水利工程隧洞衬砌及喷锚支护加固施工技术

引言

随着水工隧洞建设规模的扩大和地质条件的日益复杂，衬砌结构在施工和使用阶段中易产生空洞、脱空及厚度不达标等缺陷，严重影响耐久性。现代探地雷达技术为结构缺陷检测与耐久性分析提供了科学手段，使衬砌设计在工程实践中能够更有效地应对复杂负载，优化衬砌设计，提高其耐久性和抗损伤能力，已成为水工隧洞衬砌结构设计的重要研究方向。

1 隧洞常用衬砌类型

1.1 混凝土衬砌

适用于地质条件较好、水压较低的隧洞（如岩质完整的引水隧洞），分 为素混凝土衬砌与钢筋混凝土衬砌：素混凝土衬砌厚度通常为 20-40cm， 主要通过混凝土自身强度抵御围岩压力与水流冲刷，施工成本低、工艺简 单；当隧洞穿越断层破碎带或承受高水压时，需采用钢筋混凝土衬砌，通 过配置单层或双层钢筋（如Φ16-22mm螺纹钢，间距 15-25cm）提升结构抗 裂与抗剪能力，衬砌厚度可增至 50-80cm。例如，某山区引水隧洞因穿越 软弱夹层，采用 30cm厚C30 钢筋混凝土衬砌，有效解决了围岩变形导致的 衬砌开裂问题。

1.2 预应力混凝土衬砌

针对高水压隧洞（如水头超过 100m 的发电隧洞），传统衬砌易因水压作用出现渗漏，预应力混凝土衬砌通过施加环向预应力，使衬砌结构始终处于受压状态，大幅提升抗裂性能。施工中通过预埋预应力钢束（如高强度低松弛钢绞线），采用后张法张拉施加预应力，张拉控制应力通常为钢束抗拉强度的 0.7-0.75 倍。某水电站压力隧洞采用预应力混凝土衬砌后，渗漏量从原来的 20L/（min⋅100m） 降至 5L/（min⋅100m） 以下，防水效果显著。

1.3 复合衬砌

适用于地质条件复杂、多风险叠加的隧洞（如穿越岩溶地层、高水位隧洞），由“初期支护 ¹⁺ 防水层 ⋅+ 二次衬砌”组成：初期支护采用喷锚支护（喷射混凝土+锚杆），快速稳定围岩；防水层选用高分子防水卷材（如EVA防水板）或防水涂料，铺设于初期支护表面，防止渗水侵蚀二次衬砌；二次衬砌采用钢筋混凝土，作为永久承载结构。复合衬砌的优势在于“分层防护、各司其职”，例如某南水北调配套隧洞穿越粉细砂地层，通过复合衬砌体系，成功抵御了涌水与围岩坍塌风险。

2 隧洞衬砌施工技术

2.1 衬砌施工前准备

（1）围岩稳定性评估在面临断层及复杂地质环境，诸如破碎松软、高渗水、漏水及流砂等不利条件进行隧洞施工时，首要任务是确保围岩稳定，防止其坍塌，并控制衬砌结构的沉陷与变形。为此，爆破作业后立即清理碎石，并迅速实施支护措施，以缩短掌子面的暴露时间；遵循“新奥法”核心理念———即利用围岩自承能力与适时强化支护相结合的方式，喷射混凝土作业需根据围岩的具体地质特征及变形趋势，采取分层施作的方法，以实现柔性抵抗与动态支护的完美结合。（2）设计方案的确定明确编制依据，包括招标、设计文件、相关规范、规程和规则等技术标准，以及现场调研情况、工期、质量、安全等要求。在编制范围上，需涵盖隧洞所有涉及的衬砌施工内容。（3）施工材料与设备准备项目所需的关键外部建筑材料，包括水泥、钢材、木材、燃油及炸药，材料通过汽车运输，直接送达至施工现场，以确保施工进程的连续性和材料的及时供应；从当地信誉良好的料场直接采购所需的砂砾块石料，以支持施工需求，保证材料质量，减少运输成本。

2.2 喷射混凝土支护技术

（1）材料制备：喷射混凝土采用C20-C25 混凝土，骨料最大粒径≤15mm

（避免堵塞喷射机），掺加速凝剂（初凝时间 ≤10min ，终凝时间 ≤30min ），保证喷层快速凝固；湿喷混凝土的水灰比控制在 0.4-0.5 ，坍落度120-150mm ；（2）设备调试：采用湿喷机械手（如徐工HPC30K）进行施工，调试喷射机压力（工作压力 0.6-0.8MPa ）、喷头与岩壁距离（ （1.5-2.0m） ）、喷射角度（与岩壁垂直或呈 10^∘–15^∘ 夹角），确保混凝土喷射均匀；（3）分层喷射：喷层总厚度根据围岩类别确定（Ⅰ类围岩 3-5cm ，Ⅳ类围岩 10-15cm^⋅ ），采用分层喷射方式，每层厚度 3-5cm ，前一层混凝土初凝后（通常 30min ）再喷射下一层，避免两层混凝土分离；（4）养护：喷射完成后2h内开始养护，采用喷雾养护或覆盖土工布洒水养护，养护时间≥7d，保证喷层强度达标（28d抗压强度≥设计值的 95% ）。

2.3 衬砌混凝土施工

根据衬砌类型选择对应工艺，以钢筋混凝土衬砌为例：第一步钢筋绑扎，按设计图纸绑扎环向与纵向钢筋，钢筋保护层厚度不小于 5cm，采用垫块固定钢筋位置，防止浇筑时移位；第二步模板安装，采用液压模板台车，模板拼缝处粘贴密封胶条，防止漏浆，模板垂直度、圆心偏差需符合规范要求（允许偏差 ：±5mm^⋅ ）；第三步混凝土浇筑，采用泵送混凝土（坍落度 120-160mm ），分层浇筑（每层厚度 30-50cm. ），插入式振捣器振捣密实（振捣时间15-30 秒，至混凝土表面无气泡溢出），浇筑过程中需监测模板变形，若出现位移及时调整；第四步养护，浇筑完成后12 小时内覆盖保湿，养护时间不少于 14 天（采用洒水养护或养护剂养护），确保混凝土强度稳步增长。

2.4 喷锚支护加固施工技术

对于边坡高度 >20m 的高边坡或边坡坡度 >45^∘ 的陡坡，喷锚支护能够有效增强边坡的稳定性，抵抗塌方风险；在地质条件复杂、岩体破碎或节理发育的边坡中，喷锚支护同样表现出色，它能够深入岩体内部，通过锚杆的悬吊、组合梁及加固作用，提高岩体的整体强度；在深基坑工程中，喷锚支护可用于临时或永久支护结构，其能够适应不同土质的基坑，通过锚杆的拉力与喷射混凝土的支撑力共同作用，有效防止基坑坍塌。了解施工区域的地质条件、岩土性质、地下水情况等，为制定支护方案提供依据；根据地质勘察结果和工程要求，制定合理的喷锚支护设计方案，明确锚杆布置、喷射混凝土厚度等参数；确保施工所需的锚杆、喷射混凝土材料、施工设备等齐全且质量合格；严格按照设计方案进行钻孔和锚杆安装，确保锚杆的位置、倾角、深度等符合要求；控制喷射混凝土的配合比、喷射厚度和强度等参数，确保喷射混凝土的质量，喷射过程中注意保持喷射面的平整度和密实度；在锚杆安装完成后进行压力灌浆，确保锚杆与岩体之间的黏结强度，灌浆材料选用符合要求的水泥浆或其他注浆材料。

结语

衬砌类型与喷锚支护体系需根据隧洞地质条件、运行工况差异化选择，复合衬砌与“喷射混凝土+锚杆 ^⋅+ 钢支撑”组合支护适用于复杂地质条件，随着水利工程向深部、复杂地质条件发展，隧洞衬砌与喷锚支护技术将向“智能化、绿色化”方向升级。

参考文献

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[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（9）：69－71.