水利工程隧洞衬砌及喷锚支护加固施工技术的应用研究

水利工程隧洞衬砌及喷锚支护加固施工技术的应用研究

陈德跃

云南建投第一水利水电建设有限公司，云南昆明650000

摘要：在水利工程的施工过程中，隧洞衬砌及喷锚支护加固施工技术的应用非常广泛，能够通过混凝土衬砌施工与喷锚支护施工的有机结合，最大限度的提高水利工程隧洞结构的稳定性与安全性，为水利工程的稳定高效运行提供保证。但是，无论是混凝土衬砌施工，还是喷锚支护施工，都具有一定的复杂性和专业性。只有对这一综合施工方式的应用予以深入的分析，才能够借助其技术优势，提高水利工程隧洞的稳定性，延长水利工程的使用寿命。

关键词：水利工程；隧洞衬砌；喷锚支护；施工技术

在水利工程的施工过程中，隧洞衬砌施工以混凝土结构的应用为主。因为这种施工结构能够显著强化洞体的稳定性，减少岩层崩塌等问题的出现。在混凝土结构的基础上，辅助以喷锚支护加固施工技术，能够利用锚索加固或高压喷射混凝土的方式，对岩体稳定性进行提高，从整体上提高洞体的抗压性能和抗拉性能。目前，隧洞衬砌及喷锚支护加固施工技术已经成为水利工程施工中最重要的一种施工方式，对于整个水利工程的施工质量影响都非常大。

一、水利工程隧洞衬砌施工技术的应用

（一）锚杆施工

在水利工程的隧洞衬砌施工中，锚杆施工技术的应用需要注意以下几方面。

1.锚杆选择

施工人员需要对隧洞围岩的结构特征、种类进行分析，对施工过程中需要使用的钻孔方法和钻孔机具型号等进行明确，并在此基础上选择出最合适的锚杆工具[1]。其次，对锚杆工具的材质与种类进行控制，对锚杆的长度与直径等参数进行合理的设定，确保锚杆的插孔长度超过锚杆总长度的35%。

2.锚杆预处理

在正式开始锚杆施工之前，施工人员需要对锚杆工具的规格、尺寸、外观质量等进行严格的检查，剔除其中存在质量缺陷的锚杆工具。另外，施工人员还需要对锚杆工具表面附着的灰尘、污渍和锈迹进行彻底的清除，对存在弯曲问题的锚杆工具进行校对、拉直处理。

3.成孔质量控制

在成孔质量控制方面，需要注意以下几方面。首先，施工人员需要借助手风钻机等设备，在现场合适位置钻出多个孔洞，对成孔质量进行检查，确保孔洞的相邻间距、钻社位置、孔径、孔深以及孔壁垂直度等指标符合相关施工要求。其次，将锚杆工具插入孔内，测量锚杆插孔深度，并根据实际情况进行调整。最后，将注浆管插入孔内，然后再利用注浆管将水泥砂浆均匀的注入孔内，待水泥砂浆凝结硬化。

4.确定锚孔施工顺序

在隧洞衬砌施工过程中，需要先进行锚杆施工，再进行混凝土喷射施工，确保锚喷支护体系能够在隧洞洞身顺利形成。如果隧洞围岩比较特殊，或者分布着大量的Ⅳ、Ⅴ类围岩，就需要紧跟开挖面，先进行混凝土喷射施工，再进行锚杆施工，最后再进行复喷施工。这样，可以先在隧洞围岩结构表面形成一层混凝土层，为锚杆施工和混凝土喷射施工操作的顺利进行打好基础，保证隧洞围岩结构的稳定性。

（二）混凝土喷射

在混凝土喷射施工过程中，需要注意以下几方面。首先，为了降低施工材料对隧洞衬砌施工质量的影响，需要在正式开始施工之前，对混凝土材料进行试拌操作。在这一过程中，需要先进行小批量混凝土的制备，将混凝土试样送到专门的实验室进行性能检测。然后再将检测结果与混凝土的性能指标放在一起进行对比分析，并根据分析结果优化混凝土的配合比，强化混凝土材料的性能质量。例如，控制各种原材料用量比例、调整拌合水的ph值、优化水泥材料性能等，都是有效的强化混凝土材料性能质量的有效措施[2]。其次，做好隧洞围岩的清理工作，将施工现场散落的松散围岩、障碍物以及其他不利于喷射施工的物品进行彻底的清除，为混凝土喷射施工的顺利进行提供保证，以免松散围岩掉落，对施工进度的正常推进以及施工人员的生命安全产生威胁。再次，严格控制混凝土喷射施工的速度、压力以及混凝土层厚度等参数，缩小混凝土喷射施工的误差，加强混凝土喷射施工质量的控制。如果发现某些部分存在混凝土脱落开裂等问题，要采取相应的补喷措施。最后，加强混凝土层表面的压实整平处理，做好混凝土的养护管理，防止混凝土凝结硬化过程中出现裂缝问题。

（三）衬砌施工

在衬砌施工过程中，需要注意以下几方面。首先，在正式开始施工之前，需要对隧洞喷锚支护体系进行重点检查，并根据实际情况采取针对性的体系加固措施，确保喷锚支护质量能够达到水利工程隧洞的施工要求。例如，可以对混凝土喷层表面的裂缝问题进行重点检查，根据裂缝的宽度和深度大小，采取相应的修补措施。目前，最常用的裂缝修补方法有两种：一种是表面封闭法，另一种是内部修补法[3]。其次，参照水利工程的施工图纸，利用水准仪等专业设备进行测量放样，使隧洞衬砌结构中线、断面和标高等数据明确，然后再根据实际情况进行排堵水，消除衬砌表面渗水问题。之后，再从隧洞底板开始，逐步向顶板和拱顶方向进行混凝土的浇筑施工。在这一过程中，需要对混凝土的浇筑施工速度进行严格的控制，以免浇筑速度过快，增大施工裂缝问题的出现几率。最后，加强混凝土的养护管理，将适量水淋洒到混凝土结构表面，并将混凝土内部与外部的温差控制在25°以内。当混凝土试块强度达到一定标准后，再进行脱模。图1为隧洞衬砌模板

。

图1 隧洞衬砌模板

二、水利工程隧洞喷锚支护加固施工技术的应用

（一）水利工程隧洞喷锚支护加固的重要性

在喷锚支护加固施工技术还没有在水利工程隧洞施工中得到普及的时候，施工人员会利用喷射混凝土的方式，对洞室和隧洞围岩进行加固处理。在施工技术不断升级与创新的今天，隧洞喷锚支护加固施工技术通常会与后期隧洞模筑钢筋混凝土结合在一起。施工初期阶段的喷锚支护加固施工过程中，会将大量的金属砂浆锚杆依次打入到隧洞围岩当中。在这一过程中，金属锚杆、砂浆喷层、二次砂浆衬砌结构以及围岩喷层等会逐步形成一个相互作用的整体，隧洞围岩的结构稳定性也会得到整体性提高。图2为喷锚支护加固示意图。

图2 喷锚支护加固示意图

（二）隧洞喷锚支护加固施工技术的要点

在水利工程隧洞喷锚支护加固施工过程中，其施工质量容易受到具体支护结构的影响。一般情况下，隧洞结构与隧洞岩体之间的联系十分紧密。不同的岩体有着不同的受力结构。岩体受力结构发生变化之后，岩体结构的稳定性就会明显降低。只有对隧洞岩体的类型与结构特征进行深入的分析，并选择合适的施工方式，才能够为隧洞结构的稳定性与承载力提供保证。需要注意的是，隧洞喷锚支护加工技术的应用，会对隧洞岩体的受力情况产生影响，使岩体发生形变。只有同时兼顾隧洞岩体结构的分析与支护结构布局的优化，才能够对围岩形变进行控制，实现隧洞施工质量的稳步提升。

1.隧洞结构

在水利工程隧洞施工过程中，隧洞围岩与支护结构都是隧洞结构的重要构成，对整个隧洞工程的施工进度推进与施工安全管理有着直接的影响。如果施工人员的隧洞开挖行为，对隧洞岩体产生了破坏，就需要利用隧洞衬砌施工，将岩体结构补充完整，然后再利用金属锚杆工具，将隧道衬砌结构与围岩整理成一个不可分割的整体结构，提高岩体结构的完整性与隧洞结构的稳定性[4]。需要注意的是，围岩在空气中暴露的时间越长，其受到风化作用的影响就越大，稳固性就越差。一旦遭遇地质灾害，就有可能出现围岩脱落、隧洞坍塌等事故。而加强初期喷锚支护加固施工，提升衬砌结构与围岩之间的连接紧密性，能够最大限度的强化围岩结构的稳定性。

2.支护结构

为了将隧洞衬砌结构与围岩有效的连接在一起，需要对喷锚支护加固施工技术进行重点应用。在具体的喷锚支护加固施工过程中，支护结构应当与围岩紧密的连接在一起，二者之间不仅不能存在任何缝隙，还要拥有一定的弹性。在弹性系数控制方面，不仅要防止弹性过大，影响围岩的负载能力，增加隧洞施工过程中的风险隐患；还要防止弹性过小，使围岩形变时，支护结构的完整性受到影响。

（三）隧洞喷锚支护加固施工质量控制

1.控制爆破

在水利工程隧洞施工中，要想加强喷锚支护加固施工质量控制，需要通过控制爆破的方式全断面一次开挖成型。这样，不仅可以降低施工过程对围岩的扰动，提升隧洞岩体的稳定性与承载能力，还可以降低施工成本消耗。

结合以往的软岩开挖隧洞实践经验，发现与传统的“分部”开挖施工方式相比，一次爆破成洞施工的最大优势就是最大限度的保障了围岩结构的稳定性。但是，在爆破环节，不仅要遵循“浅孔密布”原则，还要通过少装药、短进尺等方式来降低爆破过程对周围围岩、地表建筑及周围地层的扰动[5]。尤其是在左右线隧洞同时施工的过程中，必须要对光爆层厚度、炮眼间距和装药量等进行严格的控制，在后期爆破开挖阶段，也要尽量降低相关操作对先行隧洞已成结构的扰动。另外，如果第三系岩层的强度比较低，可以采用人工开挖法。因为这种开挖方式对于围岩结构的扰动更小。但是，与钻爆法相比，人工开挖法的施工效率过低。

2.支护紧跟掌子面

围岩变形过于明显是围岩遭到破坏的主要原因。要想提高围岩结构的稳定性，必须要加强支护体系的控制，确保在喷锚支护施工中，支护体系紧跟掌子面。在支护施工中，要遵循“快速开挖”“先护后挖”“边挖边护”“超前支护”等原则。只有一掘一支护，稳步推进喷锚支护加固施工进程，并对岩面进行快速封闭，对变形进行有效控制，才能够保障喷锚支护加固施工技术的有效应用。另外，第三系岩层成功后的变形程度比较大，且掌子面周围6m范围内，围岩变形量占总变形量的80%。并且，随着施工时间的延长，围岩的变形程度还会更加严重。所以，施工人员需要在与掌子面相邻近的区域进行喷锚支护加固施工，尽可能的消除围岩变形过大等问题的出现。

3.分期喷锚及设置仰拱

软弱围岩的变形发展速度非常快，所以在构建支护系统的过程中，需要确保其与掌子面之间的距离不超过1--2m。只有这样，支护系统结构的应用优势才能够充分发挥出来。喷锚支护是一种非常先进的支护方案。在水利工程隧洞施工中，围岩结构承受的应力比较大，必须要对支护体系的应用予以高度的重视。但是，在隧洞开挖之后，第三系岩体的分布区域容易出现明显的围岩变形问题，且变形时间持续比较长。如果以围岩、支护相互作用的原理为指导，采用一次完成刚性大的永久支护，过早的约束围岩，那么将会使支护结构承受更大的荷载，甚至出现严重的弯曲受损问题。所以，在实际的支护加固施工中，需要进行两次支护加固施工，即初期支护和后期支护

[6]。在初期支护施工过程中，需要使用锚喷支护方式，并将喷层厚度控制在100mm以下。在后期支护施工过程中，需要使用锚喷支护方式或者其他类型的支护方式，并将混凝土厚度控制在150--200mm之间。需要注意的是，初期支护的主要目的是为围岩结构提供充足的支护抗力，减少围岩结构松散破坏问题的出现，并允许围岩结构发生一定程度的变形，使围岩结构的自支承作用充分发挥出来。而后期支护的主要目的是维持水利工程隧洞的长期稳定运行。如果遇到第三系岩体，建议将“柔性薄层喷混凝土+锚杆支护”的方式作为最主要的初期支护方式。而在后期支护施工中，则要适当的提高支护抗力，为隧洞的长期稳定运行提供保证。

在完成土方开挖的第一时间，要进行第一层混凝土的喷射。喷射施工紧跟开挖工作面，混凝土终凝到下一次循环的时间应当控制在3h以内。之后，再进行边墙锚杆施工。在这一过程中，需要确保锚杆的长度超过塑性区厚度。如果塑性区厚度过大，则需要同时应用长锚索和普通锚杆。如果在施工过程中遇到软弱地段，需要采用“喷锚支护+钢拱架”的联合支护施工方案，将钢拱架和喷锚打造成一个整体。在“不被减断”的前提下，对锚杆布置密度进行控制[7]。通过梅花型布置方式的应用，为后续锚杆加密提供便利。在软岩岩体隧洞边拱或边墙得到加固之后，整个围岩的自承能力与实际作用应力值都会提高。但是，为了减少隧洞墙角内移、支护结构受损等问题的发生，还需要对仰拱封底设置予以高度的重视，以保证支护抗力的提升，围岩结构稳定性的增强。

4.维持喷锚支护系统的完整性

与硬岩相比，软岩中的喷锚支护加固施工更为特殊。维持喷锚支护系统的完整性，有利于整个喷锚支护体系作用的发挥。所谓喷锚支护系统的完整性，指的是整个断面应当具备一定的连续性。采用洞室全断面一次开挖成型，能够为喷锚支护系统的完整性提供保证。另外，如果必须要采用“分部”开挖操作，则需要做好施工设计与施工安排，加强混凝土喷射施工质量的控制。图3为混凝土喷枪操作示意图。

图3 混凝土喷枪操作示意图

三、结语

综上所述，在水利工程隧洞施工过程中，无论是隧洞衬砌，还是喷锚支护加固施工，都是非常重要的施工环节。但是，绝大多数的水利工程隧洞施工都处于地理环境复杂、不可控因素较多的偏远山区，施工难度相对较大。只有对隧洞衬砌施工技术与喷锚支护加固施工技术进行科学合理的应用，才能够借助其技术优势，提高水利工程隧洞的施工质量。

参考文献：

[1] 熊昕. 水利工程隧洞衬砌及喷锚支护加固施工探讨[J]. 黑龙江水利科技,2023,51(10):46-47,62.

[2] 王文峰. 综合物探在水利工程隧洞衬砌质量检测中的应用分析[J]. 城镇建设,2021(1):161,208.

[3] 范世运,王赫. 水利工程输水隧洞施工开挖与衬砌技术研究[J]. 东北水利水电,2021,39(9):26-27,35.

[4] 任金成. 水利工程输水隧洞施工开挖砼衬砌技术[J]. 农业科技与信息,2017(11):127-128.

[5] 常军. 水利工程输水隧洞施工开挖砼衬砌技术[J]. 农业科技与信息,2016(4):144-144,147.

[6] 耿忠. 水利工程隧洞混凝土衬砌裂缝的防范措施[J]. 中国水能及电气化,2014(7):19-21.

[7] 刘旭静. 岩石边坡锚喷支护的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版）,2015(18):132-133.