引水隧洞加固处理施工技术

某电站引水隧洞加固处理施工技术浅析

1. 概述

工程施工存在的主要问题及原因分析

某水电站引水隧洞穿越段为泥盆系中统上段,主要为灰色千枚岩，遇水微微膨胀变软。因洞室超挖过大，原施工单位采取用片石、风带布回填超挖部分，并使用石棉瓦安装在拱架外侧以便加快施工进度、减少材料用量，导致支护与洞身没有结合，出现大面积空洞。致使洞内出现有支护掉块、开裂、变形、塌方。

2. 对引水隧洞进行加固处理的方案

1）在原变形、开裂段浇筑底板混凝土，其中底部位设工字钢横撑段浇筑20cm厚C20素混凝土；底部设有工字钢横撑段浇筑25cm厚C20钢筋混凝土，采用Φ16螺纹钢筋，纵向布置，间距20cm。沿洞轴线方向间隔1米加设1根锚筋有钢横撑段加设3根锚杆，进行加固处理。

2）在原塌方段利用取芯钻孔进行回填灌浆。

3. 有关加固处理的施工技术措施

拆换钢拱架施工方法：

洞身扩挖：采取人工配合风镐进行扩挖，初喷混凝土：开挖到设计要求后，清除危石及清理干净岩面，喷4cm厚混凝土封闭岩面。铺设钢筋网、安装钢支撑、锁脚锚杆：钢筋网人工洞外加工，洞内人工安装。安装过程中采用钢钎将网片顶至密帖岩面，然后将网片焊接在锚杆上固定。钢筋须经试验合格，使用前要除锈，在洞外分片制作，安装时搭接长度不小于15cm。人工铺设，利用锚杆连接牢固。钢支撑采用在洞外加工，按设计尺寸均下料分节制作，同时考虑开挖预留的尺寸，保证每节的弧度与尺寸均符合设计要求，节与节之间用钢板、螺栓连接牢靠，在加工过程中必须严格按设计要求制作，做好样台、放线、复核和试拼，并作上号码标记，确保制作精度。钢支撑按设计要求安装，安装尺寸允许偏差：横向和高位为±5cm，垂直度±2度，间距±10cm。钢支撑的下端设在稳固的地层上，拱脚高度低于上部开挖底线以下15~20cm。拱脚开挖超深时，加设钢板或混凝土垫块。安装后利用锁脚锚杆定位。超挖较大时，拱背喷填同级混凝土，以使支护与围岩密贴，钢支撑与初喷混凝土务必紧密接触。但应留3~4cm间隙作混凝土保护层，控制其变形的进一步发展。钢支撑与钢支撑之间采用Φ25的钢筋纵向连接，间距严格按设计要求施做，钢支撑应与设计径向锚杆的尾部焊接牢固，以便形成整体受力结构。

锚杆与喷射混凝土结构见下图：

钢支撑施工工艺流程图:

钢支撑施工工艺流程图

锚杆施工：

系统支护采用砂浆锚杆主要设置在拱、墙部位，施工时采用风钻钻孔，机械配合人工安装锚杆，水泥砂浆终凝后安设孔口垫板。施工工艺见“砂浆锚杆施工工艺流程图”。

喷射混凝土施工工艺: 喷砼工艺流程如下图：

回填灌浆:

在灌浆部位就近搭建临时制浆站供浆，每个站内配备1台ZJ-400型高速搅拌机制浆，1台J-600型搅拌机储浆，1台BW200型中压泥浆泵输浆。采用水灰比为1:1的纯水泥浆液，浆液经过均匀

砂浆锚杆施工工艺流程图

喷射砼施工工艺流程图

搅拌，搅拌时间不少于30s。输浆流速控制在1.4～2.0m/s，自制备至用完的时间小于4h。浆液温度保持在5～40℃。低温季节浆液保温措施：当环境气温低于4℃时，对拌浆用水进行加温后再用于施工，由于本段注浆量不大，可以在洞外将水加热后运到现场，并用温度计对水温进行控制,加热水温不超过40℃。对输浆管路采取在管路上绑扎棉絮的方法，对浆液进行保温，不致使浆液结冻或浆管破裂，保证施工进度和施工质量。施工脚手架洞内灌浆部位用φ48架管搭设简易脚手架进行施工。

施工顺序及施工方法:

回填灌浆主要是对洞室顶拱支护和围岩间的空隙进行回填，施工工艺如下：

钻孔:本段注浆利用取芯时钻好的孔。灌浆:灌浆方法及设备：采用孔口阻塞纯压式灌浆法施工,灌浆设备采用BW200型灌浆泵。浆液配比：灌注水灰比1:1水泥浆液。灌浆压力：0.2--0.3MPa。灌浆因故中断时，及早恢复灌浆。中断时间大于30min的设法清洗至原孔深后恢复灌浆。灌浆结束后对外流浆或往上返浆的灌浆孔进行闭浆待凝，待凝时间不少于24h或按监理人指示的时间进行闭浆待凝。灌浆结束和封孔:在规定压力下，灌浆孔停止吸浆，并继续灌注10min即可结束灌浆。灌浆结束后，先关闭孔口闸阀，再停泵，待孔内浆液终凝后再拆除孔口闸阀。灌浆孔灌浆作业结束后，清除孔内污物，采用浓浆将全孔封堵密实并抹平。割除露出混凝土表面的埋管。

质量检查:1）在该部位灌浆结束7天后，便可进行质量检查。灌浆结束后，按要求将有关资料提交监理人，以便确定检查孔的孔位，检查孔的数量为灌浆孔总数的5%。2）采用钻孔注浆法进行回填灌浆质量检查，向孔内注入水灰比为2:1的水泥浆，在规定压力下，初始10min的注入量不超过10L为合格。否则按监理人指示或批准的措施进行处理。3）检查孔钻孔注浆检查结束后，采用水泥砂浆将钻孔封填密实，并将孔口压抹平整。

底板混凝土施工:钢筋混凝土结构用的钢筋应符合热轧钢筋主要性能的要求。每批钢筋均应附有产品质量证明书及出厂检验单，在使用前，应分批进行钢筋机械性能试验。钢筋的表面应洁净无损伤，油漆污染和铁锈等应在使用前清除干净。带有颗粒状或片状老锈的钢筋不得使用。钢筋加工的尺寸应符合施工图纸的要求,加工后钢筋的允许偏差不得超过规范要求。钢筋焊接和钢筋绑

扎应按相关规定以及施工图纸的要求执行。钢筋安装采用散装方法：采用汽车运至洞内，人工进行安装。钢筋的安装位置、间距、保护层及各部分钢筋大小、尺寸均按照施工图纸的规定进行，其允许偏差控制在《水工混凝土施工技术规范》（SDJ207-82）要求的范围内。现场钢筋的连接采用搭接手工电弧焊焊接，钢筋接头分散布置，并符合设计及相关规范要求。现场所有焊接接头均由持有相应电焊合格证件的电焊工进行焊接，以确保质量。锚筋的制作和安装:锚筋采用∮25螺纹钢筋制作，钻孔采用YT-28手风钻。锚筋孔注浆前应进行清洗，插入锚固剂后，在锚固剂初凝前应将锚筋加压插入到要求的深度，并加振或轻敲，确保砂浆密实，锚筋安装后不能与任何物体接触，直到所填锚固剂达到足够强度。

浇注混凝土:水泥采用峨塔牌P.042.5R,砂石料取自业主指定的料场，配合比为：水：水泥：砂：碎石=1:1.54:3.52:5.28。塌落度55mm。根据目前的施工条件采用接收的滚筒式混凝土搅拌机拌合，5T载重汽车运输，人工入仓。混凝土浇筑前，清除底板上的杂物、泥土等，夯实平整碎石垫层。混凝土振捣采用Ф50插入式振动棒振捣，振捣时间以混凝土不再显著下沉、不出现气泡并开始泛浆时为准。混凝土浇筑时保证仓面表面潮湿，避免积水，对于面层混凝土另采用平板振动器振捣，辅以人工抹面。施工缝面处理，每50米预留1条水平伸缩缝，采用沥青填塞。混凝土养护，采用洒水养护，如果温度过低采取覆盖养护。养护时间不少于14天。混凝土缺陷处理，混凝土表面蜂窝凹陷或其他缺陷按监理工程师意见认真进行修补。修补前采用钢丝刷或加压水冲洗清除缺陷部分，或凿去薄弱的混凝土表面，用水冲洗干净，采用比原混凝土强度等级高一级的砂浆、混凝土或其他填料填补缺陷处，并抹平压实和按期养护。

加固后洞室监测数据:

数据分析:

通过收敛观测发现，整个变形到稳定可以通过下面约束原理来说明：

图中横坐标是隧道毛洞内壁的径向位移u r；图中上半部的竖直坐标是洞室内壁在围岩原始应力作用下的径向压应力δr ，或支护施加于洞壁的反力P ，二者大小相等，方向相反；下半部的竖直坐标为时间t。曲线①代表洞室侧壁径向位移u r与侧壁径向压力δr的关系曲线。开挖后先经过一段直线段，即弹性变形阶段。释放应力增长到一定阶段，周边出现塑性变形，径向位移增长加快，线段进入曲线。塑性区域不断扩大。塑性区范围内出现松弛压力，曲线向上翘曲。如果围岩的强度高，不产生塑性变形或不发生松弛应力，则不出现曲线和翘曲。曲线②是支护反力Pt 与洞壁径向位移u r的关系曲线。随着洞壁径向位移的增加，支护反力也随之增加。曲线②与曲线①的交点A表示支护反力与围岩作用力相平衡，洞壁位移不再发展。此时支护受到的平衡地压力为P 。曲线③采用的支护刚度过大，交点为 B，支护所受的平衡地压力为P 。曲线④支护时间过晚，交点为C，此时支护将要承受较大的松弛地压力P 。图中曲线⑤是洞壁位移“随时间变化的曲线，可以通过监控量测得到，更为直观。其中第1阶段是围岩无约束自由变形阶段；第Ⅱ阶段初期支护开始起作用，洞壁位移减缓；第Ⅲ阶段从支护形成封闭结构开始，支护移趋于稳定，不再增长，进入第Ⅳ阶段。第一次量测之前的位移值常常得不到，应设法弥补。如果支护安设时间过晚，则“位移-时间”曲线因受不到支护阻力将快速度增长，如曲线⑥。当位移超过A 点的位移值后，由于坑壁松动范围的增加，很有可能坍塌或因坑壁压力加大而使支护破坏。曲线⑤可供施工人员判别围岩和支护变形是否趋于稳定，是一种非常重要的信息，也是新奥法一个重要的环节，可以实际量测得到。

4.结语

根据加固后洞室监测数据分析，该隧洞围岩与支护变形趋于稳定，加固处理达到了理想的效果。洞室支护根据不同的地质状况采用不同的施工方法，本工程在充分考虑该隧洞存在的问题后，采用钢撑、喷砼、砂浆锚杆及回填灌浆结合施工的支护方法，使支护与洞身良好结合，有效的解决了洞内原支护空洞、掉块、塌方等问题，洞室整体稳定，排除了安全隐患。

参考文献：

《莲花水电站1号引水隧洞补强加固处理》作者：李言龙《引水隧洞不良地质段高压固结灌浆及锚杆加固工程》作者：郝洪禄夏可风等