戴克任
摘要：本文叙述了水布垭地下电站尾水洞下段，主要为Ⅳ、Ⅴ类围岩的特大型圆型断面洞室开挖施工技术及其取得的成效。
关键词 施工技术 工程地质 锚杆 监测
1 工程概述
水布垭地下电站装机4台，单机容量为460MW，总装机容量1840MW。4条尾水隧洞均呈直线布置，为有压洞，进口底高程166.80m，出口底高程188.80m，平均水平投影长度316.88m。4条尾水洞纵轴线呈等间距分布，间距31m。上下游端分别为20m、25.21m长的渐变段，中间为标准圆形断面，标准段为有坡段，平均坡度为5.7º
由于四条尾水洞围岩主要为~级岩石，围岩产状平缓，层间剪切带广泛发育，岩体结构软硬相间，软岩岩组所占比例高达70%以上，完整性差，设计开挖断面直径为13.7m，混凝土衬砌后断面直径11.3m。
1＃交通洞和1#施工支洞是4条尾水洞施工的唯一对外交通通道。
尾水洞于2003年6月开始开挖，2003年10月28日成功地完成3#尾水洞上半洞开挖及支护，12月23日完成1#尾水洞上半洞开挖及支护，2004年2月23日和3月15日分别开始3#、1#尾水洞衬砌混凝土浇筑。
2 工程地质条件
尾水洞穿越的地层为二迭系下统栖霞组第一段、马鞍组、石炭系中统黄龙组、和泥盆系写经诗组，地层产状235~250º∠12~18ºº,尾水洞轴线与地层走向之间夹角22~43º，栖霞组第一段(P1q1)上部为泥灰岩、页岩与中厚层生物碎屑灰岩互层，中下部为中厚层含泥钙质条带灰岩；马鞍组(P1ma)上部为页岩与灰质页岩夹不连续煤层，下部为石英砂岩粉砂岩；黄龙组(C2h)上部为灰岩、角砾状灰岩，下部为石英砂岩或硅质白云岩；写经诗组(D3x)为泥灰岩、灰岩、条带状灰岩与页岩互层，顶部为页岩或粉砂岩，砂岩夹赤铁矿层。
围岩中剪切带发育。黄龙剪切带岩体碎裂，胶结差，厚度变化较大，一般5~12m。围岩中绝大部分岩体属~级岩石，只有黄龙组下部岩体相对完整，属级岩石。
尾水洞处于河床常水位以下37~25m，局部洞段可能渗水较多，硬岩岩溶较为发育，可能揭穿岩溶函道而存在管涌问题。
由于尾水洞绝大部分洞段顶拱位于剪切带和~级岩石之中，这些岩体强度低、完整性差、且产状平缓，成洞条件差，开挖时易形成塌顶、掉块等失稳现象；因地层产状平缓，剪切带及层面在洞室侧壁出露的迹线长，在断层及裂隙的切割条件下易于形成沿剪切带及层面滑移的随机块体，所以在施工期间存在尾水洞与洞之间的岩柱稳定问题；不良岩体还可能对尾水洞的衬砌形成山岩压力问题。
3 施工程序
根据尾水隧洞所处不良地质条件，为保证洞室安全，采取4条尾水洞间隔洞分批分期施工办法，即首先开始1#、3#尾水洞施工，待两条尾水洞开挖、支护、衬砌混凝土全部完成后，再开始2#、4#尾水洞施工。
四条尾水洞出口均预留20米岩塞段，以防尾水隧洞施工期河水渗入洞内。岩塞段视其岩石破碎情况，必要时进行灌浆加固防渗处理。
每条尾水洞分上下二层开挖，下层又分下层Ⅰ序和下层Ⅱ序施工，上层开挖高度7.5m，下层Ⅰ序开挖高度3.0m，下层Ⅱ序开挖高度3.2m。开挖依次进行，即上层开挖支护全部完成后进行下层Ⅰ序开挖，下层Ⅰ序开挖支护全部完成后进行下层Ⅱ序开挖。
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回转钻岩机(型号：YGZ100)配合自制台车进行钻孔、风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。 | 上层：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。 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。 | 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 | 上层：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。 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。 | 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。 |
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7.5 m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19.6 m长的上层全断面开挖，坡比为8.6%，进口底板高程为172.3 m；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。
② Ⅳ、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 | 13 | 146 |
| 缓凝水泥卷 | 9.2 | 0.306 | 14 | 1946 | 139 |
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6~8 h。
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 | 3d | 7d | ||
| 41.3 | 62.0 | |||||
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 | 0 | 200 | 300 | 400 | 500 | |
| 扭力机读数(KN) | 第一次 | 0 | 50 | 67 | 90 | 106 |
| 第二次 | 0 | 50 | 73 | 90 | 102 | |
| 扭力机平均读数(KN) | 0 | 50 | 70 | 90 | 104 | |
| Xi | Yi | Xi2 | Yi2 | XiYi | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 50 | 200 | 2500 | 40000 | 10000 |
| 3 | 70 | 300 | 4900 | 90000 | 21000 |
| 4 | 90 | 400 | 8100 | 160000 | 36000 |
| 5 | 104 | 500 | 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
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| 扭力扳手读数 | 0 | 200 | 300 | 400 | 500 | |
| 扭力机读数(KN) | 第一次 | 0 | 49 | 65 | 91 | 108 |
| 第二次 | 0 | 54 | 73 | 95 | 112 | |
| 扭力机平均读数(KN) | 0 | 51.5 | 69 | 93 | 110 | |
| Xi | Yi | Xi2 | Yi2 | XiYi | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 51.5 | 200 | 2652.25 | 40000 | 10300 |
| 3 | 69 | 300 | 4761 | 90000 | 20700 |
| 4 | 93 | 400 | 160000 | 37200 | |
| 5 | 110 | 500 | 12100 | 250000 | 55000 |
| ∑ | 323.5 | 1400 | 28162.25 | 540000 | 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，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 |
拉
锚
杆
及
其
配
件
加工
、运
| 输 |
| 测量放样 |
| 钻孔 |
| 清孔 |
| 检查验收 |
| 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 |
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
| 序号 | 作业内容 | 设备名称及型号 |
| 1 | 测量放点 | 全站仪 |
| 2 | 钻孔 | 2台自制多臂台钻 |
| 3 | 装水泥卷 | MQ-25喷 |
| 4 | 张拉 | 扭矩扳手 |
| 5 | 空压机 | 2台20m3/min电动空压机 |
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出时，结束冲洗。
⑷ 钻孔检查与验收
钻孔清洗完毕，进行孔位编号和验收。
⑸ 装速凝水泥卷
安装速凝水泥卷前，安装人员先用杆体试探钻孔的深度，并作出标记。根据设计锚固段长度（2.0m）和钻孔孔径（ф56mm），根据体积法计算并结合现场试验得出水泥卷用量：8m张拉锚杆约需30支（单支速凝水泥卷为ф28L250mm）。水泥卷入孔前应根据所选用的水泥卷出厂使用说明书用清水浸泡（40-120s），然后将水泥卷均匀打入孔内，在注水泥卷时，喷送至孔内预定位置，抠动扳机，将水泥卷均匀打入孔内，在注水泥卷时，喷喷管按水泥卷打入速度均匀退出。速凝药卷的浸泡时间、速凝药卷的每孔用量、安装时间等均作好记录。
⑹ 装缓凝水泥卷
与速凝水泥卷安装一样，先用体积法算出水泥卷用量：8m张拉锚杆约需84-93支（单支速凝水泥卷为ф28L250mm）。然后按所选用的水泥卷出厂使用说明书用清水浸泡，浸泡（40-120s）完毕后，用喷将水泥卷输送至孔底。
⑺ 安插杆体、搅拌水泥卷
缓凝水泥卷装完后，开始安插锚杆体。锚杆安装采取人工安装，采用自制台架，将杆体缓慢推至设计位置。推进时，缓慢转动杆体。为了防止浆液流失，孔口应密封保护。
杆体送至设计位置时，停止推送，然后用木楔临时固定杆体。
锚杆体必须在速凝水泥卷初凝前安装到位。8604-K3型速凝水泥卷的初凝时间为420min。
⑻ 安装托板、垫圈（球形垫）和螺帽
速凝水泥初凝后，开始安装锚杆托板、垫圈和螺帽，并调整托板位置使之与锚杆轴线垂直。若岩面采用球形垫也难以调平螺母与球形垫板平行，可采用适量预缩砂浆或速凝水泥卷找平。当速凝水泥卷达到10Mpa强度（约47-50min后）适当拧紧螺帽，预紧固定托，准备完全终凝后（6-8小时后）张拉。
⑼ 张拉锁定
锚杆的张拉锁定应在缓凝水泥卷初凝前、速凝水泥卷强度（含垫板后找平预缩砂浆）达到20mpa后调整托板、垫圈，张拉和锁定锚杆，根据选用的水泥卷初、终凝时间，张拉时段在装入速凝药卷后6h-8h之间，张拉采用扭力扳手加载。
扭力扳手采用厂家生产配套工具，扭力扳手的最大刻度为1000N·m，经率定：对8m张拉锚杆，张拉力为50KN时，扭力扳手指针读数应为250 N·m，张拉力为设计张拉力的115%时，扭力扳手指针最近读数应为300N·m。
张拉时分二级加载到设计张拉力的115％，荷载加完后应稳定8-20分钟，无异常情况后，撤除加载机具锁定锚杆体。
6 收敛变形观测
四条尾水隧洞开挖断面大、结构复杂、洞室间岩柱（壁）薄，只有17.3m，且存在多组较大的地质断层及随机分布的裂隙性小断层、层间错动和节理，这些软弱结构面相互构成了洞室不稳定因素的各种楔体。基于以上因素，在尾水隧洞施工期，加强对围岩变形进行有效的监测。全面收集掌握施工中围岩及支护的变形和受力情况，结合本工程地质条件、支护类型、施工方法等特点，对爆破进行爆破振动监测，对围岩进行了收敛变形监测，对钢拱架进行了变形观测。在尾水洞出口和20m岩塞段开挖时，还将进行洞脸边坡变形监测。
6.1 围岩收敛变形监测
⑴ 断面布置原则
每条尾水隧洞原则上沿洞轴线各均匀布置8个监测断面，当遇到围岩地质条件比较复杂时，加密收敛监测断面，确保施工安全。
⑵ 收敛变形监测原理
洞室内壁面两点连线方向的位移之和称为“收敛”，收敛值为当前监测距离与基准值之差，围岩收敛变形监测是地下洞室施工安全监测的重要项目，收敛值是最基本的监测数据，必须测量准确，计算无误。
a测试原理
洞室的开挖，改变了岩体的初始应力状态，由于围岩应力重分布的洞壁应力释放的
结果，使围岩产生了变形，洞壁有不同程度的向内净空位移，我们在开挖后的洞壁(含顶、底)上，及时安设测点，采用不同的观测手段，观测其两测点的相对位移值，如上图所示。
b测试手段
净空相对位移测试观测手段很多，但基本上都是由壁面测点、测尺(测杆)、测试仪器和联结部分等组成。
壁面测点：由埋入围岩壁面30~50cm的埋杆与测头组成，由于观测的手段不同，测头有多种形式，一般为销孔测头与圆球测头，它代表围岩壁面变形情况，因而要求对测点加工要精确，埋设要可靠，在测头管理中要精心。
测尺(测杆)：一般是打孔的钢卷尺、或金属管对围岩壁面某两点间的相对位移测取粗读数。除对测尺的打孔、测杆的加工要精细外，在观测中，还要注意测尺(测杆)长度的温度修正
测试仪器：是净空位移测试的主要构成部分，一般由测表、张拉力设施与支架组成。测表多为10、30mm的百分表或游标尺，用此对净空变化量进行精读数，张拉力设施一般采用重锤、弹簧和应力环，观测时由它对测尺进行定量施加拉力，使每次施测时测尺张力处于同一受力状态。支架是组合测表、测尺、张拉力设施等的组合结构，在满足测试要求的情况下，以尺寸最小、重量最轻为宜。
联结部分：是联结测点和仪器(测尺)的构件,一般采用单向(销接)或万向(球铰接)联结，它们的核心问题是既要保证精度，又要联结方便，操作简单，能作任意方向测试。
净空相对位移计算：
Un=Rn-Ro
式中：Un为第n次量测时净空相对位移值；Rn为第n次量测时的观测值；Ro为初始观测值。测尺为普通钢尺时，还需消除温度的影响，尤其当洞室净空大(线长)，温度变化大时，应进行温度修正，其计算式为：
Un=Rn-Ro-aL(tn-to)
式中：tn为第n次量测时温度；to为初始时量测时温度；L为量测基线长；a为钢尺线膨胀系数(一般a=12×10-6/0C)。
当净空相对位移值比较大，需要换测试钢尺孔位时(即仪表读数大于测试钢尺孔时)，为了消除钻孔间距的误差，应在换孔前先读一次，并计算出净空相对位移值(Un)。换孔后应立即再测一次，从此往后计算即以换孔后这次读数为基数(即新的初读数Rno)，此后净空相对位移(总值)计算式为：
Uk=Rn+Rk-Rno (k＞n)
式中：Uk为第k次监测时净空相对位移值；Rk为第k次监测时的观测值；Rno为第n次监测时换孔后的读数。
如变形速率高，监测间隔期间变形量超出仪表量程，可按下式计算净空相对位移值：
Uk=Rk-Ro+Ao-Ak
式中：Ao为钢尺初始孔位；Ak为第k次监测时钢尺孔位；Rk为第k次监测时的观测值；Ro为初始观测值。
6.2 边坡围岩内部位移监测（多点位移计监测）
由于洞室开挖引起边坡围岩的应力变化与相应的变形，距临空表面不同深度处是各不相同的。围岩内部位移监测，就是观测围岩表面、内部各测点间的相对位移值，它能较好地反映出围岩受力的稳定状态，岩体扰动与松动范围。该项测试，是位移观测的主要内容，一般工程都要进行这项测试工作。由于尾水洞出口20m岩塞段和出口尾水平台明挖还未进行施工，因此还有待研究。
6.3 钢拱架变形观测
尾水隧洞开挖成败的关键是7.5m高的上层开挖，为了确保已开挖成型的洞室稳定。从7月30日起，加强了监测密度，安排测量队对钢拱架进行变形观测，间隔3m为一个观测断面，每个断面均匀布置3个观测点，观测范围是距掌子面80m范围内，观测频率为2次/天，每天对观测数据进行分析，及时反馈分析成果。
7 尾水洞开挖期洞室稳定浅析
7.1 初期支护后洞室稳定性浅析
根据普氏塌落拱高度计算公式，计算塌落拱高度h1
h1=b0/(2fK)
开挖跨度b0=13.7m，修正的普氏系数初期取fK=3，则得h1=2.283m
水布垭尾水洞围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类岩石，此处只对最不利情况作分析，即只对Ⅴ类围岩进行开挖初期支护稳定分析，Ⅴ类围岩的岩石坚固系数f为3，根据有关资料在围岩的岩石坚固系数f＞2时，可以不计侧向围岩压力。
在隧洞顶部形成一个高度为2.283m的塌落拱，尾水洞初期支护主要承受的荷载为塌落拱的自重，钢拱架支护在沿洞轴线方向间距1.0m，所选的受力分析体长1.0m，现对受力最不利的单元体（如下图所示的隧洞顶拱阴影部分）分离出进行稳定分析：
单元体自重G1=V1·γ=3.998m2×1.0m×2.6KN/m3=10.40KN。
加固锚杆所能承受的拉力F1：
F1=0.78×103KN/m2×π×0.042m×(3.5-2.283)m=125.19KN
注：Ⅴ类围岩砂浆与围岩之间的附着力取0.78Mpa、加固锚杆孔径取42mm，Ⅴ类围岩密度取2.6KN/m3
由此可以看出F1＞G1，洞室不稳定因素很多，但20a工字钢、连接钢筋和喷射砼与之形成一个整体使洞室初步稳定。
7.2 张拉锚杆支护后洞室稳定性初探
根据普氏塌落拱高度计算公式，计算塌落拱高度h2
h2=b0/（2fK）
开挖跨度b0=13.7m，修正的普氏系数取fK=2，则得h2=3.425m
在此只对最不利情况Ⅴ类围岩在张拉锚杆支护后进行稳定分析，同样不计侧向围岩压力。
如下图所示，在隧洞顶部形成一个高度为3.425m的塌落拱，尾水洞主要承受的荷载为塌落拱的自重，锚杆支护在沿洞轴线方向的排距为1.5m，所以所选的受力分析体长1.5m，现对受力最不利的单元体（如下图所示的隧洞顶拱阴影部分）分离出进行稳定分析：
单元体的自重G2=V·γ=6.555m2×1.5m×2.6KN/m3=25.57KN。
张拉锚杆所能承受的拉力F2：
F2=0.78×103KN/m2×π×0.056m×(8-3.425)m=627.48KN
注：张拉锚杆孔径取56mm。
但φ28mmⅡ级螺纹钢筋所能承受的最大拉力为：
[σ]·s=3.332×104N/cm2×6.158cm2=205.18KN
即一根张拉锚杆所能承受最大拉力F2=205.18KN
由此可以看出，分离的最不稳定单元体在有张拉锚杆作为支护、钢拱架作为安全系数考虑是稳定的。
8 结束语
水布垭地下电站尾水洞已经成功、顺利完成开挖，事实表明此套开挖施工技术对地质条件极差、很难成洞的特大断面洞室是比较适用，但它还存在着不足，等待我们继续在实践中去总结完善它。
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