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水工隧洞围岩稳定及支护结构优化研究

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：石磊

[导读] 摘要：引水隧洞是水电站工程的重要施工内容，其施工的质量和效率将直接影响水电站工程的施工进度，因此在引水隧洞的施工过程中，施工单位应结合施工现场的环境特点合理应用开挖施工技术，同时要做好相应的支护措施，确保施工的质量安全。

        陕西省水利电力勘测设计研究院西安 710001
        摘要：引水隧洞是水电站工程的重要施工内容，其施工的质量和效率将直接影响水电站工程的施工进度，因此在引水隧洞的施工过程中，施工单位应结合施工现场的环境特点合理应用开挖施工技术，同时要做好相应的支护措施，确保施工的质量安全。基于此，本文主要探讨了水工隧洞围岩稳定及支护结构优化。
        关键词：水工隧洞；支护结构；稳定
        引言
        水工项目隧洞的建设，应在明确所处水文地质环境条件基础上，开展设计与施工优化控制工作。事实证明，只有这样，才能将最具适用性的隧洞图纸方案作用于实践，进而促进所处工程施工建设的整体性与科学合理性。
        1隧道围岩稳定性分析
        1.1初期支护受力状态
        在进行隧道开挖时，分析初期支护受力及变形状态需要考虑两个阶段：①开挖完成后刚施做初期支护时初期支护的受力状态，②下一进尺开挖后围岩的应力状态，以及开挖对初期支护的影响。
        开挖完成后刚施做初期支护时初期支护的最大主应力和最小主应力分布云图，可见最大主应力为769kPa。同时，最小主应力为6.60MPa，位于隧道两侧拱脚区域。
        1.2围岩变形状态及等效塑性应变
        在进行隧道开挖时，分析围岩变形状态及等效塑性应变需要考虑两个阶段：①开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变，②下一进尺开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变。
        开挖完成后围岩的位移和等效塑性应变云图，隧道会发生不明显的拱顶沉降和底部隆起，最大竖向位移为0.99mm。同时，隧道最大等效塑性应变为1.24×10-3，最大等效塑性应变出现在隧道两侧拱脚附近区域。总体来看，围岩位移较小，围岩的等效塑性应变较小。
        开挖完成后围岩的位移和等效塑性应变云图中分析隧道会发生不明显的拱顶沉降和底部隆起，最大竖向位移为1.36mm；同时隧道最大等效塑性应变为1.36×10-3，最大等效塑性应变出现在隧道两侧拱腰区域。
        1.3掌子面变形状态及等效塑性应变
        在进行隧道开挖时，分析掌子面的变形状态及等效塑性应变只考虑一个循环内开挖完成后围岩变形状态及等效塑性应变。开挖完成后掌子面的位移和等效塑性应变云图，可见掌子面的位移呈现出由开挖轮廓线向内逐渐增大的趋势，最大位移为1.33mm，位于掌子面中间区域。同时，掌子面的最大等效塑性应变为6.14×10-4，等效塑性应变位于掌子面中下区域[1]。
        2水工隧洞施工优化
        2.1支洞施工优化
        施工优化控制过程中，相关人员应将缩短工期、排渣以及提高通风与排烟效果作为工作重点。具体来说，为避免施工对所处环境的建筑物造成一系列不稳定影响，支洞施工应将设置的合理性作为优化控制重点，以避免造成不必要的建设成本。施工优化人员应根据水库工程建设的实际情况与所处周边建筑环境，来提高支洞施工方案运用的科学合理性。
        2.2开挖施工机械化控制
        机械化作为满足水库工程隧洞施工进度要求的关键，施工优化人员应从实践角度出发，对开挖与钻孔设备进行优选，以提升其作用于施工场地实际情况的安全可靠性。经对以往隧洞施工情况进行分析，发现多臂钻孔设备的施工速度较快，风钻设备的施工速度较慢。但受隧洞施工环境多样性的影响，多臂钻设备的作用效果较低，风钻因其在施工场地占用空间小，可高效作用于开挖施工过程。基于此，施工优化应采用先挖洞后施工方式，通过增加风钻设备数量，来提高钻孔作业与施工整个阶段的效率[2]。

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        2.3爆破循环施工优化
        隧洞施工过程爆破是不可避免的，施工技术人员应根据所处的作业条件对爆破参数进行针对性调整，以保证爆破不会对所处围岩结构造成过多影响。进尺，作为爆破施工控制的重要指标参数，施工优化人员应结合实际情况与规范标准，使进尺参数作用处于最佳循环控制状态。
        3支护结构优化措施
        3.1支护锚杆施工要点
        施工人员首先应利用全站仪等设备准确测放钻孔位置，对孔位要进行明确标示。在完成钻孔施工后，可以通过压力风对钻孔内进行清理，确保孔内无杂物残留。清孔施工完成后要及时对孔口进行封闭。在锚杆施工时应通过人工插杆技术将预制锚杆安装到位，在制作锚杆时应严格按照设计长度来利用砂轮机等进行加工。在通过人工方式进行插杆作业时，施工人员应合理控制锚杆插入的深度和垂直度。
        如果锚杆长度较长时则可以结合扒杆等工具来辅助施工，以确保插杆准确牢固。在注浆施工时应合理控制砂浆配比，一般水泥和砂的比例应控制在1：1~1：2之间，而水灰比则应控制在0.45：1~0.38：1的范围内。沉放PVC管时应将其与孔底的距离控制在50~100mm左右。在注浆过程中应保持注浆连续，且应合理控制拔管速度，确保操作缓慢均匀，并应在注浆完成后及时将锚杆居中插入塞实。
        3.2混凝土泵支护方法
        混凝土泵隧洞支护方法就是利用设备把混凝土不间断地输出，其中输送管道主要是由冲天尾管、排气管以及导管三部分组成。混凝土引水隧洞支护方法主要是经过基础面（施工缝处理）、模板工序、止水、伸缩缝以及灌浆管安装、混凝土浇筑等六道工序来完成。此外，在施工过程中需要注意以下几点：当混凝土筑浇到顶拱仓面的时候，必须及时撤出内部所有工具；筑浇到与施工人员同样高度的时候施工人员必须立即撤离至安全地方，确保施工人员的人身安全；为了提高施工效率，浇筑工作完成以后可以选择适当加大混凝土泵的功率，加快施工进度；混凝土泵在运行过程中必须保持管道通畅，隧洞支护与开挖工作必须同步交叉进行，以防止混凝土泵出现故障导致窝工状况发生[3]。
        3.3架设钢支撑施工技术要点
        为了保证钢支撑架设的稳定性，在其安装位置应将原地基的0.15~0.2m左右保留，为后续的基脚槽钢安装提供便利条件，同时可以达到增强地基承载性能的目的。在架设钢支撑施工时，应将槽钢设置于钢支架基脚位置，且应严格控制钢支撑的安装精度，安装误差不得超过允许的范围。在钢支撑施工完成后要对其安装质量进行检验，并将槽钢凹槽架设在墙角或者拱脚的钢支撑上。如果其和初喷层之间存在较大的缝隙，可以采取设置垫块的方式来确保围岩和钢支撑紧密结合，且应将其间距不得超过50mm。
        3.4防护网施工技术要点
        在安装防护网施工时，施工人员应首先对基座基础的平整性以及相关坡角的倾斜度进行检查，且基座顶面应比地面略高，然后在贴合地面处设置支撑绳。由于坡角不同，因此对基座面角度的要求也存在一定的差异。当坡角小于45°时，基座面应保持水平；而当坡角超过45°时，基座应外倾约15°左右。施工人员应结合施工现场的实际情况来控制基座面和系统立面之间的夹角角度。在安装拉锚绳以及钢柱时应严格控制安装精度，且应设置4个以上的绳卡来对拉锚绳进行固定，以确保钢柱方向准确。在安装支撑绳施工时，应采取交错方式利用绳卡将2根穿入挂座的支撑绳固定在挂座外侧位置，且应将钢柱和减压环之间的距离控制在0.5m左右。在铺挂钢丝绳网施工时，要防止其联结在钢柱上，且应与周边网边缘和支撑绳相互联结，将支撑绳以及缝合绳缠好[4]。
        结束语
        引水隧洞的施工环境往往比较复杂，其施工过程中会受到多种客观因素的影响，对施工技术有很高的要求。因此施工单位要加强对施工现场环境以及地质水文条件的勘察，提高施工技术应用的合理性。为了保证引水隧洞的施工安全，在开挖的同时要做好相关的支护工作。在施工过程中要准确把握各项技术要点，以确保工程施工进度的顺利推进。
        参考文献
        [1]张朝磊.水电站引水隧洞开挖及支护施工技术[J].河南建材，2020（1）：3-6.
        [2]郝永兴.水电站引水隧洞开挖及支护施工技术[J].四川水泥，2019（11）：245.
        [3]李丰现.水电站引水隧洞开挖与支护的施工技术[J].工程技术研究，2019，4（5）：86-87.
        [4]刘榴.分析水利工程引水隧洞开挖支护施工技术[J].科技创新导报，2018(10).