅丝麻绳绑扎，防止孔口跑浆。
(5)注浆材料采用水泥浆＋水玻璃双浆注浆。其配比为：水泥浆水灰比1:1～0.5:1；水玻璃的模数以2.8 左右为宜；
水泥浆和水玻璃的体积比为1:1～1:0.3。通过调整配合比控制初凝时间。小导管的注浆工序见图5。
7 钢拱架设计
由于喷锚支护具有较大的柔性变形，为了防止围岩过大变形而拔出锚杆引起隧洞的坍塌，所以隧洞围岩开挖后的早
期支护要求具有较大刚度，以承受因围岩变形而释放的部分松驰荷载，但是此时的二期支护因工期紧，未能及时施工而无法发挥其作用，故在初期支护中采用钢拱架是完全有必要的。钢拱架可以用钢筋或型钢加工：用钢筋加工造价底，但施工比较繁锁，影响工期；用型钢加工造价高，但施工较简单，其和锚杆焊牢，能及时抑制围岩的变形；经过权衡利弊，采用工字钢Ⅰ140 加工钢拱架。考虑到钢拱架的施工和安装的方便，采用了一榀3 个单元行现场加工。钢拱架施工图如图6、图7 及图8 所示。
8 结 语
布东水电站2 号引水隧洞出口段通过临时的超前支护及复合式衬砌，为进洞创造了条件。根据进洞后揭露出来的
地质条件，没有超前支护，要在洞内施工几乎是不可能的；而采用超前支护后，出口段的施工期需1 个月的时间，缩短了施工工期，更是为进洞施工提供了安全保障，从而创造了社会效益和经济效益。
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