浅谈隧洞洞身超前及初期支护

浅谈隧洞洞身超前及初期支护

张骞

中国葛洲坝集团第三工程有限公司陕西西安710065

摘要：随着支护设备、材料和工艺的不断改进创新、大型水利水电工程实践与应用，极大促进了水工隧洞支护技术的发展与进步。通过近二三十年我国水利水电工程科学的进步和工程建设的发展，提高了我国地下工程的施工技术水平，现在已经从引进、消化、吸收再创新向集成创新转变。基于此，本文主要对隧洞洞身超前及初期支护进行分析探讨。

关键词：隧洞洞身；超前及初期支护

1前言

将围岩作为与支护结构联合工作的承载体，是水工隧洞设计理论的进步，充分利用围岩自身承载能力进行隧洞支护已经是水工隧洞设计、施工和运行人员的共识。隧洞支护设计施工中应充分发挥这种能力。当前，大型水工隧洞普遍采用新奥法施工，其关键技术是采用喷混凝土和锚杆进行适时支护。

2水工隧洞初期及超前支护技术

目前我国对水工隧洞围岩稳定性的分析评价主要有工程地质法、数值分析法和模型试验法。相应地，水工隧洞支护设计可以归纳为工程类比法、理论分析法和现场监控设计法。

水工隧洞工程的初期支护形式与围岩类别、隧洞的工况、隧洞的大小、开挖形式及支护的材料和设备有着密不可分的关系。其支护手段一般分为喷混凝土、锚喷混凝土、锚网喷混凝土和锚网结合钢支撑（或格栅钢架）喷混凝土等。针对软弱破碎围岩，为确保施工安全，常常在掌子面进行超前支护，其方法一般包括：超前锚杆、超前小导管、管棚、围岩注浆等手段。需注意的是，水工隧洞工程的初期支护要根据围岩的稳定性差异，明确应采用柔性支护、强预支护及超前支护的适用范围。

2.1锚喷支护

我国水利水电工程自20世纪60年代初开始大量采用锚喷支护。钢纤维和聚丙烯微纤维喷混凝土的应用，替代了传统的挂钢筋网喷混凝土；岩土锚固技术的发展及各种新型锚杆的研发，结合分层分块的优选及预加固技术，为不良地质条件下大型水工隧洞安全施工提供了技术保障。

（1）管式锚杆和自钻式注浆锚杆的应用。

1）管式锚杆是由钢筋锚杆派生出来的。短的管式锚杆一般称为小导管，用于隧洞开挖的超前支护，并可通过小导管对围岩进行注浆。长的管式锚杆一般称为管棚，用于不良地质条件下的隧洞洞口顶拱支护，并注浆固结围岩，例如某干渠工程隧洞进、出口为Ⅳ类无胶结的砂砾料层，且洞口放坡后覆盖层薄，均需进行管棚施工。管棚布置方式为：边顶拱喷护范围180°内，间距30cm，长度4m，灌浆压力0.5～1.0MPa。

2）自钻式中空注浆锚杆是在隧道顶拱、侧壁及仰拱处的边坡、深基坑侧墙处等安装的一种支护手段。该种锚杆与喷射混凝土共同作用，形成拱承载环、土钉墙、微型桩、岩锚，产生承载力。例如某干渠工程隧洞由于洞身埋深较浅，开挖料含水大且松散，开挖时易出现脱拱坍塌现象，采用Ф25自钻式超前注浆锚杆，锚杆长2.5米，导向管Ф50钢管，L=0.5米；布置方式为：以顶拱中心为准，沿径向两边各2米弧长范围内布置，间距20厘米；锚杆搭接长度为50厘米。

（2）湿喷钢纤维混凝土技术。

喷钢纤维混凝土同一般喷射混凝土相比，它具有韧性好、适应变形能力强和良好的抗渗性、耐久性等优点，起到代替钢筋网或钢筋的作用，并与围岩及时、完全结合，充分发挥围岩自承能力，从而减少围岩变形，保证围岩稳定。但由于钢纤维的加入，在喷层中往往有部分垂直层面的钢纤维露出层面，平行于层面的钢纤维也有部分附于喷层表面，易于锈蚀，因此需要在其喷层表面再喷3～5cm混凝土加以保护。例如小湾水电站导流隧洞特大断层F7断层带开挖支护施工中喷钢纤维混凝土设计厚度为25cm，在其喷层表面再喷3～5cm混凝土加以保护。此外聚丙烯纤维喷混凝土、聚合物改进喷混凝土在水工隧洞支护中也得到一定应用。

（3）不良地质洞段支护技术。Ⅴ类围岩、断层带、断层影响带、卸荷带及节理密集带，由于岩体软弱破碎，再加上构造影响，开挖后变形发展迅速，仅靠钢筋网、锚杆及喷混凝土支护不足以抵抗围岩有害变形的发展，需要采取刚性较大的联合支护措施，才能抑制有害变形的发展。联合支护包括钢拱架、锚杆（含预应力锚杆和管式锚杆等）、钢筋网喷混凝土支护，这是目前我国水工隧洞在不良围岩开挖施工中常用的方法。

2.2格栅钢架与型钢拱架支护

格栅钢架与型钢拱架支护都可以归为钢支撑一类，但两者的力学作用是完全不同的。前者，只有与喷混凝土并用，才能发挥其支护的作用，而且不能立即发挥其支护作用；而后者可以立即、独立地发挥承载作用。

3大型水工隧洞施工超前支护工程实例

3.1苗尾水电站导流隧洞进口段开挖超前支护

苗尾水电站导流隧洞进口渐变段最大开挖断面为22．50m×21．15m（宽×高），强倾倒变形及顺坡向缓倾角的卸荷裂隙是制约导流隧洞开挖安全，保证洞室稳定的关键因素。为保证进口开挖的安全、稳定，采取了一系列超前支护措施：①在1335．50m高程马道设置5排悬吊锚筋桩，设置规格为3φ28@2．0m×2．0m梅花型布置，长度按照穿过洞身衬砌轮廓线不小于25cm控制（长度范围L=15～24m），并利用悬吊锚筋桩孔进行坡面固结灌浆，灌浆压力为0．2～0．5MPa。②完成洞脸坡面系统支护后，对导流隧洞进口顶拱120°范围以内进行超前支护，距离开挖顶拱轮廓线外50cm，环向布置间距为50cm，深度L=20．0m的大管棚，管棚内径为90mm，壁厚15mm，整体管身布置钻孔（孔径为φ20mm）为后续灌浆预留通道。后续灌浆指标：压力0．3～0．8MPa，水灰比0．4～0．8，采用间歇性灌浆。③距离大管棚外侧1．0、2．0m环向位置分别布置环向间距为@1．0m、@2．0m，规格为3φ28，L=9．0m/12m间隔布置的锁口锚筋桩，入岩角度上倾5°～10°，并利用锚筋桩孔进行灌浆，灌浆压力为0．2～0．5MPa。④为进一步对顶拱环向部位进行较为彻底的固结，在完成大管棚、锁口锚筋桩施工后，在距离外侧锁口锚筋桩外侧85、170cm，分别布置一排环向深孔固结灌浆孔，环向孔距2．0m，孔深20m，灌浆压力0．2～0．5MPa。具体超前支护形式见图1。