水工地下隧洞开挖支护时间

隧洞开挖施工方法由岩体质量、洞室断面的大小等因素决定，不同围岩类别的、断面大小的洞室开挖方法不一样。

对于小断面围岩较好的情况，一般选用全断面开挖；对于中小断面的围岩差的洞室采用短台阶法开挖；大断面较好围岩长台阶、分层分部开挖；大断面较差围岩超前导洞法或者留核心土法施工。

对于不同围岩条件开挖时，采用喷混凝土、挂网锚喷、超前锚固、管棚、钢支撑等措施进行加固围岩。

本文作者长期在生产一线从事洞室开挖施工，根据多年的实践对不同围岩条件下的开挖施工出现的塌方、安全支护等特殊情况下的施工措施进行总结，提供其他洞室开挖施工中可以借鉴的经验。

二、围岩产状、自身承载时效与塌方部位的关系岩石走向、倾向、倾角“三要素”组成岩石产状。

洞轴线与岩层走向的关系，是决定塌方部位的首要因素。

围岩类别不同，自身承载时效不同，超过自身承载时效就塌方，这是塌方发生的客观条件和规律。

选用适宜的开挖方式与安全支护措施是确保安全、经济的关键。

以水平层状的Ⅲ类岩石为例，论岩石自身承载时效与塌方部位的关系。

Ⅲ类水平岩层，自身承载时效在七天至一个月之间，容易塌方部位是两拱肩。

掌握岩石自身承载时效与塌方部位，就明确了锚护的重点部位。

洞挖过程根据重点部位适时锚护，保证开挖过程安全、经济。

不了解这类岩石的特性，忽视对两拱肩的重点锚护，超过岩石自身承载时效，两拱肩开始塌方，洞子形成平顶形状，进而引发洞顶的塌方和冒顶。

特别是大直径隧洞，处理回头塌方，不仅施工难度大，而且增加投入和延误工期。

Ⅲ类直立岩体，围岩夹制作用最小，而自身承载能力最强，有利于洞挖爆破及安全作业。

当岩层走向与洞轴线一致时，岩石自身承载能力变弱，对洞挖爆破及安全作业不利。

这类岩层走向的塌方规律，先从两边洞邦向洞轴线方向鼓出，进而岩层折断垮邦。

越垮洞室的跨度越大，洞顶的压力越大，岩石自身承载能力无法支撑越来越大的压力，加速塌方和冒顶。

这就是大冒顶的原因。

了解了这类岩石的特性，知道塌方部位和时间，在洞挖过程中，及时锚护两边洞邦，就有效预防了洞顶的塌方和冒顶。

Ⅲ类岩层向右倾倒60-80度左右，左洞邦向洞轴线方向鼓出，进而岩层折断塌方。

右拱肩顺岩层滑塌。

这类岩层走向的隧洞，锚护的重点部位是左洞邦和右拱肩。

同样是原理，岩石向左倾倒，锚护的重点倒位置。

以上代表性的不同岩层走向的塌方部位，在Ⅲ类岩石上是如此，在各类相同岩石走向的岩石上，塌方的部位是相似的，只是岩石自身承载时效不同。

至于各类岩石不同的自身承载时效，相对应的安全支护措施在下一节专题论述。

三、各类围岩自身承载时效与安全支护在隧洞工程开挖中，岩石类别决定岩石自身承载能力的强弱与岩石承载时间的长短。

水电系统围岩类别分五类，简短地说，Ⅰ类岩石完整、坚硬，自身承载时间最长，隧洞成形后岩石自身能承载一年以上不塌方。

Ⅴ类岩石最软，一般比较破碎，自身承载时间最短，在一小时以内。

在Ⅰ类围岩洞挖施工，经过光爆处理洞壁，岩石自身承载一年以上不塌方。

一般情况下，在Ⅰ类围岩不需要安全支护，岩石自身能够承载。

Ⅱ类围岩稍差，自身承载能力在半年以内。

根据Ⅱ类岩石自身承载时限，一般洞挖工程都设计打插筋，φ22钢筋，长度3.0m左右，孔距1.5m左右，排距2.0m之间，梅花型布孔。

沿洞圈打不同角度的注浆锚杆，是围岩形成与插筋长度相同厚度的岩石自身承载环，就能满足洞挖工程的安全。

Ⅲ类围岩自身承载能力在七天至一个月之间。

因此，除按Ⅱ类岩石标准打注浆锚筋外，岩石比较完整的要素喷混凝土，拱肩以上10cm，拱肩以下5cm；岩石破碎，有水洞段要加筋挂网，密度15cm×15cm，与插筋焊接，再喷混凝土。

使洞圈与插筋相同厚度的岩石自身承载环整体受力，才能满足洞挖工程的安全。

Ⅳ类围岩是比较软弱的，岩石自身承载能力在几个小时至一天时间以内。

打插筋，挂钢筋网的标准与Ⅲ类破碎岩石相同。

部分岩石破碎，有地下水的洞段要加钢格栅支撑。

挂钢筋网的密度10cm×10cm。

喷锚的混凝土一般要求填加钢针或纤维，增加混凝土强度。

喷锚厚度为：拱肩以上15cm，拱肩以下10cm。

有水洞段要及时打排水孔减压，才能满足Ⅳ类围岩上洞挖工程安全。

Ⅴ类围岩是最软弱的，易风化的岩石组成。

即使完整的Ⅴ类岩石，自身承载能力也在1小时以内。

倾倒、破碎、有地下水的Ⅴ类围岩，不经灌浆等辅助措施，岩石自身很难承载。

这是在某水电站导流洞进口段倾倒、破碎、有地下水的Ⅴ类围岩施工实践总结的结论。

在上述条件下进行洞挖，进洞前先用迈式锚杆沿开挖线偏外5cm超前锚固、钢筋挂网、喷混凝土、灌浆封掌子面。

进洞以后，偏开挖线外5cm打设32mm迈式锚杆，孔距40cm，每次超前钻进6.0m，灌浆后掘进。

这类岩石极软，开挖方式为：拱肩以上部位多用风镐打，镐头挖，个别较大浆块、石块采用小炮松动爆除。

每次掘进80cm至100cm，初喷混凝土5cm左右，制止岩石分化和石渣塌落。

安装钢格栅，沿钢格栅打3m环行迈式锚杆，与钢格栅焊接，使3m厚度围岩自身承载环整体受力。

钢筋挂网10cm×10cm，二次喷射混凝土，拱肩以上15cm，拱肩以下10cm。

环行迈式锚杆灌浆后，岩石自身承载环成形。

在倾倒、破碎、有地下水的Ⅴ类岩石上支护，尽管各种安全支护措施并用，在岩石自身承载环没有形成之前，特别洞顶个别吃不到浆的部位，在施工过程中仍会出现塌方的情况。

塌方高度在0.5m左右，用石块即使填塞密实，喷射混凝土与塌方面紧密接触，可制止继续塌方。

塌方高度超过1.0m，为减轻拱架压力，在拱架上加钢支撑，拱架与钢支撑之间、钢支撑与钢支撑之间、钢支撑与前一榀拱架之间、拱架与拱架之间焊接成相互受力，并把来此洞顶的压力向洞邦引伸，贴岩石面挂钢筋网，喷混凝土封闭，可制止塌方。

塌方高度超过2.0m，要先制止周边不再继续塌方，特别注意引发冒顶。

根据塌方形状，，采用不同形式支护。

拱架上加钢撑，钢撑上再加拱架，拱架上再加钢撑顶到岩石面，前后左右焊接成整体，贴岩石面挂钢筋网，喷混凝土封闭，方可制止塌方。

这种双层拱支撑的要点，是要从第二层拱架上把压力引伸到洞邦去，压力向外伸展，不直压拱架，确保洞邦不继续塌方。

双层拱分载压力，可有效防止洞子冒顶。

另一种支撑方式，是在拱架上制作摆方木的平台，前后左右与岩石面顶紧，左右方向制作支撑点，把压力引向洞邦，用方木摆井字形，面积大的摆田字出头形状，各出头点顶紧周边岩石，扒钉连接成整体，喷射混凝土，使方木各出头点与岩石面紧密接触，确保周边不继续垮塌，就制止了冒顶。

洞子冒顶后的形状多是宝塔山形。

每次首先垮塌的部位是周边。

周边越垮越宽，洞顶才会越冒越高。

控制冒顶，好比“围魏救赵”，能控制住周边不继续垮塌，就控制住了冒顶。

支撑是同样的道理，重点是周边。

隧洞承载靠围岩自身，倾倒破碎的岩石也是如此。

打超前锚杆、环形系统锚杆、钢格栅支撑、挂钢筋网、喷混凝土、灌浆等，都是辅助岩石形成自身承载能力。

辅助措施其本身承载能力并不高，每平方米10吨左右，要平衡受力，而承载围岩山体压力，主要靠岩石自身承载环。

环形系统锚杆在岩石自身承载环中起主要作用。

钢格栅、钢筋网、喷混凝土、灌浆对环形系统锚杆起辅助作用。

在倾倒、破碎、有地下水的Ⅴ类围岩上搞洞挖，安全工作的重中之重在环形系统锚杆打设上。

四、不同围岩类别洞挖施工方法洞挖应针对岩石的类别、自身承载时效、塌方部位科学确定开挖方式。

像洞径在7m左右，围岩自身承载时效在半年以内的Ⅰ、Ⅱ类岩石，选择全断面一次掘进，就是合理的开挖方式。

Ⅲ类围岩自身承载时效在七天至一个月之间。

为了减轻爆破对围岩的破坏，增强岩石自身承载能力，先中间、后周边的全断面掘进，就是切合实际、高效的开挖方式。

先中间就是留出光爆位置作为保护层，中间先放一炮，人为的把光爆最小抵抗线引向内圈。

第二茬炮中间与周边光爆同时进行，能有效保护围岩不受破坏，光爆半孔完好率有些可达到100%。

辅助岩石自身承载的措施，主要是沿洞圈打不同角度的注浆插筋，使围岩形成自身承载环。

围岩自身承载环辅助形成措施，就是确定合理的支护方式。

最简单的方法根据洞壁上光爆半孔完好率来确定：半孔完好率能保留90%以上，打注浆插筋就能自身承载；低于80%要辅助素喷混凝土，拱肩以上10cm，拱肩以下5cm；低于70%要挂钢筋网、喷混凝土，拱肩以上15cm，拱肩以下10cm，才能形成岩石自身承载环。

Ⅳ类围岩自身承载时效是几个小时至一天时间。

为确保洞挖安全，先上部再下部的分层开挖是适宜的方法。

分层就降低了掌子面的高度，减小了面积，也就相应地降低了塌方的几率。

Ⅳ类岩石洞挖，一般情况是要打环形系统锚杆、挂钢筋网、喷混凝土，个别岩石破碎、有地下水洞段加钢格栅支撑，辅助围岩形成自身承载环。

先进行上半部分开挖与安全支护，确保洞顶安全后再进行下半部分开挖和安全支护是Ⅳ类围岩中洞挖的科学方法。

Ⅴ类围岩自身承载时间最短，在1小时以内。

倾倒、破碎、有地下水的洞段，岩石自身很难形成承载环。

在Ⅴ类围岩上搞洞挖，辅助岩石形成自身承载环是关键。

打迈式超前锚杆，铆钉拱肩以上部位。

用迈式锚杆中心通道向岩层灌浆，粘连、固定破碎岩渣。

这一措施可承载洞深0.8~1.0m以内的压力，超过1.0m就很危险。

因此在倾倒、破碎、有地下水的Ⅴ类围岩上洞挖，开挖方式是短进尺、弱爆破、强支护。

短进尺是根据Ⅴ类围岩自身承载能承载的最大深度，每茬炮掘进深度不宜超过1.0m。

弱爆破是洞挖爆破过程不等破坏超前锚杆以外的浆粘岩渣。

强支护是每掘进0.8m到1.0m，先初喷混凝土，制止岩石风化塌落，支撑钢格栅、打环形迈式系统锚杆与钢格栅焊接、挂钢筋网、再次喷混凝土，二次喷射厚度：拱肩以上15cm，拱肩以下10cm，环形迈式锚杆灌浆。

这些辅助围岩自身承载的措施全部做到位以后，围岩自身承载环能形成。

根据Ⅴ类围岩的自身承载时效对安全支护的要求，全断面掘进成功几率较低。

因掌子面高、面积大，很难控制塌方引发的冒顶。

分层开挖，每次掘进的深度只有0.8m到1.0m，不便钢拱支撑。

错台2~3m，上下同时掘进，是安全可靠、方便支撑、减少工序的开挖方式，是Ⅴ类岩石上首选的洞挖方式。

五、结束语本文对围岩产状与塌方部位、围岩类别、围岩自身承载时效、自身承载环的辅助形成与安全支护及开挖方法方面的实践经验进行总结，以期提供合理、科学解决洞挖工程中安全支护与开挖方法的实践依据，供同行探讨与学习。