新疆某砂礫技石術(shù)隧方洞案的開(kāi)挖支護(hù)

張明義

（新疆水利水電科學(xué)研究院 烏魯木齊830049）

劉 章

（葛洲壩新疆工程局 烏魯木齊830049）

肖青春

（新疆水利水電科學(xué)研究院 烏魯木齊830049）

1 工程概況

新疆北部某砂礫石隧洞工程位于北疆某輸水干渠上，干渠設(shè)計(jì)輸水流量74m3/s，加大輸水流量85m3/s，屬大（1）型Ⅰ等工程。隧洞全長(zhǎng)1780m，是干渠的咽喉工程，為無(wú)壓明流隧洞。

該隧洞穿越第四系中更新統(tǒng)砂礫石地層，洞軸線(xiàn)走向SW36.85°，隧洞洞身段圍巖結(jié)構(gòu)松散，砂礫石層內(nèi)有厚0.5～3.0m的砂層透鏡體分布，沿洞線(xiàn)方向的分布長(zhǎng)度為350～950m。洞身段埋深50～68m，地下水位低于隧洞底板。砂礫石干密度為1.9～2.0g/cm3，縱波速度為1000～1200m/s，彈性抗力系數(shù)為 100～200N/cm3，礫石含量為80%，一般粒徑為20～200mm，最大粒徑為300mm，磨圓度中等，礫石成分為花崗巖、凝灰角礫石，膠結(jié)差。隧洞整體屬V類(lèi)圍巖，成洞條件差，施工中易塌方，洞室一經(jīng)開(kāi)挖，邊頂拱砂礫石隨即塌落，在砂層透鏡體分布地段，塌落更嚴(yán)重。

隧洞按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合襯砌，開(kāi)挖斷面為7.6m×7.6m的城門(mén)洞形，混凝土成型斷面為6.2m×6.2m的馬蹄形，以鋼筋格柵、連接筋、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土作為一次支護(hù)，噴護(hù)厚度20cm，緊跟模筑50cm厚的現(xiàn)澆C25混凝土作為二次襯砌。

2 開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)方案

2.1 隧洞鎖口處理

洞臉鎖口處理是隧洞工程順利進(jìn)行洞身段施工的基本前提，該隧洞出口段為第四系砂礫石，非常松散，而且漂（礫）石較多，粒徑較大，超前錨桿、超前管棚或灌漿施工均無(wú)法實(shí)施，進(jìn)洞難度很大。為確保隧洞能順利進(jìn)行洞挖施工，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，確定了如下施工方案：

a.洞臉邊坡按1∶1.5開(kāi)挖完成后，先快速將洞臉進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)處理（采用φ8鋼筋，間距×排距為15cm×15cm）C25混凝土噴8cm厚，洞室兩側(cè)砌筑重力式漿砌石擋墻進(jìn)行洞臉邊坡加固。

b.在洞底起坡處1m以外的位置，先立一榀導(dǎo)向鋼拱架，鋼拱架伸入建基面以下50cm，并澆筑30cm寬C25條狀混凝土，然后從導(dǎo)向鋼拱架開(kāi)始向洞口方向每0.5m依次立一榀鋼拱架，每?jī)砷摴凹苤Я⑼瓿珊?，立即進(jìn)行聯(lián)系筋焊接（φ22，環(huán)向間距 1m）和掛網(wǎng)（φ8，15cm×15cm）施工，并對(duì)鋼拱架后有砂礫石部位采用噴C25混凝土厚20cm進(jìn)行加固處理，該工序直至進(jìn)洞第一榀鋼拱架安裝完成為止。

c.在鋼拱架架設(shè)、聯(lián)系筋安裝、掛網(wǎng)全部完成后，將洞臉掛網(wǎng)φ8鋼筋與鋼拱架網(wǎng)片可靠焊接，在鋼拱架(兩側(cè)臨空的)外側(cè)覆蓋黑塑料布，在內(nèi)側(cè)噴C25混凝土直至20cm厚，并與已噴混凝土及周?chē)吰逻B接成一個(gè)整體，為安全進(jìn)洞打好基礎(chǔ)。

d.洞口的開(kāi)挖和支護(hù)，嚴(yán)格遵照“短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，快封閉，勤測(cè)量”的施工原則進(jìn)行。開(kāi)始進(jìn)洞后施工順序?yàn)橄软敼昂筮厜?，為保證隧洞鎖口安全，減少漸變段施工所需時(shí)間，進(jìn)洞后30m范圍內(nèi)鎖口均采用每40cm設(shè)一榀鋼拱架，鋼拱架之間環(huán)向每1m設(shè)一根φ22聯(lián)系筋，掛網(wǎng)（φ8，15cm×15cm）噴 20cm 厚 C25混凝土進(jìn)行鎖口，強(qiáng)行進(jìn)洞。

2.2 洞室開(kāi)挖與支護(hù)

由于砂礫石結(jié)構(gòu)松散、不膠結(jié)，地質(zhì)條件復(fù)雜，洞室一經(jīng)開(kāi)挖周邊圍巖松動(dòng)變形快、早期壓力大，如果施工方法和輔助施工措施不當(dāng)，易造成邊頂拱坍塌和支護(hù)嚴(yán)重變形。

一般在Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)圍巖中，當(dāng)洞徑超過(guò)5.5m時(shí)，從安全的角度出發(fā)，必須實(shí)行分部開(kāi)挖，每一循環(huán)開(kāi)挖后應(yīng)立即支護(hù)，防止圍巖變形過(guò)大而造成塌方事故。實(shí)行分部開(kāi)挖的目的是限制開(kāi)挖后圍巖與一次支護(hù)的變形速率，防止全斷面開(kāi)挖時(shí)圍巖和一次支護(hù)變形過(guò)大而失穩(wěn)，是保護(hù)圍巖穩(wěn)定的重要措施。該隧洞開(kāi)挖時(shí)通過(guò)對(duì)常規(guī)工序與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的充分研究，基于新奧法（NATM）施工原理，調(diào)整開(kāi)挖順序，創(chuàng)新開(kāi)挖工序，制定新的施工規(guī)則，提出了T型開(kāi)挖法，在保證施工安全的前提下，優(yōu)化作業(yè)循環(huán)，提高快掘進(jìn)速度。

a.洞室開(kāi)挖。洞室開(kāi)挖采用兩臺(tái)階分步平行開(kāi)挖法進(jìn)行施工，施工順序見(jiàn)下圖。先開(kāi)挖上導(dǎo)洞，上導(dǎo)洞部分Ⅰ區(qū)人工用風(fēng)鎬、鐵鍬開(kāi)挖至設(shè)計(jì)線(xiàn)，小挖掘機(jī)（0.2m3）配合出碴。當(dāng)Ⅰ區(qū)開(kāi)挖完成后立即進(jìn)行鋼筋拱架、網(wǎng)片和連系筋的安裝，并噴護(hù)C25混凝土至一襯設(shè)計(jì)線(xiàn)。然后用小挖掘機(jī)（0.2m3）開(kāi)挖上部臺(tái)階的核心土臺(tái)（Ⅱ區(qū)，長(zhǎng)3m左右）和下部臺(tái)階首端斷面的Ⅲ區(qū)。同步錯(cuò)開(kāi)進(jìn)行下部臺(tái)階首端斷面邊墻部位Ⅳ區(qū)和Ⅴ區(qū)的開(kāi)挖，即采用小挖掘機(jī)直接開(kāi)挖裝碴，3～5輛5t自卸車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，同時(shí)人工用十字鎬、風(fēng)鎬配合挖掘機(jī)修至設(shè)計(jì)面，開(kāi)挖完成后立即進(jìn)行鋼筋拱架、網(wǎng)片和聯(lián)系筋的安裝，并噴護(hù)C25混凝土至一襯設(shè)計(jì)線(xiàn)。洞室開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺一般以控制在0.5～1.2m為宜。為盡量避免施工干擾，并有效減小核心土臺(tái)的高度，確保施工安全，上下臺(tái)階應(yīng)相錯(cuò)15～20m為宜。并將臺(tái)階開(kāi)挖成斜坡，以減小核心土臺(tái)的高度。此方法的改進(jìn)，不僅提高了施工進(jìn)度，同時(shí)確保了施工安全。

洞室開(kāi)挖分區(qū)、順序圖

b.鋼拱架安裝、掛網(wǎng)。安裝頂拱鋼筋拱架過(guò)程中應(yīng)確保拱架位置在設(shè)計(jì)斷面上，各項(xiàng)偏差在規(guī)范的允許范圍內(nèi)，拱架安裝、調(diào)整好后將φ8鋼筋網(wǎng)（15cm×15cm）緊貼開(kāi)挖面，用鋼拱架頂住并牢固地焊接在拱架上，每?jī)砷凹苤Я⑼瓿珊?，環(huán)向每1m立即焊接一根聯(lián)系鋼筋（φ22），以增強(qiáng)格柵拱架的整體支護(hù)強(qiáng)度，之后跟進(jìn)噴護(hù)混凝土和開(kāi)挖核心土臺(tái)、邊墻部位，再安裝邊墻拱架、網(wǎng)片、聯(lián)系筋。

鋼拱架支撐由主筋（φ25螺紋鋼）、附筋（φ12、φ8圓鋼）組成△形，底部寬度為18cm，高度為16cm。每榀鋼拱架由四段組成，每段鋼拱架的端部設(shè)一塊鋼腳板（δ=1cm），鋼拱架與鋼板用U形和L形φ20螺紋鋼筋可靠焊接，相臨兩塊鋼板采用3根φ20螺栓連接，每榀拱架之間用φ22螺紋鋼筋連接。鋼拱架固定采用兩側(cè)起拱處分別增設(shè)2根L50×5角鋼（長(zhǎng)度60cm，向上仰角15°）深入砂礫石中，并澆筑條形C25混凝土固定，角鋼要與鋼拱架焊接牢固。為確保拱腳牢固，防止圍巖側(cè)壓力造成鋼拱架變形破壞，增設(shè)了格柵拱架混凝土基座，尺寸為0.5m×0.5m×0.5m，澆筑C25混凝土，確保了格柵拱架的鋼度和強(qiáng)度。

2.3 噴射混凝土

待鋼拱架、網(wǎng)片安裝完成經(jīng)過(guò)驗(yàn)收后，進(jìn)行頂拱或邊墻的噴護(hù)，噴射作業(yè)先從拱腳或墻腳向上堆噴，以防止上部噴射回彈料虛掩拱腳（墻腳）使混凝土不密實(shí)，造成失穩(wěn)。噴射時(shí)先將凹洼部分找平，然后噴射凸出部分，并使其平順連接。噴射操作應(yīng)沿水平方向以螺旋形劃圈移動(dòng)，并使噴頭盡量與受?chē)娒姹３执怪?，噴嘴口與受?chē)娒婢嚯x以0.6～1.0m為宜。噴射混凝土表面應(yīng)大面平整并濕潤(rùn)、光澤。

噴射混凝土用水泥選用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度不低于32.5MPa，砂石料采用堅(jiān)硬耐久且磨圓度較好的天然砂和豆料石，細(xì)度模數(shù)為2.5～3.0，豆料石最大粒徑為15mm。為降低洞內(nèi)粉塵，選用“濕噴法”噴射混凝土，將砂、豆料石和水泥按配合比拌和，在噴射處加水噴射，速凝劑在噴射時(shí)加入噴射機(jī)上料口。控制好噴射水灰比在0.4～0.5之間，要注意巖面起伏情況，一次噴射厚度為5～7cm，后一次噴射應(yīng)在前一層終凝后進(jìn)行，以保證噴層厚度，提高層面均勻性，減少回彈率。噴射時(shí)風(fēng)壓要均勻。噴射過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)混凝土表面有松散下墜、滑移或拉裂，應(yīng)及時(shí)清除，重新噴射。

2.4 塌方處理方案

洞挖中在松散的砂礫石段發(fā)生塌方現(xiàn)象時(shí)，立即暫停隧洞洞挖施工，采用噴混凝土的辦法將已形成的空腔段封閉，同時(shí)封閉掌子面。噴混凝土前預(yù)留灌漿管，向頂部空腔內(nèi)灌注水泥凈漿。灌漿分時(shí)段進(jìn)行，一次灌漿厚度不得大于25cm，以防止頂部荷載過(guò)大，影響支護(hù)安全。灌漿分多次進(jìn)行，直至頂拱灌漿厚度達(dá)到二襯厚度（即50cm）以上。灌漿過(guò)程中對(duì)各檢查孔隨時(shí)進(jìn)行檢查，同時(shí)加強(qiáng)鋼拱架變形觀(guān)測(cè)。處理完成后，采用短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)的原則繼續(xù)進(jìn)行施工，結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整鋼格柵榀距。再次開(kāi)挖時(shí)，采用鋼絲網(wǎng)對(duì)塌落部位立即進(jìn)行封閉，封閉端部采用φ25鋼筋制成三角架支撐，完成后用C25混凝土噴護(hù)8cm厚進(jìn)行防護(hù)。防護(hù)完成后，再按常規(guī)施工方法進(jìn)行鋼拱架φ8鋼筋網(wǎng)片和連接筋安裝及噴護(hù)施工，直至噴護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度即0.2m，必要時(shí)對(duì)空腔再進(jìn)行灌漿處理。上述處理完成后，即可安全順利地穿越塌方段。在隧洞施工過(guò)程中，多次采用該方法處理塌方段和隧洞頂部托空問(wèn)題，確保了隧洞施工安全和工程質(zhì)量。

當(dāng)遇到松散的砂層透鏡體及流砂時(shí)，先將制作好的條狀鋼板（厚 2～3mm）超前打入待開(kāi)挖頂拱區(qū)域（120°～150°范圍），施工人員再進(jìn)行頂拱開(kāi)挖、格柵拱架安裝、噴混凝土。采用縮小格柵拱架榀距(適用榀距0.2～0.5m)、噴射混凝土封閉掌子面方法，進(jìn)行回填灌漿加固。開(kāi)挖后，在鋼板下部掛網(wǎng)噴護(hù)C25混凝土20cm厚，預(yù)留灌漿孔進(jìn)行灌漿。應(yīng)注意控制灌漿壓力。灌漿厚度頂部為50cm，分幾次間歇向頂部空腔灌注，待二襯混凝土完成后，對(duì)其余空腔部位采用回填灌漿灌注密實(shí)。

2.5 貫通施工

貫通施工是隧洞施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要目的是確保貫通安全和貫通施工精度。在松散的砂礫石隧洞施工中，貫通安全尤其重要。

在隧洞剩余30m和15m洞挖時(shí)，再次校正隧洞軸線(xiàn)和四等高程點(diǎn)，并進(jìn)行貫通測(cè)量，確保貫通精度；在隧洞洞挖進(jìn)尺剩余2倍洞徑，（15m左右）時(shí)，停止一端掌子面開(kāi)挖，并噴混凝土5cm厚封閉該處掌子面，另一端掘進(jìn)；考慮應(yīng)力集中對(duì)隧洞的影響，將鋼拱架逐漸遞增加密；開(kāi)挖時(shí)盡量少擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)圍巖，保持圍巖的固有承載力；在距掌子面1倍洞徑（7.5m）時(shí)，采取人工開(kāi)挖的形式進(jìn)行開(kāi)挖。在上半拱貫通后，測(cè)定隧洞貫通精度，同時(shí)兩端交錯(cuò)進(jìn)行拱腳開(kāi)挖支護(hù)，直至全斷面貫通。施工時(shí)，必須加強(qiáng)變形觀(guān)測(cè)，以確保安全。

3 結(jié)語(yǔ)

該工程洞挖歷時(shí)15個(gè)月，采用進(jìn)出口兩個(gè)工作面施工，月進(jìn)尺120m，比合同工期提前一個(gè)半月勝利貫通，單元工程合格率100%、優(yōu)良率89.6%，分部工程全被評(píng)為優(yōu)良，獲得了質(zhì)量、進(jìn)度、安全獎(jiǎng)勵(lì)。施工中嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則，加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，確保了工程質(zhì)量與工程進(jìn)度，為今后類(lèi)似工程施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。