用于Ⅳ、Ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工方法与流程

本发明涉及一种施工方法，尤其是涉及一种用于ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工方法，属于水工建筑物设计建造工艺技术领域。

背景技术：

由于土石坝具有诸多优点而成为许多水电水利工程的优选坝型，但其坝身不能泄洪，对采用土石坝挡水的高山峡谷区大、中型工程，常需在坝肩修建大跨度、超长、高流速泄水隧洞。这类水工隧洞难免遇到断层破碎带等ⅳ、ⅴ类围岩区，针对这类洞段，所采用的支护措施必须在保证工效的前提下确保洞室施工期稳定，同时满足洞室运行期稳定、特别是高速水流的冲刷磨蚀及空化空蚀作用要求。为此，除开挖前采取超前灌浆也叫锚固，开挖后采用钢拱架、锚喷等浅层支护措施外，还常采用大吨位预应力锚杆或锚索等深层支护措施，之后再完成钢筋混凝土衬砌施工。大吨位预应力锚杆或锚索的外锚固结构必须将锚固力均匀扩散至较低承载力的围岩上，以确保围岩稳定并控制围岩变形，同时外锚固结构必须嵌入钢筋混凝土衬砌内，与其联合受力，以确保洞室运行期稳定，并适应高速水流要求。

现有技术中，为了隧洞美观，且一定程度增加预应力锚杆或锚索外锚固结构与钢筋混凝土衬砌的整体性，一种方法是浇筑一块常规锚墩宽度的混凝土方块作为外锚固结构，混凝土方块四周留设与隧洞衬砌配筋同规格的插筋，插筋与后续衬砌钢筋进行焊接；另一种方法是分期浇筑衬砌混凝土，一期混凝土约占衬砌厚度的1/2，作为外锚固结构，之后将上述外锚固结构表面凿毛，再浇筑后续衬砌混凝土。采用常规锚墩宽度的混凝土方块作为外锚固结构，对于围岩较差的特大断面隧洞，缺点一是受限围岩的承载力较低，难以采用大吨位预应力锚杆或锚索；缺点二是不能有效扩散预应力锚杆或锚索的锚固力，对控制隧洞变形不利；缺点三是每个混凝土方块均留设与隧洞衬砌配筋同规格的插筋，插筋与后续衬砌配筋焊接，接头过多，一定程度破坏了衬砌内层配筋的整体性，不利于保证衬砌质量；衬砌分期施工，并采用一期衬砌作为外锚固结构的方法，则在一、二期混凝土层间预留了施工缝，这在高速水流水工隧洞中是不允许的。有的水工隧洞整体衬砌厚度仅60cm，若将混凝土衬砌分期浇筑，外层混凝土过薄，难以抵抗高速水流的冲刷磨蚀及空化空蚀作用，会带来严重后果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能使预应力扩散均匀，方便控制导流隧洞变形的用于ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工方法，包括混凝土衬砌层，所述的混凝土衬砌层通过锚固力扩散系统衬砌在所述特大断面导水隧洞的内侧壁上，所述的锚固力扩散系统通过大吨位预应力锚固系统锚固在特大断面导水隧洞洞壁的ⅳ、ⅴ类围岩上，

所述的施工方法先在开挖完成的洞室内进行施工基础固定，然后再进行大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统布设，最后以大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统为基础，进行混凝土衬砌层的施工完成在ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工。

进一步的是，所述的施工基础固定工序包括系统锚杆的埋设、钢拱架的架设以及网喷混凝土的浇喷，插接在ⅳ、ⅴ类围岩中的系统锚杆的外露部分分别穿过钢拱架、网喷混凝土以及后浇的混凝土衬砌层，所述的钢拱架附着在开挖完成的洞室的内侧壁上，所述的网喷混凝土通过钢拱架浇喷在开挖完成的洞室的内侧壁上。

上述方案的优选方式是，所述的大吨位预应力锚固系统包括大吨位预应力锚杆或大吨位预应力锚索和混凝土基座，其施工过程为，

根据布置间距，先在网喷混凝土上布设大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔，然后再以大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔为基准布设混凝土基座的钢筋骨架座和钢垫板，接着在保护好大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔的基础上浇筑混凝土基座的混凝土，最后在大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔中布设大吨位预应力锚杆或大吨位预应力锚索。

进一步的是，所述的锚固力扩散系统包括多根锚固力扩散梁，各根锚固力扩散梁通过混凝土基座连接为锚固力扩散框架，其施工过程为，

待浇筑的混凝土基座养护期满后，先架设位于锚固力扩散梁内的衬砌层内层钢筋，与此同时凿毛混凝土基座四周的连接面，然后浇筑各根锚固力扩散梁构成锚固力扩散框架。

上述方案的优选方式是，混凝土衬砌层的施工是按下述步骤进行的，

在等待锚固力扩散框架养护期的过程中分别布置锚固力扩散梁的衬砌层内层钢筋，以及衬砌层的外层钢筋，待锚固力扩散框架养护期满后，浇喷混凝土衬砌层。

进一步的是，所述的大吨位预应力锚固系统、锚固力扩散系统以及混凝土衬砌层沿特大断面导水隧洞的长度方向均分段施工，锚固力扩散系统的相领的锚固力扩散梁以及相领的衬砌层之间均设置坡比为1:1的施工缝。

本发明的有益效果是：本申请以现有衬砌层为基础，通过在其上增加设置大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统，并使所述的混凝土衬砌层通过锚固力扩散系统衬砌在所述特大断面导水隧洞的内侧壁上，所述的锚固力扩散系统通过大吨位预应力锚固系统锚固在特大断面导水隧洞洞壁的ⅳ、ⅴ类围岩上，然后在施工上述的衬砌层时，先在开挖完成的洞室内进行施工基础固定，然后再进行大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统布设，最后以大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统为基础，进行混凝土衬砌层的施工完成在ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工。这样，通过在开挖完成的洞室内先进行施工基础固定后，再进行大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统布设，最后进行衬砌层施工，既保证了施工的安全，又由于通过大吨位预应力锚固系统实现了对ⅳ、ⅴ类围岩体本身的固定，提高了围岩的稳定，再通过锚固力扩散系统均匀的将预应力分散到整个ⅳ、ⅴ类围岩体上，便于控制隧洞的变形。

附图说明

图1为本发明用于ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工方法的立面示意图，也是图3中的2-2剖视图；

图2为本发明涉及到的混凝土基座配筋图，也就是图3中的3-3剖视图；

图3为图1、图2中的1-1剖视图。

图中标记为：混凝土衬砌层1、锚固力扩散系统2、大吨位预应力锚固系统3、ⅳ、ⅴ类围岩4、施工基础固定5、系统锚杆6、钢拱架7、网喷混凝土8、大吨位预应力锚杆或大吨位预应力锚索9、混凝土基座10、钢筋骨架座11、钢垫板12、施工缝13。

具体实施方式

如图1、图2以及图3所示是本发明提供的一种能使预应力扩散均匀，方便控制导流隧洞变形的用于ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工方法。包括混凝土衬砌层1，其特征在于：所述的混凝土衬砌层1通过锚固力扩散系统2衬砌在所述特大断面导水隧洞的内侧壁上，所述的锚固力扩散系统2通过大吨位预应力锚固系统3锚固在特大断面导水隧洞洞壁的ⅳ、ⅴ类围岩4上，所述的施工方法先在开挖完成的洞室内进行施工基础固定5，然后再进行大吨位预应力锚固系统3和锚固力扩散系统2布设，最后以大吨位预应力锚固系统3和锚固力扩散系统2为基础，进行混凝土衬砌层1的施工完成在ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工。本申请以现有衬砌层为基础，通过在其上增加设置大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统，并使所述的混凝土衬砌层通过锚固力扩散系统衬砌在所述特大断面导水隧洞的内侧壁上，所述的锚固力扩散系统通过大吨位预应力锚固系统锚固在特大断面导水隧洞洞壁的ⅳ、ⅴ类围岩上，然后在施工上述的衬砌层时，先在开挖完成的洞室内进行施工基础固定，然后再进行大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统布设，最后以大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统为基础，进行混凝土衬砌层的施工完成在ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面导水隧洞衬砌层的施工。这样，通过在开挖完成的洞室内先进行施工基础固定后，再进行大吨位预应力锚固系统和锚固力扩散系统布设，最后进行衬砌层施工，既保证了施工的安全，又由于通过大吨位预应力锚固系统实现了对ⅳ、ⅴ类围岩体本身的固定，提高了围岩的稳定，再通过锚固力扩散系统均匀的将预应力分散到整个ⅳ、ⅴ类围岩体上，便于控制隧洞的变形。

上述实施方式中，为了保证施工的安全，以及施工完成使用过程中衬砌层的使用安全，本申请所述的施工基础固定工序包括系统锚杆6的埋设、钢拱架7的架设以及网喷混凝土8的浇喷，插接在ⅳ、ⅴ类围岩4中的系统锚杆6的外露部分分别穿过钢拱架7、网喷混凝土8以及后浇的混凝土衬砌层1，所述的钢拱架7附着在开挖完成的洞室的内侧壁上，所述的网喷混凝土8通过钢拱架7浇喷在开挖完成的洞室的内侧壁上。其施工过程中为，待洞室开挖完成后，立即进行系统锚杆6的布设，然后进行再进行钢拱架7的架设以及网喷混凝土8的浇喷，并且在架设钢拱架7和浇喷网喷混凝土8时，预留系统锚杆6伸入衬砌层的长度。

进一步的，再结合本申请所述的大吨位预应力锚固系统3包括大吨位预应力锚杆或大吨位预应力锚索9和混凝土基座10，所述的锚固力扩散系统2包括多根锚固力扩散梁，各根锚固力扩散梁通过混凝土基座连接为锚固力扩散框架的特点，锚固力扩散系统3的施工过程为，根据布置间距，先在网喷混凝土8上布设大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔，然后再以大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔为基准布设混凝土基座10的钢筋骨架座11和钢垫板12，接着在保护好大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔的基础上浇筑混凝土基座10的混凝土，最后在大吨位预应力锚杆基岩孔或大吨位预应力锚索基岩孔中布设大吨位预应力锚杆或大吨位预应力锚索9。由各根锚固力扩散梁通过混凝土基座连接为锚固力扩散框架的施工过程为，待浇筑的混凝土基座10养护期满后，先架设位于锚固力扩散梁内的衬砌层内层钢筋，与此同时凿毛混凝土基座10四周的连接面，然后浇筑各根锚固力扩散梁构成锚固力扩散框架。

待大吨位预应力锚固系统3和锚固力扩散系统2施工完成后，再进行混凝土衬砌层1的施工，其施工过程中是按下述步骤进行的，在等待锚固力扩散框架养护期的过程中分别布置锚固力扩散梁的衬砌层内层钢筋，以及衬砌层的外层钢筋，待锚固力扩散框架养护期满后，浇喷混凝土衬砌层。

当然，由于导水隧洞的长度一般都较长，为了施工方法，不管是隧洞开挖还是施工基础固定，以及大吨位预应力锚固系统3、锚固力扩散系统2以及混凝土衬砌层1的施工均是分段进行的。为了保证分段施工时接头处的连接效果，锚固力扩散系统的相领的锚固力扩散梁以及相领的衬砌层之间均设置坡比为1:1的施工缝13。

本申请的固定结构尤其适用于对ⅳ、ⅴ类围岩区特大断面高速水流水工隧洞围岩的锚固。所述固定结构包括混凝土基座和锚固力扩散梁，能将大吨位预应力锚杆或锚索的锚固力均匀扩散至围岩上，并控制围岩变形。所述大吨位预应力锚杆或锚索通过混凝土基座穿过围岩软弱破碎带锚入稳定基岩内。所述固定结构随预应力锚杆或锚索先期施工，后期通过锚固力扩散梁形成的框格架、整体配筋、插筋及端部斜坡施工缝、表面凿毛等措施与后浇衬砌连接成一个整体，共同构成满足高速水流要求的水工隧洞衬砌。

具体实施例

一种大吨位预应力锚杆或锚索的筏式外锚固结构即上述包含有施工基础固定、混凝土衬砌层、锚固力扩散系统和大吨位预应力锚固系统的结构，包括布设于大吨位预应力锚杆或锚索孔口部位的混凝土基座和连接混凝土基座的锚固力扩散梁；所述锚固力扩散梁间形成框格架。

进一步的是，所述大吨位预应力锚杆或锚索视围岩情况及洞室规模确定间排距，通过锚具锚定在混凝土基座上，依次穿过钢垫板，网喷混凝土层，钢拱架层，围岩软弱破碎带，最后锚入稳定岩体内。

进一步的是，所述筏式外锚固结构置于网喷混凝土层上，其外侧为后浇衬砌。所述后浇衬砌部分镶嵌于锚固力扩散梁形成的框格架内。筏式外锚固结构与后浇衬砌共同构成水工隧洞衬砌。所述水工隧洞衬砌包含水工隧洞衬砌内层配筋和水工隧洞衬砌外层配筋。

进一步的是，在隧洞轴线方向预应力锚杆或锚索支护范围端部或竖向开挖分层界面处，筏式外锚固结构留设坡比为1:1的施工缝。所述水工隧洞衬砌内层配筋布设于筏式外锚固结构内，并在筏式外锚固结构施工缝部位留设长短交错露头，以便与后续水工隧洞衬砌内层钢筋焊接。

进一步的是，为了增加所述混凝土基座的局部抗压能力，在混凝土基座内配置纵横向小直径钢筋网。优选地，为了增加锚固力扩散梁的刚度，除内侧配置水工隧洞衬砌内层钢筋外，尚可配置腰筋及面层钢筋，并布设箍筋。

进一步的是，采用系统锚杆作为筏式外锚固结构的支承措施，系统锚杆端部伸至水工隧洞衬砌外层配筋部位，并留设90度弯钩。筏式外锚固结构四周留设线形插筋，法向在系统锚杆间内插布设法向插筋，法向插筋端部亦伸至水工隧洞衬砌外层配筋部位，并留设90度弯钩。此外，沿预应力锚杆或锚索孔周边布置4根伸入混凝土基座的钢垫板固定钢筋，并与钢垫板焊接。

进一步的是，需要适时对筏式外锚固结构四周及表面进行凿毛，并在大吨位预应力锚杆或锚索施工完成后，水工隧洞衬砌外层配筋时，将系统锚杆及筏式外锚固结构法向插筋末端90度弯钩与水工隧洞衬砌外层配筋焊接。最后施工后浇衬砌。

基于同一个发明构思，本申请的说明书还提供了一种大吨位预应力锚杆或锚索的筏式外锚固结构施工方法，包括以下步骤：

1)在某部位洞室开挖、系统锚杆、钢拱架、网喷混凝土施工完成后，为避免损伤混凝土基座，建议先进行预应力锚杆或锚索基岩造孔。

2)依据预应力锚杆或锚索孔位确定筏式外锚固结构混凝土基座及锚固力扩散梁位置，并依据水工隧洞衬砌内层配筋及混凝土基座配筋要求布筋。将4根钢垫板固定钢筋与钢垫板焊接牢固。采取措施在混凝土基座内留设与预应力锚杆或锚索基岩孔同轴线、同规格孔，同时要避免堵塞基岩孔。

3)进行筏式外锚固结构混凝土浇筑，待其满足龄期要求后进行预应力锚杆或锚索施工。适时对筏式外锚固结构四周及表面进行凿毛。

4)水工隧洞衬砌外层布筋，并将其与系统锚杆及筏式外锚固结法向插筋末端90度弯钩焊接。最后按照高流速水工隧洞衬砌要求进行后浇衬砌混凝土施工。

实施例一

某工程洞式溢洪道洞身约120m洞段位于一条f断层及影响带内，围岩类别为ⅳ～ⅴ类，洞室为城门洞型，开挖尺寸约19m×28m(宽×高)，全断面衬砌，衬砌厚度1.6m。由于该洞段边墙很高，而围岩承载力又很低，因此所采取的支护措施必须能有效扩散锚固力并约束围岩变形。更糟糕的是该洞段位于库水内，运行期外水压力很大，且围岩参数会由于浸水而显著降低，因此必须保证衬砌结构的整体性，并适应高速水流要求。为此，该洞段除采用系统锚杆、钢拱架、网喷混凝土等措施外，还采用间排距为3m、设计吨位100t、长25m～70m的预应力锚索支护，预应力锚索锚固段位于新鲜基岩内，外端通过1.2m宽、0.4m厚、内部配置3层c16@12cm钢筋网的混凝土基座锚固。混凝土基座间通过1.2m宽，0.4m厚的锚固力扩散梁连接为整体，共同构成筏式外锚固结构。隧洞衬砌内层钢筋布置在筏式外锚固结构内，增强了筏式外锚固结构的整体性，隧洞施工期锚索应力值变化及变形值均很小，说明筏式外锚固有效传递了锚固力并约束了隧洞变形。筏式外锚固通过本发明所述的凿毛、预留斜施工缝、预留插筋等措施与后浇衬砌有效连接，共同构成满足高速水流要求的水工混凝土衬砌。

实施例二

实施例一所述洞段的下游侧约600m洞段围岩类别亦为ⅳ～ⅴ类，洞室为城门洞型，开挖尺寸约18m×24m(宽×高)，仅边墙衬砌，衬砌厚度0.6m。除存在实施例1洞段边墙高、围岩承载力低等特点外，该洞段的水流流速更高，而衬砌很薄，更需要保证衬砌的整体性。为此，该洞段除采用系统锚杆、网喷混凝土等措施外，还采用间排距为5m、设计吨位200t、长25m～70m的预应力锚索支护，预应力锚索锚固段位于新鲜基岩内，外端通过1.5m宽、0.4m厚、内部配置3层c16@12cm钢筋网的混凝土基座锚固。混凝土基座间通过1.5m宽，0.4m厚的锚固力扩散梁连接为整体，共同构成筏式外锚固结构。其余措施同实施例1，监测表明，隧洞施工期锚索应力值变化及变形值均很小，说明筏式外锚固有效传递了锚固力并约束了隧洞变形。筏式外锚固通过本发明所述的凿毛、预留斜施工缝、预留插筋等措施与后浇衬砌有效连接，共同构成满足高速水流要求的水工混凝土衬砌。