隧洞支洞進(jìn)口開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工

李國(guó)東

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166）

隧洞支洞進(jìn)口開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工

李國(guó)東

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166）

大伙房輸水工程（一期）隧洞全長(zhǎng) 85.32 km，沿線分布的 16 條支洞位于不同的地質(zhì)地段和地表環(huán)境，采取不同的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)和不同開(kāi)挖形式，對(duì)工程的進(jìn)度、安全性和經(jīng)濟(jì)性有著較大的影響。此工程采用明洞套拱施工，有效完成了 3 種不同地質(zhì)條件的進(jìn)洞施工，為類似工程條件的項(xiàng)目提供參考。

大伙房輸水工程；隧洞邊坡；開(kāi)挖

1 工程概況與地質(zhì)描述

遼寧大伙房輸水工程是目前世界上單線線路最長(zhǎng)、TBM 單機(jī)掘進(jìn)最長(zhǎng)的輸水隧洞。整個(gè)隧洞全長(zhǎng) 85.32 km，直徑 8.0 m，其中附屬工程（臨時(shí)和永久支洞）有 16 條施工支洞。整個(gè)隧洞中的 58.74 km 為 3 臺(tái)開(kāi)敞式全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，單臺(tái) TBM 掘進(jìn)長(zhǎng)度為 20 km 左右，而且每臺(tái) TBM施工需 2~3 條支洞，相臨兩支洞間間距為 10 km 左右。工程總施工工期為 5.5 年，全線施工工期最為緊張的就屬TBM 1標(biāo)段。

此工程所在區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒、干燥，夏季溫?zé)帷⒍嘤?，氣溫變化幅度較大，全年 6~8 月為雨季，10 月至來(lái)年的的 4 月（約半年）為冰凍季節(jié)，全年最佳戶外施工為 3個(gè)來(lái)月。3條支洞洞口位于河流邊上，每年8月份為洪水爆發(fā)期。

10號(hào)支洞洞臉邊坡較緩，地表植被發(fā)育，表層為厚30～50 cm 的腐植土，以下為坡積碎石土，厚度 8m 左右，下部為全強(qiáng)風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖。碎石土中碎石成分主要為正長(zhǎng)斑巖，粒徑大小不均勻，一般碎塊小于 40 cm，含量 50%左右；呈全強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，礦物成分完全變質(zhì)，巖石破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)，完整性極差，含水量較高。10 號(hào)支洞無(wú)規(guī)模較大斷層（構(gòu)造）通過(guò)，但地層節(jié)理組數(shù)較多，節(jié)理間距一般較大，節(jié)理張開(kāi)度較小，絕大多數(shù)閉合，節(jié)理面平直光滑～平直粗糙。

11 號(hào)支洞洞臉邊坡較陡，植被發(fā)育，邊坡上覆蓋有坡積物，厚度 0.5~1.0 m?；鶐r為太古代混合巖(M 1)，強(qiáng)風(fēng)化~弱風(fēng)化，中硬。邊坡巖石裂隙發(fā)育，組數(shù)較多，多數(shù)節(jié)理張開(kāi)度較大，節(jié)理面平直光滑~平直粗糙，充填風(fēng)化巖屑。巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，整體強(qiáng)度不足，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。整條支洞所穿過(guò)的巖石為太古界混合巖，其弱風(fēng)化巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為 36～63 MPa，微風(fēng)化巖為60～80 MPa；洞線與節(jié)理裂隙多近直交，且密度較小。

12 號(hào)支洞洞臉邊坡陡峭，基巖裸露，巖性為白堊系小嶺組角礫熔巖、凝灰質(zhì)砂巖，弱風(fēng)化~強(qiáng)風(fēng)化，中硬。洞口前有 2~3 m 的碎塊石土，碎塊石成份是凝灰質(zhì)砂巖。邊坡表層風(fēng)化卸荷，邊坡頂部存在 4 處危巖體，體積 10~20 m3。邊坡主要發(fā)育有長(zhǎng)大裂隙 8條，其中 6條裂隙產(chǎn)狀為NW 300°SW(或 NE) ∠72~87°；2 條裂隙產(chǎn)狀為 NE60°SE∠60~70°。邊坡部位節(jié)理發(fā)育，微張~張開(kāi)，巖屑或泥質(zhì)充填，巖體破碎，整體強(qiáng)度不足。

支洞進(jìn)洞開(kāi)挖支護(hù)施工的工程特點(diǎn)及主要施工難點(diǎn)：

1）支洞施工工期緊。10 號(hào)支洞長(zhǎng) 1 580 m，為保證設(shè)備按期進(jìn)洞，必須月進(jìn)尺達(dá) 166 m；11 號(hào)支洞考慮擴(kuò)大洞室、投料孔等施工的影響，對(duì)于斜井施工月進(jìn)尺達(dá) 100 m；12 號(hào)支洞長(zhǎng) 2.6 km，由于考慮 TBM 設(shè)備交貨期推遲的影響，為趕工平均月進(jìn)尺將達(dá) 100 m。

2）此工程支洞施工環(huán)保要求高。為了避免洞口大開(kāi)挖施工，減少土方開(kāi)挖量，保護(hù)山林植被，避免破壞生態(tài)環(huán)境，從安全美觀實(shí)用，經(jīng)濟(jì)合理方面考慮，各個(gè)支洞口采用直接強(qiáng)行進(jìn)洞的暗挖施工方案。

3）各個(gè)洞口地質(zhì)條件復(fù)雜，技術(shù)要求高，施工工藝要求嚴(yán)格，安全問(wèn)題必須引起足夠重視。10 號(hào)支洞為土質(zhì)邊坡，為兩山頭間巖石風(fēng)化坡積而成，地勢(shì)為緩坡；11 號(hào)支洞屬土石混合邊坡，坡體稍陡，植被不甚茂密，進(jìn)口邊坡上部為強(qiáng)風(fēng)化砂卵石地層，坡腳即見(jiàn)強(qiáng)風(fēng)化巖石；12 號(hào)支洞屬巖石邊坡，坡體極陡，邊坡不穩(wěn)定塊體塌滑和小型塊體松動(dòng)掉塊出現(xiàn)可能性較大。3個(gè)洞口邊坡安全穩(wěn)定問(wèn)題非常突出。

2 邊坡破壞分析

此工程3個(gè)支洞洞口開(kāi)挖涉及到兩個(gè)方面的穩(wěn)定問(wèn)題：一是邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定問(wèn)題，二是因洞口段進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中隧洞周邊的變形或坍塌引起洞口邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題。其進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中引起邊坡破壞形式為洞口滑坡、開(kāi)挖掌子面塌方和滯后掌子面洞口段塌方，不同地質(zhì)情況的邊坡破壞形式對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力作用機(jī)理。

1）土質(zhì)邊坡：開(kāi)挖方式選用人工配合機(jī)械。坡體內(nèi)富含地下水，其自穩(wěn)能力和整體穩(wěn)定性較差，進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中受上覆土體自重應(yīng)力和滲透水壓力作用下形成下沉或開(kāi)裂變形，最后形成隧洞洞壁的坍塌和邊坡失穩(wěn)。

2）土石混合邊坡：開(kāi)挖方式選用人工鉆爆和機(jī)械開(kāi)挖方式相結(jié)。地下水受地表降雨影響較大，其邊坡自穩(wěn)能力相對(duì)土質(zhì)邊坡較強(qiáng)，但受開(kāi)挖方式和施工機(jī)械影響較大。進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中圍巖主要受上覆土體自重應(yīng)力和滲透水壓力作用，在巖體內(nèi)滑裂面或土巖結(jié)合面滑動(dòng)破壞。

3）巖石邊坡：開(kāi)挖方式一般選用人工鉆爆，開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，不注意也很容易引起滑坡或坍塌。開(kāi)挖過(guò)程中圍巖主要受上覆土體自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和裂隙水壓力作用下，沿巖體內(nèi)部節(jié)理滑裂面滑動(dòng)破壞。

根據(jù)邊坡開(kāi)挖的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)技術(shù)以及安全方面等的考慮，最后確定的開(kāi)挖支護(hù)原則采用“早進(jìn)洞、少明挖；強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺；保安全、勤觀測(cè)”十八字方針，最終確保各個(gè)支洞施工的順利進(jìn)行。

3 工程設(shè)計(jì)與施工

根據(jù)以上分析，3個(gè)洞口的地質(zhì)條件不盡相同，開(kāi)挖方式不同，洞口邊坡破壞方式不同，洞口支護(hù)處理方式也不同。但無(wú)論何種邊坡支護(hù)及開(kāi)挖形式，施工過(guò)程中始終要合理運(yùn)用新奧法施工原理，進(jìn)行信息化施工。

3.1 支洞口位置選擇

支洞洞口位置的選擇是否合理，關(guān)系到施工難度、工期長(zhǎng)短、工程造價(jià)、施工安全性和后期的維護(hù)等。因此應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）支洞洞口應(yīng)盡量避開(kāi)不利地質(zhì)構(gòu)造，如坡腳坡積物較厚、兩山頭交匯處、地下水位豐富地段等，否則，將會(huì)增加作用于臨時(shí)或永久支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力和外水壓力；或隧洞兩邊坡積物厚度嚴(yán)重不均造成嚴(yán)重偏壓等情況。

2）支洞洞口離主洞距離盡量短（建議不要長(zhǎng)于 2 km），坡度盡量不要超過(guò) 12%，且每隔 200~250 m 設(shè)置一個(gè)緩平臺(tái)。

3）支洞口應(yīng)能布置安放臨時(shí)施工設(shè)施的平臺(tái)。

4）支洞口高程應(yīng)考慮防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。

5）支洞口與外界的交通聯(lián)系方式。

3.2 洞口邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工

對(duì)于坡積砂礫石土層邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)采用 φ20，L＝2 000 mm，間距 1 200 mm 錨桿，掛 φ8@200×200 的鋼筋網(wǎng)、噴100 mm 厚 C 20 混凝土；坡面根據(jù)滲水情況設(shè)置 L＝2 000 mm 的塑料排水管；坡頂合適位置設(shè)置截水溝；邊坡開(kāi)挖采用 1:0.75 放坡；對(duì)于中等風(fēng)化巖石邊坡采用 φ20，L＝2 000 mm，間距 2 000mm 錨桿，掛 φ8@200×200 的鋼筋網(wǎng)、噴100 mm 厚 C20 混凝土；錨桿間距可根據(jù)巖層節(jié)理面作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；開(kāi)挖施工前將坡頂危巖處理掉；對(duì)于巖塊較破碎（大小不超過(guò) 40 cm 的巖石占絕大多數(shù)） 時(shí)采用 1∶0.6 進(jìn)行放坡；若一般塊巖石超過(guò)2 m 且節(jié)理發(fā)育時(shí)盡量不破壞自然邊坡的穩(wěn)定性，只進(jìn)行危巖處理后再噴錨支護(hù)施工；對(duì)于高邊坡應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)分析后再?zèng)Q定是否采用預(yù)應(yīng)力錨索或柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行支護(hù)。

坡積礫石土邊坡開(kāi)挖原則采用“分部開(kāi)挖、邊挖邊護(hù)”。每層開(kāi)挖高度為 2 m 左右，先用反鏟開(kāi)挖，在接近設(shè)計(jì)邊坡 0.5~1 m 時(shí)改用人工修坡，盡量不人為破壞坡體的自然穩(wěn)定性。修坡后先初噴 30~50mm 厚混凝土，然后掛網(wǎng)，并施工排水孔，再二次噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。噴混凝土終凝3 d后進(jìn)行下部開(kāi)挖。中等風(fēng)化巖石邊坡開(kāi)挖原則采用“新奧法”原理進(jìn)行施工，即“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤觀測(cè)”。

3.3 支洞口開(kāi)挖鎖口設(shè)計(jì)與施工

根據(jù)洞口邊坡開(kāi)挖的失穩(wěn)破壞模式適當(dāng)調(diào)整洞口開(kāi)挖的鎖口支護(hù)方式。此工程各支洞口都處于地質(zhì)條件比較差的地段，為了保證邊坡和隧洞開(kāi)挖的施工安全和穩(wěn)定性，各個(gè)支洞開(kāi)挖施工都采取了“洞口鎖口”的支護(hù)方式，并貫徹執(zhí)行“先護(hù)坡鎖口、后強(qiáng)行進(jìn)洞”的原則進(jìn)行施工。

對(duì)于 10 號(hào)支洞，洞口段附近約 45 m 為松散的坡積物，且含水量較高。為加快施工進(jìn)度，保證施工安全，在洞口外設(shè)置2 m長(zhǎng)的混凝土套拱（即明洞段）。套拱內(nèi)設(shè)置三榀 H180 鋼支撐，并在套拱周邊設(shè)置導(dǎo)向用孔口管，為下步的超長(zhǎng)管棚施工作準(zhǔn)備。混凝土套拱施工時(shí)基礎(chǔ)必須座在中等風(fēng)化基巖上，混凝土澆注可以采取支模板背部人工澆注或迎面噴射混凝土方式，且進(jìn)口處位置必須設(shè)置一榀鋼支撐并澆注在混凝土內(nèi)。待混凝土套拱形成3 d后開(kāi)始下步開(kāi)挖。

11號(hào)支洞由于上半部是松散的坡積物、下半部是節(jié)理基巖，結(jié)合洞門(mén)的設(shè)計(jì)在在洞口外設(shè)置 2 m 長(zhǎng)的混凝土套拱（即明洞段），套拱內(nèi)設(shè)置三榀 H 180 鋼支撐，相臨鋼支撐之間用 φ22@100 鋼筋連接，然后噴射厚 300 mm 的 C25混凝土進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。進(jìn)口端鋼支撐外沿用小導(dǎo)管管棚加強(qiáng)支護(hù)，小導(dǎo)管為長(zhǎng) 2m 的 φ42 鋼管。

12號(hào)支洞為節(jié)理發(fā)育的陡峭山坡，進(jìn)洞開(kāi)挖初期以坡體蠕動(dòng)、坡面危巖滾落為主，在洞口位置設(shè)置 1 m 長(zhǎng)的混凝土套拱，套拱內(nèi)設(shè)置兩榀 H 180 鋼支撐，鋼支撐上部設(shè)置 φ22 錨桿超前支護(hù)，錨桿長(zhǎng) L＝3 500mm，間距 400mm，外插角 10°。待洞口鎖口結(jié)構(gòu)形成后再進(jìn)行隧洞開(kāi)挖。

3.4 洞口隧洞開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

洞口段及Ⅳ類圍巖段開(kāi)挖采用“正臺(tái)階上下分層法”施工。對(duì)于砂礫石層或極破碎巖石采用機(jī)械開(kāi)挖掌子面，并預(yù)留“核心土”。待上臺(tái)階開(kāi)挖清理完并支護(hù)拱腳以上的鋼格柵，拱腳施工 2~4 根 φ22 長(zhǎng) 2.5 m 鎖腳錨桿，再開(kāi)始施工下臺(tái)階。對(duì)于不易用機(jī)械清除的巖石，采用小藥卷松動(dòng)爆破。Ⅳ類圍巖采用光面爆破。鋼拱架底座下臥到基巖面，挖不到基巖面的部位采用擴(kuò)大基礎(chǔ)替代。每循環(huán)進(jìn)尺控制在 50~100 cm。洞室開(kāi)挖根據(jù)“新奧法”原則進(jìn)行信息化施工，即“短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，勤觀測(cè)”的原則施工。

1）10 號(hào)支洞由于洞口段附近約 45 m 為松散的坡積物（含粘土較多），且含水量較高。為加快后期施工進(jìn)度，并保證施工安全，在原鎖口套拱預(yù)留管內(nèi)開(kāi)始施工超長(zhǎng)管棚。

套拱預(yù)留管的施工：在施工鎖口套拱時(shí)注意調(diào)整套拱工字鋼底座高程，使預(yù)留管延長(zhǎng)線和隧洞軸線間的夾角控制在 1%~2%；環(huán)向間距位置在隧洞頂部 5@500，其余控制在間距 800~1 000 mm。工字鋼拱架周焊接?127 預(yù)留管，長(zhǎng)度隨坡面距離進(jìn)行調(diào)整。在鋼拱架內(nèi)側(cè)將背負(fù)式模板固定在拱架或預(yù)留管上，進(jìn)行混凝土澆注?；炷翉?qiáng)度 C25，厚 300 mm?；炷翉?qiáng)度達(dá)到 70%時(shí)，拆模進(jìn)行下道工序的施工。

超長(zhǎng)管棚的施工：為加快進(jìn)度，用2臺(tái)空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)MK-5型水平鉆機(jī)進(jìn)行成孔，施工方式由兩邊向中間進(jìn)行。注意施工前要將鉆機(jī)施工平臺(tái)搭建牢固，以免施工過(guò)程中鉆進(jìn)方向偏離或卡鉆。成孔過(guò)程中應(yīng)注意控制施工速度，避免塌孔，取鉆桿時(shí)注意堵孔埋桿事故發(fā)生。成孔完后安裝 108 鋼管，根據(jù)鉆孔地質(zhì)情況決定是否需灌漿處理。

開(kāi)挖支護(hù)施工：洞口段 20 m 左右為松散砂礫石坡積土，H 180@800~1 200 鋼支撐 、φ22@1 000 拉筋連接 、掛φ8@150×150 鋼筋網(wǎng)、噴 C25 混凝土厚 150 mm；另 25 m為 H160@1 000~1 200 鋼格柵支撐、掛 φ8@150×150 鋼筋網(wǎng)、噴 C 25 混凝土厚 150 mm。開(kāi)挖施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有小量塌方時(shí)，沿鋼支撐周邊插設(shè)鋼插板，封閉巖面、防止坍塌。鋼插板厚度為 3 mm，尺寸根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。

固結(jié)灌漿處理：洞口段由于地下水豐富，洞壁滲水嚴(yán)重，多次凍融會(huì)破壞臨時(shí)支護(hù)，故應(yīng)做防滲固結(jié)灌漿處理，處理后以洞壁不滴水為標(biāo)準(zhǔn)。灌漿處理注意控制灌漿壓力，避免壓壞鋼格柵，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)鋼格柵變形監(jiān)控測(cè)量。

2）11 號(hào)支洞洞口段為 V 類圍巖，開(kāi)挖施工采用光面爆破，開(kāi)挖進(jìn)尺控制在 1 m 左右；洞口段至內(nèi) 20m 施作H160@1 000 鋼格柵支護(hù)。滲水地段需經(jīng)過(guò)防滲灌漿處理。

3）12 號(hào)支洞洞口 15 m 為Ⅳ類圍巖以上，前 4 m 采用H 160@800 鋼支撐支護(hù)，環(huán)向 φ22@1 000 拉筋連接，邊墻調(diào)整為 2m 間距。后 11m 采用 H160@1 000 鋼格柵支護(hù)，拉筋系統(tǒng)設(shè)計(jì)不變。在洞口段開(kāi)挖下一循環(huán)時(shí)，應(yīng)在鋼支撐上部施工 φ22 錨桿超前支護(hù)。錨桿長(zhǎng) L＝35 00mm，間距300 mm，外插角 5°。滲水地段需經(jīng)過(guò)防滲灌漿處理。

上述鋼支撐或鋼格柵斷面大小應(yīng)預(yù)留 5 cm 的變形量。

4 結(jié)論

1）隧洞進(jìn)洞開(kāi)挖破壞是地質(zhì)條件、開(kāi)挖方式和支護(hù)方式等綜合因素的結(jié)果，無(wú)論忽視哪一個(gè)環(huán)節(jié)或因素都會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。有條件的項(xiàng)目部應(yīng)加強(qiáng)分析計(jì)算軟件在隧洞開(kāi)挖施工應(yīng)用。

2）隧洞進(jìn)洞開(kāi)挖一定要采取信息化施工：設(shè)計(jì)前應(yīng)充分了解地質(zhì)條件和環(huán)境情況，施工過(guò)程中加強(qiáng)地質(zhì)條件和變形的觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)分析結(jié)果不斷調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案，并確保開(kāi)挖施工的順利進(jìn)行。

3）根據(jù)“新奧法”原理確定此工程進(jìn)洞段施工原則是“早進(jìn)洞、少明挖；強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺；保安全、勤觀測(cè)”。

4）隧洞開(kāi)挖時(shí)結(jié)合洞門(mén)的設(shè)計(jì)方案確定合適的洞口鎖口方式（此工程采用明洞套拱方式），既保證隧洞開(kāi)挖過(guò)程中的施工安全，又節(jié)約工程造價(jià)，值得在地質(zhì)條件復(fù)雜地段采納。

［1］馮衛(wèi)星，況勇，陳建軍著.隧道坍方案例分析［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2002.

［2］SL386-2007，水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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2013-04-16