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1、浅析格栅支护在隧洞不良围岩开挖中的应用 摘 要：本文介绍格栅支护的基本原理、施工方法及其应用优势,并就其在水利水电引水隧洞工程中的应用提出改进的建议,供同行商榷,期望格栅支护法在引水隧洞不良地质洞段开挖中得以推广应用。 关键词：格栅支护；应用;改进措施 1 格删的基本原理 格栅支护是由格栅拱架和锚喷联合组成的一种复合支护结构。其产生是受传统的钢拱架支护法和“新奥法”的启发,建立在“新奥法”的理论基础上。其支护基本原理是:把岩体视为连续介质,依据岩体具有的粘性、弹性、塑性的物理性质,利用洞室开挖后,围岩应力重新分布而产生的变形到松动破坏有一个时间效应的动态特性,适时地采纳格栅拱架与喷混凝土形成的
2、薄壁柔性支护结构,与围岩紧密贴合起来共同工作,从而调动并充分利用了自然围岩的自身承载实力,达到洞室围岩稳定的目的。同时,格栅拱架也兼具备了传统钢拱架支护的刚性支护特点。因此,这种支护形式同时具有钢拱架刚性支护和“新奥法”锚喷柔性支护的全部功能,可以达到支护结构“先柔后刚”的目的,也具有传统钢拱架与锚喷支护所不行比拟的优点。 2 格栅支护应用实例 2.1 工程概况 电站工程枢纽由拦河坝、发电引水隧洞、发电厂房及升压开关站等组成。电站总装机容量45MW。其中引水隧洞总长4.3km,开挖断面为底宽8m、高8m的城门型,洞挖总方量约达25万m3。引水隧洞工程是整个电站枢纽建设工期、投资等方面的限制性的
3、关键项目。依据水工建筑物地下开挖工程施工技术规范围岩的地质分类,该部分洞段属类围岩,累计长达920m,占隧洞总长的21.4%。合同要求隧洞的开挖必需在18个月内完工,要求每月每个工作面的平均洞挖进尺必需达80m以上。 引水隧洞开挖采纳钻爆法,即先开挖贯穿上部洞(高度5m,断面33.12m2),后开挖下部洞(高度3m)。由于不良地质段较长,工期紧,洞挖任务重,永久支护滞后,如何快速、有效地对上部洞不良地质段开挖进行稳固的支护是该引水隧洞开挖中的关键问题。经过各种支护方法的对比、分析和论证,最终确定采纳格栅支护。 2.2 格栅支护的施工工艺和主要技术参数 格栅支护的基本施工工艺流程为:上部洞不良地
4、质段开挖初喷C25混凝土封闭岩面钻设锁脚锚杆、方向锚杆及随机锚杆安装格栅拱架挂钢筋网复喷C25混凝土至设计厚度。若遇围岩地质极差的类围岩,开挖前在掌子面处向掘进方向钻设超前锚杆或采纳小导管注浆的方法超前加固前方岩体。格栅支护的基本结构见图1。 (1)上导洞不良地质段的开挖 不良地质洞段的开挖严格根据“短进尺、弱爆破”的原则进行,每循环进尺限制在1.5m以内,一次爆破药量不大于5kg,单响药量不大于300g/响,尽量减小爆破对围岩的扰动,保持围岩的初期稳定。开挖后刚好进行地质素描和断面验收。 (2)初喷C25混凝土 洞挖进尺1.5m左右后,先对掌子面及顶拱、侧墙素喷C25混凝土进行封闭,喷层厚2
5、3cm,封闭岩面。 (3)钻设锚杆 安装格栅拱架前为安装、稳定拱架及锁固岩体,须要钻设锁脚锚杆、径向锚杆和随机锚杆。锁脚锚杆:在每榀拱架拱脚处钻设安装25、L=2.5m砂浆锚杆,与拱架焊接,进行拱架的锁脚加固；径向锚杆:在顶拱和边墙拱架位置,安装径向锁固锚杆。锚杆规格25,L=2.5m,环向间距1.0m,锚杆外露部分与拱架焊接；随机锚杆:对于隧洞边墙、顶拱不稳定的部位安装25、L=2m的随机锚杆进行锚固。 (4)安装格栅拱架 初喷混凝土封闭岩面后,起先安装格栅拱架。格栅拱架采纳4根22的钢筋焊制成横截面为20cm20cm矩形、与开挖洞型尺寸相同的拱架。每榀拱架分为左右两半拱,接头部位设于拱顶,
6、采纳厚6mm钢板和M16螺栓连接。拱架间采纳10联接筋焊接。箍筋采纳10钢筋。格栅拱架在洞外预先按设计支护断面加工成型,洞内人工拼装。后一榀拱架采纳20纵向联结筋与前一榀拱架焊接成一体,既便于现场快速安装,又增加了各榀拱架的整体刚度。两榀拱架间距设计为0.51.0m。 (5)挂设钢筋网 完成锚杆及拱架安装后,起先顺沿洞壁在顶拱180范围内按20cm20cm网格间距布设6.5钢筋网,钢筋网与锚杆处外露部分及拱架焊接坚固,并按每m2不少于4个6U型卡将钢筋网与岩壁卡牢。 (6)复喷C25混凝土 待格栅拱架安装及钢筋网布设完成后,复喷C25混凝土,总喷厚22cm,形成格喷拱架与锚喷的复合支护结构。
7、(7)地质极差段(类围岩)的超前锚杆或超前小导管注浆 电站引水隧洞进口段80m和出口段45m为懦弱强风化围岩,地质条件极差,属类围岩。施工中在洞室开挖前,对前方岩体采纳了超前锚杆或超前小导管注浆的超前支护技术,在此基础上,待洞室开挖后再采纳格栅进行初期支护。超前锚杆:在洞室顶拱180范围进行布置超前锚杆。锚杆规格25、L=3m,纵环向间距2.0m0.5m,仰角=3砂浆锚杆外露尾部与前榀已安装好钢筋格栅拱架焊接。超前小导管注浆:在洞室顶拱180范围按环向间距50cm布置4m长、40mm钢管,超前注浆对围岩进行预加固。注浆用13的水泥砂浆。超前小导管从前段已安装好的格栅拱的中部穿过,充分利用超前小
8、导管的悬臂支护能力。小导管外插角控制在58。 3 格栅支护的效果与应用优势 电站引水隧洞不良地质段开挖中,格栅支护洞段未发生一起坍塌事故。格栅喷混凝土未产生明显的裂缝,支护洞段位移变形微小。通过拱顶下沉及拱脚位移的大量连续观测数据显现,拱顶第1天下沉12cm,以后呈收敛改变,一般15d后难以观测到其改变,拱脚水平位移第1天1cm以内,以后呈收敛改变,一般15d后难以观测到其改变。由于格栅支护施工简便,速度较快及支护稳固,隧洞每月每个工作面平均进尺86m,满意了合同开挖工期的要求。与传统构架支护和锚喷支护相比格栅支护显现出的优点为:承载实力大,稳定性好;施工轻巧,简易,作业时间短;满意引水隧洞总
9、体施工程序的要求。 4 格栅支护的应用改进 由于地下工程岩体应力和岩体强度的不易确定,岩体与支护相互作用原理不甚明白,对于格栅支护的作用试验探讨也较有限,格栅支护的应用很大程度还依靠于工程施工阅历,因此,目前格栅支护在水工隧洞应用中的各种设计参数均较为保守,因而使得格栅支护的费用较高,经济性有待改进。笔者在某电站引水隧洞开挖中格栅支护应用实践中,不断尝试改进格栅支护的各种支护参数,使得格栅支护操作简化,经济性得以提高,取得了良好效果。 (1)格栅拱架横截面的简化 格栅拱架横截面一般为由4根主钢筋围成的矩形。在地质条件相对较好、山岩压力相对较小的洞段,其横截面可简化成3根主钢筋围成的三角形,其承
10、载实力会相对减弱,但不影响支护效果。 (2)格栅拱架间距适当拉长 格栅拱架间距设计一般为0.51.0m。在地质条件相对好的地段,间距可拉长至11.5m左右。 (3)部分断面进行格栅支护 由于不良地质段中重点是要解决拱顶垮塌问题,全断面的支护显得不是特别必要,因而可简化支护方式,只对拱顶甚至拱顶120拱弧采纳格栅支护,可大大削减投资。 (4)超挖部位的处理 由于格栅支护中的格栅拱架是按标准断面制作的,对于地质条件较差的洞段不行能达到规则断面,顶拱和侧墙部位存在超挖部位。因此,在施工中对超挖部位采纳钢楔进行填塞、或在格栅拱架断面以外局部再加小拱形支撑,以尽量使支撑顶住岩面,确保格栅拱架支撑的有效性
11、。 5 结语 随着地下工程岩石力学分析探讨的进一步发展,理论设计格栅支护将成为可能,其各种支护参数也将得以不断简化和改进,它的投资必将大大削减,操作亦更加简便。因此,格栅支护在水工隧洞不良地质段开挖后的初期支护将发挥越来越重要的作用,也必将得到越来越广泛的推广应用。 参考文献 1饶良骏.石垭隧洞格栅支护法施工简述J.四川水利,2022(4). 2原瑞平.格栅与网喷体系在隧道施工中的应用J.山西建筑,2001(2). 3郑刚,王福强.困难地质条件下的隧道施工技术J.西部探矿工程,2000(1). 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页