溢洪道复合式衬砌中喷锚支护的作用及施工工艺探讨

-1-溢洪道复合式衬砌中喷锚支护的作用及施工工艺探讨【摘要】本文以贵州乌江洪家渡水电站溢洪道复合式衬砌中喷锚支护实际施工为例,对喷锚支护在不同围岩中的作用及施工工艺进行了探讨。【关键词】喷锚支护锚杆喷射混凝土施工工艺一、工程概况洪家渡水电站是乌江梯级龙头电站。电站装机容量600MW，保证电力171.5MW，多年平均电量15.94亿kW.h。洪家渡水电站位于贵州织金县与黔西县交界处，电站距贵阳158km，距东风水电站公路里程70km。其溢洪道为大断面隧洞，开挖断面在350m2左右，洞底净宽14m，洞净高21.54m，长754.543m(我项目部施工长度654.25m)，纵坡7.5%，断面为城门洞形，洞身一期支护喷钢纤维混凝土、锚杆等工程，洞身衬砌为钢筋混凝土，衬砌厚度为0.8m～1.2m。洞室沿轴线地面高程1010m～1300m，埋深20～260m。对于如此大的断面施工，以喷锚支护为主的施工支护在隧洞初期阻止围岩变形、承载围岩压力、保护施工安全中所起的作用是决定性的。本文就洞室复合式衬砌施工中，喷锚支护的作用及其施工工艺进行探讨。二、喷锚支护的作用复合式衬砌中，永久衬砌是在初期喷锚支护趋于稳定后再施工的，喷锚支护在衬砌未施工前的这一时段里，能够与围岩一起形成具有一定强度和柔韧性的受力体系，其作用可从锚杆及喷射混凝土两个方面来考虑。1锚杆的作用首先，锚杆对围岩有悬吊作用。锚杆可将危石与稳定围岩联结，防止个别危岩的掉落或滑落，加固局部失稳的岩体。-2-其二，对于水平或缓倾斜的层状围岩，锚杆能把数层岩层连在一起，增加岩体各层间的抗剪能力，增大层间摩擦阻力，形成“组合梁”效应，从而提高围岩自稳性。第三，锚杆对围岩的加固作用。其加固原理如图1所示。锚杆施工后围绕每根锚杆均产生了一个稳定地带，其形状大致象一个锥体(如图1(a)所示)。锚杆之间的岩体则以各稳定带为支柱，互相支撑而形成拱效应(如图1(b)所示)，从而提高围岩自身的承载能力。锚杆加固围岩后所产生的应力场是复杂的，对于锚杆的支护作用，不能孤立的按三种作用来分析，而应是各种作用综合的结果。2喷射混凝土的作用喷射混凝土对围岩的作用表现在以下几个方面：1)对围岩的支承作用。喷层能与围岩密贴和粘接，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强度恶化，阻止不稳定岩块体的塌滑。2)“卸载”作用。喷层早期强度较高，并具有一定的柔性，能及时向围岩提供抗力，可有控制的使围岩在不出现有害变形的前提下，进入一定程度的朔性，从而使围岩“卸载”。3)填平补强围岩。喷射混凝土可填充围岩裂隙及围岩表面凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘接在一起，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘接锚杆(a)PBB图1δB锚杆B喷砼(b)加固带-3-力、摩阻力，有利于防止围岩松动，避免或缓和围岩应力集中。喷层还能形成覆盖围岩表面、防风化和一定止水作用的防护层，并能阻止节理裂隙中充填物质的流失。4)分配外力的作用。通过喷层把锚杆、钢架等支护形式联成整体，并把外力传给锚杆、钢架等，使整个支护结构均匀受力。三、不同围岩喷锚支护的施工通过以上的作用分析，喷锚支护的施工即是要让喷锚支护体系与围岩一起共同受力，从而发挥其最大的支护作用。在实际施工中，就应面对围岩的变化，要合理的安排喷锚支护的施工，充分发挥喷锚的作用。现将洪家渡水电站溢洪道施工中喷锚支护施工情况介绍如下：1Ⅳ类围岩喷锚支护施工洪家渡水电站溢洪道，其Ⅳ类围岩为九级滩泥页岩地段，受地质构造影响严重，节理发育，围岩呈碎石状压碎机构。隧洞开挖后，围岩变形以朔性变形为主。为防止围岩变形过大而导致隧洞坍塌，在施工时，喷锚支护紧随开挖进行，采取锚喷与开挖交互进行的工序进行支护施工。首先施工系统锚杆和初喷混凝土，加固围岩。锚杆施工时尽量使锚杆方向垂直于岩面及层理面。这样施工的好处在于使锚杆受力方向与围岩变形方向一致，同时也可使锚杆穿过的层理数最多，增强锚杆对围岩的组合梁效果。锚杆尾端预车丝口，并用螺栓将锚杆垫板锚于尾端，增强锚杆对围岩的悬吊能力及其与其他支护的联结。锚杆施工后进行初喷，这样完成对围岩的初期支护，将围岩变形限制在安全范围内。其次施工钢筋网及格栅钢架，复喷混凝土。钢筋网可增加喷混凝土的柔韧性及抗裂性，格栅钢架则可增加支护体系的刚度。施工地点离开挖掌子面约相距10~15米，施工时间相距约24小时左右。此时围岩变形量显著减少，通过后序支护施工，使整个喷锚支护体系与围岩紧贴密实，形成能够限制围岩变形、一具有足够强度及柔韧性的支护体系。2Ⅱ、Ⅲ类围岩喷锚支护施工-4-Ⅱ、Ⅲ类围岩整体性较好，围岩位移量较少。喷锚施工可安排先锚再喷的次序进行。此时锚杆主要对围岩起悬吊加固作用，先施工个别裂隙围岩及节理发育围岩，保证施工安全，再进行系统锚杆及喷射混凝土施工，封闭围岩，防止围岩风化剥落。喷射混凝土与掌子面间距一般控制在30~80米左右，支护效果较好。3破碎围岩地段喷锚支护施工隧洞软弱破碎地段施工，多具有易碎易塌及富水性。对此种围岩施工，单纯的喷锚支护已满足不了施工要求。这时，就要结合其他支护方式进行综合的喷锚支护施工。以下为在具体的施工中对此类地段的施工方法。对于长度小于3米、破碎程度不大的地段，可结合局部超前锚杆进行支护施工。此时超前锚杆的作用是形成两端支点在较好围岩、中部在破碎围岩中的简支梁。将钢筋网挂点在超前锚杆上，并立即进行喷混凝土施工，使喷锚支护在破碎带处形成纵向及环向均受力较好的成片成环的支护结构。对于较大破碎带的施工，其施工方法原理同上。只是其超前锚杆调整为受力更好的管棚，个别地段还需采取安装格栅钢架、墙背注浆等辅助措施。4一般围岩段喷锚支护施工的最佳效果隧洞喷锚支护施工必须本着成环成片的原则，结合现场实际施工情况，使支护结构形成整体受力体系，才能发挥其最佳支护作用，保证施工安全。喷锚支护施工时锚杆径向施工则可发挥锚杆支护的最佳效果，从而整体提高喷锚支护的效果，这个结论可从分析中看出：1)由锚杆对围岩的加固作用上分析（图1所示），锚杆径向施工所形成的拱效应，其范围是最大的，相应的，隧洞周围围岩所形成的“护拱”其厚度亦是最大的，支护作用最强；2)围绕径向锚杆能够形成一环向连续的加固带(图2(b)所示)，其对围岩的加固效果好于其他非径向锚杆(图2(a)所示)；3)径向锚杆受力方向与喷混凝土的受力方向一致，最大限度的发挥了锚杆与喷混凝土共同受力的性能，从而提高了喷锚支护的效果。-5-四、喷锚支护施工工艺隧洞喷锚支护施工工艺比较多，洪家渡水电站溢洪道，其锚杆设计采用砂浆锚杆，喷射混凝土采用湿喷钢纤维混凝土。下面就对喷锚支护的施工工艺作一介绍。1砂浆锚杆砂浆锚杆其加工及施工都很简单、支护能力好。砂浆锚杆以其经济适用性，在隧洞支护施工中广泛运用。其施工工艺如下：锚杆钻孔采用水电钻。注浆采用注浆泵，人工打入锚杆。2湿喷钢纤维混凝土溢洪道喷射钢纤维混凝土采用TK961(6m3/h)型湿喷机进行喷射施工。其施工工艺如下页图所示：打锚杆眼砂浆拌制锚杆及垫板加工、除锈施工准备注浆泵灌注砂浆人工打入锚杆砂浆强度达到要求锚杆垫板安装锚杆图2锚杆喷砼加固带(b)(a)-6-湿喷优点是回弹量大幅减少，混凝土强度均匀，喷射效果较好，同时能够较好解决隧洞施工中的粉尘问题。在实际喷射施工中，从喷混凝土质量控制、减少回弹率、及降低粉尘等方面进行控制，取得了较好的效果。1)对喷混凝土原材料的选择。使用的石料采用粒径小于15毫米的瓜米石，喷层表面平整，取得了较好的喷射效果；2)对喷混凝土配合比进行科学选配，这是控制喷混凝土质量及回弹率的不合格喷锚工作平台就位岩体表面处理，厚度控制湿喷机开机准备配料拌和测定骨料含水率水钢纤维粗骨料筛分混合料运输塌落度检验细骨料筛分合格钢纤维拌和均匀合格不合格围岩渗水渗水处理喷射砼液体速凝剂无有找平停机湿喷钢纤维砼施工工艺流程图-7-关键。湿喷混凝土要求有较大水灰比以提高其流动性，满足喷射要求，施工时水灰比控制在1:0.55左右；3)喷射前对喷射表面进行检查，看是否有松动围岩，若有则先予清除；并用电钻在边墙及拱部按2×2米的间距梅花钻10厘米深小孔，孔内锚以20厘米长短钢筋作为检验喷层厚度的参照物。用水或高压风管将岩壁面的粉尘和杂物冲洗干净，湿润喷体表面，增强喷层与围岩的粘接。4)喷射时将喷嘴作小圆圈慢速移动并垂直于工作面，保持喷嘴与岩面约1米左右的距离。喷射混凝土顺序先墙后拱，岩面不平时，先喷凹处找平。在边墙部份为自下而上，从左到右或从右到左，并注意呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按顺序进行，旋转半径一般为15cm，每次蛇行长度为3～4m。在拱部拱脚至拱腰处，自下而上。拱腰至拱顶由里（有混凝土处）向外进行喷射混凝土施工。5)喷射混凝土后2小时左右即向喷混凝土表面喷射高压水雾进行养护，养护时间不小于7天，可明显减少喷混凝土收缩开裂。6)在施工中对于影响喷射质量的人的因素加强控制。设置专业喷射手并对其进行培训,使射手掌握好喷射的角度距离及水量大小的控制；同时，通过喷体的力学试验检验喷混凝土质量：制作了45×35×15厘米的木模，用岩石切割机切割成10×10×10厘米的标准试件进行力学试验。五、喷射作业的组织喷射混凝土施工，由现场施工员调配装载机将湿喷机拉至施工地点进行施工，已喷射混凝土处距离开挖掌子面的距离控制在30～60米。喷混凝土人员组织如下表所示：序号名称人数1班长1人2搅拌机司机1人3搅拌机上料3人4运输司机1人5喷射手2人6湿喷机上料2人7共计11人-8-六、结束语随着科技的不断进步，隧洞喷锚支护技术亦在不断发展中，在施工时一定要根据隧洞施工的具体情况，选择先进适用的支护技术，达到对支护性能及经济效益的最佳组合。