水布垭尾水隧洞开挖支护技术Word格式文档下载.docx
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4隧洞开挖与临时支护
4.1施工布置
1#交通洞进洞口接工区4#道路，进口底板高程230.0m，该洞为城门洞型，洞宽8.4m（含两侧各0.5m排水沟），洞高7.5m。
1#施工支洞由1#交通洞约190m处分岔，终点为尾水洞，全长660m，城门洞型，尺寸8×
6m。
供、排水管沿1#交通洞和1#施工支洞侧壁敷设，采用4"
钢管。
洞内施工排水主要采用两台22KW（75m扬程）抽水机集中抽排。
在洞内和洞外各布置了一个施工用电配电所和空压站。
在1#施工支洞一侧布置一台800KVA变压器及其配电设施；
开挖1#、3#尾水洞时，首先在2#尾水洞进洞位置（上游渐变段）开挖形成空压房（尺寸：
长×
宽×
高=12х8х6m），布置4台20m3/min固定式电动空压机和相应的配套设施。
在1#施工支洞内已形成的直径为1.4m通风竖井下方。
布置了一台2×
37KW轴流风机，配1m直径软管，供1#、3#尾水洞开挖支护施工通风。
1#、3#尾水洞上层贯通后，在马崖高边坡230排水洞（高程约为230m）内，采用地质钻机向四条尾水洞各垂直布置了2个φ219mm的通风孔，各采用一台11KW轴流式风机向尾水隧洞内压风，以满足尾水隧洞上层少部分和下层全部的开挖支护与衬砌混凝土施工通风。
4.2隧洞开挖
4.2.1开挖支护方案及程序
根据本工程设计特点和工期要求，结合我局的实际情况，采用手风钻配合自制平台车进行钻爆施工，喷砼采用湿喷机进行湿喷，预应力锚杆施工选用导轨式独立回转钻岩机（型号：
YGZ100）配合自制台车进行钻孔、风枪吹送药卷及人工配合进行插杆的方案。
尾水洞开挖支护方案见表一。
表一尾水隧洞下段开挖施工方案表
围岩类别
施工方案
超前支护
开挖方法
一期支护
施工监测
Ⅲ
上层：
手风钻打孔一次成型，周边光面爆破，循环进尺2.2m。
下层：
先进行中间拉槽，两侧跟进，周边光面爆破。
Ⅰ序每循环3.5m，Ⅱ序每循环2.5m。
视围岩情况及时进行局部支护。
开挖成形后按每50m一个观测断面埋设观测设施，定期观测。
Ⅳ
超前锚杆支护。
手风钻钻孔，短进尺、小药量、弱爆破、设超前锚杆的开挖原则，循环进尺1.4m，周边少药量光面爆破。
初期支护紧跟近开挖面进行，局部视围岩情况加钢支撑。
开挖成形后按设计要求埋设每30m一个观测断面埋设观测设施，加密观测，及时反馈观测信息，指导隧洞施工。
Ⅴ
超前锚杆支护
手风钻钻孔，短进尺、小药量、弱爆破、设超前锚杆的开挖原则，爆破时应严格控制单响药量，循环进尺1.4m，周边密孔小药量光面爆破。
开挖后立即施工钢支撑和喷钢纤维砼等强支护，系统锚杆跟进。
必要位置施工随机锚杆。
每20m一个观测断面，每排炮观测一次，及时反馈观测信息，如发现围岩变形速率加快，及时加强支护。
尾水隧洞在穿过马鞍组煤层和写经寺组页岩时，采取短进尺、小药量、弱爆破、强支护、先拉槽、后扩挖跟进的方式通过。
初期支护采取超前锚杆、喷钢纤维混凝土、随机锚杆、钢拱架等措施，边开挖、边支护，以确保洞室围岩稳定。
同时，开挖过程中随时检测有毒气体含量，并加强通风，确保施工安全。
4.2.2上层开挖
1#、3#尾水洞开工时，尾水洞顶部高程比1#施工支洞扩挖2.0m后的顶部高出4.7m，另外施工测量控制网来不及引进洞内，因此1#、3#尾水洞进洞方案为：
首先进行30m长的中导洞开挖，坡比为13%，进口底板高程为170.3米，中导洞为城门洞型，开挖断面尺寸7.0m×
6.5m，然后进入7.5m高的正常段上层开挖。
为了洞口施工安全，中导洞扩挖在上层开挖完成后下层开挖前安排，采用从洞内向洞口方向完成扩挖。
进行中导洞开挖前洞脸增设了三排锁口锚杆（ф28的螺纹钢筋、间排距0.5m×
0.5m、孔深3.5m，与洞轴线方向成15度），围岩喷10厘米厚200＃钢纤维砼作临时支护，施工时根据围岩揭露情况增设了随机锚杆及钢拱架（20a工字钢、间距1.0m）等支护措施。
2#、4#尾水洞开挖时，相应的尾水洞上段上层已经开挖，因此2#、4#尾水洞进洞方案为：
首先进行19.6m长的上层全断面开挖，坡比为8.6%，进口底板高程为172.3m；
再进入7.5米高的上层正常段开挖。
进洞19.6米长开挖时，除设计支护外，还采用钢拱架（I20a工字钢、间距0.7m）进行及时支护，Ⅳ、Ⅴ围岩时采用了超前锚杆，确保洞室稳定。
上层开挖循环进尺一般为1.4m、2.2m两种情况，有时围岩条件特别差的地段采用了1.0m的进尺。
采用自制施工台车，人工手持YT26手风钻钻孔，爆破后3m3侧卸装载机装渣，15t自卸车运输出渣。
上层开挖采用楔型掏槽，周边光面爆破，周边孔间距0.4m、0.5m两种情况。
①Ⅲ类围岩上层开挖技术
a.测量放样：
控制测量采用全站仪作导线控制网。
每排炮必须放样并有放样记录，并经当班施工员签字认可。
b.钻孔作业：
由熟练的风钻工严格按照设计钻爆图进行钻孔作业。
各钻手分区、分部位定人定位施钻，实行严格的钻手作业质量经济责任制。
每排炮由值班施工员按“平、直、齐“的要求进行检查。
周边孔偏差不得大于5cm/m，爆破孔偏差不得大于10cm。
c.装药爆破：
炮工按钻爆设计参数认真进行装药，炸药选用硝铵或乳化炸药。
崩落孔药卷直径32mm，连续装药，周边孔选用25mm直径药卷，间隔装药，堵塞严实。
装药完成后，由施工员和专业炮工分区分片检查，联结爆破网络，周边光面爆破。
Ⅲ类围岩爆破参数见下图：
d.通风散烟：
爆破后起动轴流通风机通风，开挖面爆破碴堆进行人工洒水降尘。
e.安全处理、清底：
爆破后用人工处理掌子面及顶拱安全。
出碴后再次进行安全检查及处理。
②Ⅳ、Ⅴ类围岩上层开挖技术
对Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段开挖时，除上述施工工艺及方法外，还采取如下措施：
a超前支护
开挖钻孔前，尾水洞主要采用了超前锚杆支护，确保围岩稳定。
b开挖钻爆
上层开挖时，钻爆严格遵守“短进尺、弱爆破、少扰动”的原则，减少爆破震动，不得对已支护结构的安全产生影响及破坏。
Ⅳ、Ⅴ类围岩爆破参数见下图：
c系统支护紧跟开挖掌子面。
4.2.3下层Ⅰ序和下层Ⅱ序开挖
下层Ⅰ序开挖采用中间拉槽，两侧预留保护层开挖的方法。
爆破后3m3侧卸装载机装渣、修面，15t自卸车运输出渣。
1#、3#尾水洞下层Ⅱ序开挖采用浅孔小药量光面爆破，因1#施工支洞的影响，由尾水洞下游向上游开挖，1.2m3挖掘机反铲集渣、装渣，15t自卸车运输出渣。
4.3临时支护
本隧洞工程根据围岩具体情况采用了随机锚杆和钢拱架、超前锚杆、掌子面喷锚和开挖期围岩固结灌浆等不同的临时支护型式。
Ⅳ、Ⅴ类围岩系统支护每排炮及时跟进，Ⅲ类围岩滞后掌子面跟进平行交叉作业。
⑴随机锚杆
对局部不稳定岩体采取随机锚杆作临时支护，锚杆方向与不稳定岩体的滑动面及岩层面尽可能垂直，锚杆型式、规格和长度根据不稳定岩体大小现场确定。
⑵钢拱架支撑
尾水洞主要为Ⅳ、Ⅴ类围岩，爆破除碴安全处理后，在采取随机锚杆的基础上及时跟进钢支撑，钢拱架采用20a的工字钢，间距一般为1.0m，围岩极差的局部洞段间距调整到0.7m。
钢拱架设加固锚杆（ф28螺纹钢筋，孔深3.5m，间距1.5m），拱架与拱架间采取ф28螺纹钢筋连接。
⑶喷钢纤维混凝土
安全处理后，首先对围岩进行初喷1~2cm厚的200#钢纤维混凝土，防止围岩暴露风化，钢支撑安装完后，再喷满20cm厚。
对极易风化塌落的掌子面，在开挖爆破后及时喷5cm厚的素混凝土封闭。
⑷设置排水孔
对绝部渗水地段设5m深的排水孔（布置原则：
1个/4m2），掌子面采取设3-4个5m深超前排水孔，预防透水事故的发生。
⑸超前锚杆
尾水洞围岩为Ⅳ、Ⅴ类岩石时，每排炮钻孔前，首先采取超前锚杆进行支护，超前锚杆为水泥卷锚杆，采用手风钻钻孔，人工推送药卷至孔底，人工插杆。
型式为：
ф28螺纹钢筋、间距0.4m、孔深4.5m，超前锚杆与洞轴线的夹角为15度。
超前锚杆施工如下图所示。
5张拉锚杆施工
5.1锚杆试验
尾水洞下段顶拱270o范围内都布置有张拉锚杆[ф28螺纹钢筋、间距1.5（1.25）m、排距1.5m、孔深8.0m]，为加快施工进度，简化施工工序，提高生产效率。
采用锚固端和自由端均为药卷式注浆体一次注入，保证注浆饱满度，后张拉的方式施工张拉锚杆。
为了合理的选定锚杆的锚固段和自由段粘结药卷材料，掌握合适的张拉时段，验证锚杆锚固段设计长度，选择合适的张拉锚杆施工工艺，为此进行了张拉锚杆现场试验，另外还模拟了现场张拉锚杆的方向和施工工艺进行了灌注饱和性试验
5.1.1密实度模拟试验
⑴单节水泥卷体积确定
水泥卷采用了河南巩义生产的速凝水泥卷（8604K3，规格为ф28L=250mm）和缓凝水泥卷（8604K1，规格为ф28L=250mm），通过理论计算单节水泥卷体积为153.93cm3。
⑵试验原则
a验证张拉锚杆灌注水泥卷密实度，试验过程中水泥卷的注入数量的确定依据为施工过程中实际需要注入的数量。
b试验主要模拟实际锚杆施工的灌注饱满度最不利条件（竖直方向）、最有利条件（水平方向）及中等条件（45度方向）。
⑶注入水泥卷数量确定
据试验材料规格理论计算出8米锚杆需注入水泥卷数量为：
[（56÷
2）2×
3.14－615.8]×
8÷
[（28÷
2）2×
3.14×
0.25]=96节
注：
Φ28锚杆公称截面积615.8mm2
因试验中有损耗，实际上注入数量比理论值大。
⑷试验方法
a试验前先将试验钢管一端用薄钢板封焊。
b按竖直方向、水平方向和45度方向分别固定3根试验钢管。
c气压枪泵与供风管连通。
d先将水泥药卷浸入水桶中（速凝90S缓凝60S），取浸泡好的水泥卷称量，记录单卷泡水后的重量。
e用2L量筒装满浸泡好的水泥卷并捣实，求得每节浸湿后的水泥卷捣实后的体积。
f取浸泡好的药卷逐节用风枪打入注浆管中，待注浆管口出浆后，将注浆管插入管底，边打边向外拨注浆管，拨管速度按3-5cm/节控制，同时注意保护管口，防止注入的药卷漏出，记录注入药卷数量。
g水泥药卷注够数量后及时堵住孔口，防止注入的水泥药卷漏出太多，然后向管中缓慢插入锚杆，最后用木楔楔紧孔口；
h收集漏出的水泥卷并称重量，换算成药卷节数，计算实际注入的水泥卷数量。
i2天后将钢管分段剖开，观察剖切断面水泥浆密实度。
⑸试验结果
a水泥卷单节数据：
表二水泥卷重量和体积
品种
30节重量（kg）
每节重量（kg）
装入数量（节）
总体积（ml）
单节体积（ml）
速凝水泥卷
10.3
0.343
13
1893
146
缓凝水泥卷
9.2
0.306
14
1946
139
b水泥卷浸泡时间控制：
速凝水泥卷泡水时间约100秒左右，缓凝水泥卷约70秒左右，根据部位适当调整，如上仰锚杆孔需要的水灰比小些，侵泡时间相对要短，水平锚杆孔侵泡时间相对要长，最长不宜大于120秒。
浸泡时，每次浸泡水泥卷数量控制在20~30节，不宜过多，以免水泥卷浸泡后在孔外停留时间过长。
另外浸泡用水经常更换，速凝和缓凝水泥卷不能用同一桶水浸泡，同种水泥卷浸泡用水宜10个孔换一次水。
c软管拉拔速度为4cm/节。
d模拟试验装水泥卷数量理论计算为96节，实际上平均为107节，考虑现场岩石孔灌浆有吸浆作用，实际岩石孔灌浆应增加到110~120节左右。
e在焊接对中支架后，锚杆对中情况良好。
f速凝和缓凝水泥卷材料检验如下表三。
从表中得出现场张拉适宜时间为6~8h。
表三 不同龄期的抗压强度测定记录表
名称
初凝时间
（min）
终凝时间
（h：
min）
时间
强度（MPa）
速凝水泥
48
1：
16
4h
1d
3d
23.4
28.2
31.5
缓凝水泥
550
12：
10
7d
41.3
62.0
5.1.2扭力扳手率定
⑴编号为2003805扭力扳手率定
表四2003805扭力扳手率定试验数据
序号
1
2
3
4
5
扭力扳手读数
200
300
400
500
扭力机读数（KN）
第一次
50
67
90
106
第二次
73
102
扭力机平均读数（KN）
70
104
表五方程式计算表
Xi
Yi
Xi2
Yi2
XiYi
2500
40000
10000
4900
90000
21000
8100
160000
36000
10816
250000
52000
∑
314
1400
26316
540000
119000
⑵编号为2003948扭力扳手率定
表六2003948扭力扳手率定试验数据
49
65
91
108
54
95
112
51.5
69
93
110
表七方程式计算表
2652.25
10300
4761
20700
8649
37200
12100
55000
323.5
28162.25
123200
5.1.3张拉锚杆现场试验
⑴试验目的
采用锚固端和自由端水泥卷一次注入，然后再安插锚杆，待锚固端锚固剂凝固后，进行张拉锁定，自由端的缓凝锚固剂凝固作用，易保证注浆饱满度。
水泥卷式注浆体锚固方式进行张拉锚杆试验，在确保张拉力要求下，为了合理的选定锚杆的锚固段和自由段粘结药卷材料，掌握合适的张拉时段，验证锚杆锚固段设计长度，掌握锚杆抵抗破坏的安全程度，选择合适的预应力锚杆施工工艺。
⑵试验方案
a选定了1个方案，共9根，在顶拱中部、拱座和边墙上每个部位各3根，试验张拉设备为扭力扳手。
进行现场工艺试验，选定合适的张拉设备及符合设计的锚固段长度。
b通过对锚杆锚固剂（速凝和缓凝锚固剂）的初凝和终凝时间，锚固剂不同龄期的抗压强度测定，确定其张拉的合适时段。
c选定张拉锚杆粘结材料、张拉设备后，按三种锚杆锚固段长度，在相同的龄期下，进行预应力锚杆锚固力非破坏性试验。
通过试验分析选定设计张拉锚杆锚固长度。
张拉锚杆锚固力非破坏性试验，按设计预应力锚杆张拉力的30%、50%、80%和115%逐级施加。
每级荷载施加后，持荷5分钟，进行相应观测。
当张拉力达到设计张拉力的115%时，停止加载，如正常，则认为锚杆的锚固力满足设计要求。
d在张拉锚杆锚固力非破坏性试验完成后，由设计选定张拉锚杆锚固段设计长度。
按此锚固长度，分别进行了张拉锚杆锚固力破坏性试验（每类围岩下2根，共6根）。
通过破坏性试验，掌握锚杆抵抗破坏的安全程度。
张拉锚杆锚固力破坏性试验，分级张拉，每级荷载施加后，持荷5分钟，进行相应观测。
当锚固段产生连续位移，或钢筋被拉断，即认为张拉锚杆已达到破坏状态。
⑶试验技术要求
a水泥卷张拉锚杆由钢筋杆体、速凝水泥卷、缓凝水泥卷、钢垫板、半球形垫圈及螺帽组成。
杆体采用ф28螺纹钢筋。
锚固段采用速凝水泥卷。
b水泥卷锚杆施工前应验证所有材料的性能，包括速凝水泥卷和缓凝水泥卷的初凝与终凝时间、杆体强度、校验测力扳手或率定千斤顶，并试验确定锚固段长度。
c钻孔孔位、孔深及孔位方向符合设计相关要求。
d水泥卷安装前，先用花杆清孔，将孔内渗透积水及岩粉吹洗干净。
将水泥卷采用水泥卷灌注泵（泵的工作压力0.4～0.6ＭＰa），１人将水泥卷在水中浸泡说明中要求的时间（约30秒），以不冒气泡为止，然后将水泥卷放入活塞套中，２人将喷枪注浆管插入孔底，１人扣动扳机，将水泥按先速凝卷、后缓凝卷先后送入锚孔中，2人做辅助工作，搬水泥卷等。
灌水泥卷的过程中，边灌边向外移动喷枪，灌满前300mm停止使用灌注系统，人工将孔灌满。
e锚杆安装采用平台车配合，人工安插，需要大锤等其它工具帮助。
f锚杆张拉时间介于速凝卷终凝时间后且达到一定的强度与缓凝卷初凝时间之间约６～８h进行张拉。
张拉前将钢垫板套入锚杆，调整垫板与锚杆垂直后锁紧螺帽，随之用测力扳手（或千斤顶）进行张拉。
当用千斤顶张拉，安装千斤顶时，围岩要垫平，并使其轴线的杆体平行，逐步加荷，而且加荷速度要适当放慢，千斤顶要固定好，并做好安全保护。
当用扭力扳手张拉时，螺帽和螺杆的配合要适度，可适当涂抹润滑剂，使之达到设计张拉力。
g试验成果：
本工程部位的张拉锚杆锚固端长度2.0m完全满足设计要求。
5.2施工程序
首先由测量队根据设计图纸上张拉锚杆的桩号、间排距放好锚杆孔位，并用红漆做好标识；
钻手根据测量放好的孔位按设计要求进行施钻；
钻孔到达设计要求后用高压水清洗钻孔；
清洗合格后由锚杆施工队填好验收记录表自检验收；
一检验收合格后，报尾水部质检员（二检）验收；
二检验收合格后报质量安全部（三检）验收；
监理工程师验收合格后安装水泥卷、安插锚杆。
锚杆安装时，一起连垫板、垫圈和螺帽带上；
在缓凝水泥初凝前、速凝水泥强度（含垫后找平预缩砂浆或速凝水泥卷）达到20MPa后调整托板、垫圈，张拉和锁定锚杆。
5.3施工工艺
张拉锚杆施工工艺流程见框图所示：
张拉锚杆施工工艺流程图
施工准备
张
拉
锚
杆
及
其
配
件
加工
、运
输
测量放样
钻孔
不合格
清孔
检查验收
合格
孔口砂浆找平
装速凝水泥卷
装缓凝水泥卷
安插锚杆
安装托板、垫圈、螺帽
张拉锁定
验收评定
⑴施工准备
a材料
本工程所采用的张拉锚杆为性能符合国家质量标准要求的Ⅱ级20MnSi螺纹钢筋，直径为28mm。
锚杆、垫板、垫圈加工在施工局候加坪按照设计要求制作成型，然后用汽车运至施工现场。
锚杆杆体采用无锈、顺直的整根钢筋加工，不得采用焊接。
杆体端部的丝口按设计要求加工成M24mm，加工好的杆体按规范要求进行检查验收，验收合格的杆体，螺（母）帽从专业厂家购买并经检验后用于本工程，螺母必须与杆体丝牙配套。
按选用河南巩仪的8604-K3型速凝水泥和8604-M1型缓凝水泥卷。
所用材料有出厂证明书，符合国家标准，按材料报验程序，经质安部和监理工程师检查批准。
b设备
张拉锚杆施工设备见表八。
表八张拉锚杆主要施工设备表
作业内容
设备名称及型号
测量放点
全站仪
2台自制多臂台钻
装水泥卷
MQ-25喷枪
张拉
扭矩扳手
空压机
2台20m3/min电动空压机
c基面处理
张拉锚杆安装前，岩面均已先喷了钢纤维砼，因此基面处理相对简单，只要将基岩面上附着的泥土及杂物清理干净即可，可采用球型垫圈可以更好的调节螺母角度。
安装张拉锚杆时，喷砼的强度应达到设计要求。
d测量放线
测量人员根据设计图纸对锚杆孔位放样，并用红油漆做好标识。
⑵造孔
锚杆钻孔采用自制多臂台钻钻孔。
锚杆孔造孔时一定要控制在径向方向与基面垂直。
张拉锚杆直径为28mm，选用ф56mm球齿合金钻头，钻孔直径为ф56mm。
⑶洗孔
利用自制多臂台钻钻孔，可一边钻孔一边洗孔。
当孔内不再有浊水流
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