不良地質(zhì)淺埋暗挖取水隧道施工技術(shù)淺析

陳戴文 靳 旭

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、工程概況

1.工程地質(zhì)概況

CB2隧道是海南昌江核電廠1#、2#機(jī)組循環(huán)水和重要廠用水取水工程。兩條取水隧道閘門井以內(nèi)至PX泵房部分長(zhǎng)度分別為：CB2-1#（西側(cè)隧道）隧道長(zhǎng)1645.185 m，CB2-2#（東側(cè)隧道）隧道長(zhǎng)1652.843 m，屬于中長(zhǎng)隧道，其中Ⅲ類圍巖1096 m（33.2%）、Ⅳ類圍巖558 m（16.9%）、Ⅴ類圍巖1622 m（49.9%）；根據(jù)不同圍巖類別隧道襯砌斷面尺寸分別為 6 m、6.42 m、6.76 m、7.32 m，開(kāi)挖面積30～50 m2不等，二襯設(shè)計(jì)內(nèi)徑為5 m。隧洞中心線縱坡由南向北逐漸降低，CB2隧洞縱坡從PX泵房（中心標(biāo)高-7 m）至取水閘門井段(中心標(biāo)高-14.5 m)坡度約為0.45%，設(shè)計(jì)為倒坡。

取水隧洞工程地質(zhì)分段中靠近海域及海域部分，尤其是海域部分的B、C段（養(yǎng)蝦塘范圍）中頂板較薄地段，頂板以上強(qiáng)風(fēng)化巖體厚度 8 m，全風(fēng)化巖體 4 m，殘積層、砂礫層約 6.4 m，滲水量大，成洞條件差。根據(jù)隧道開(kāi)挖暴露情況，隧道中心以下基本屬于中風(fēng)化巖體，中心以上左側(cè)強(qiáng)風(fēng)化巖體，整體結(jié)構(gòu)較完整，中心貫穿一條構(gòu)造帶，巖體較破碎，滲水量大。隧道中心標(biāo)高-14.5 m，地面標(biāo)高逐漸降低，隧道施工至K0+885 m進(jìn)入蝦塘區(qū)域，隧洞頂部覆蓋層總體厚度 9～20 m，屬于淺埋暗挖隧道。

2.隧道與蝦塘位置關(guān)系

隧道進(jìn)入養(yǎng)蝦塘，蝦塘由幾十個(gè)規(guī)模大小相似的養(yǎng)蝦池組成，總長(zhǎng)約460 m，人工抽取海水用作海產(chǎn)養(yǎng)殖，池底有簡(jiǎn)單隔水措施。進(jìn)入蝦塘后，養(yǎng)蝦池底部地面高程約6.35 m，兩隧道從養(yǎng)蝦池底部穿過(guò)。

根據(jù)地勘資料顯示，隧道施工至蝦塘底部K1+027 m（勘點(diǎn)：QP53）后進(jìn)入V類圍巖段，隧道頂部分布圍巖中逐漸出現(xiàn)珊瑚礁混砂層，混砂層下部分布強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或閃長(zhǎng)巖，一直貫通至海邊，由于海岸一帶均為海積砂層和珊瑚礁混砂層，透水性較好，易造成塌方、海水倒灌等事故。

3.CB2取水隧道所采用的施工方法

本隧道進(jìn)口段圍巖主要為Ⅲ類圍巖，圍巖穩(wěn)定性較好，與地質(zhì)勘察報(bào)告基本相符，故采用全斷面爆破開(kāi)挖方案進(jìn)行施工，施工較為順利。但施工至K0+600 m左右時(shí)，地質(zhì)勘查報(bào)告與實(shí)際開(kāi)挖所揭露的巖體情況相差很大，大部分為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，加上施工承包商未采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及超前探孔措施，對(duì)隧道開(kāi)挖前方的地質(zhì)情況并未真正掌握，只是認(rèn)為該工程隧道洞徑小，安全風(fēng)險(xiǎn)比較小，片面的考慮施工進(jìn)度的因素，故對(duì)各類圍巖均采用全斷面的開(kāi)挖方式進(jìn)行掘進(jìn)。由此而導(dǎo)致在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生了不同程度的塌方、片幫等安全事故。

二、隧道開(kāi)挖施工方法及適用條件

1.全斷面法

全斷面法，即按隧道設(shè)計(jì)斷面輪廓一次開(kāi)挖成形的施工方法。適用于Ⅰ～Ⅲ類圍巖自穩(wěn)性較好的石質(zhì)隧道，可采用深孔爆破施工。其優(yōu)點(diǎn)是有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機(jī)械化作業(yè)，提高施工速度，且工序少，干擾少，采用深孔爆破時(shí)，可加快掘進(jìn)速度，且爆破隊(duì)圍巖震動(dòng)次數(shù)較少，有利于圍巖穩(wěn)定。缺點(diǎn)是要求施工單位有較強(qiáng)的開(kāi)挖、出渣和運(yùn)輸及支護(hù)能力，采用深孔爆破時(shí)，對(duì)鉆爆設(shè)計(jì)和控制爆破作業(yè)要求較高。

2.臺(tái)階法

臺(tái)階法是將設(shè)計(jì)斷面分成上、下斷面先上后下分次開(kāi)挖成形的施工方法。比較適于Ⅳ、Ⅴ類自穩(wěn)性差、成洞條件差的圍巖隧洞中，同時(shí)臺(tái)階長(zhǎng)度不宜超過(guò)隧道開(kāi)挖寬度的1.5倍。

3.單側(cè)壁導(dǎo)坑法

單側(cè)壁導(dǎo)坑法，即一條側(cè)壁導(dǎo)坑超前，另一側(cè)斷面跟進(jìn)施工。特點(diǎn)是每個(gè)開(kāi)挖斷面跨度小，斷面受力合理，使隧道開(kāi)挖更安全、可靠。但工序復(fù)雜，不利于機(jī)械化作業(yè)，施工速度較慢。比較適于圍巖差、隧道跨度大、地表沉降難于控制等地段。

4.雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是先開(kāi)挖隧道兩側(cè)的導(dǎo)坑，并進(jìn)行初期支護(hù)，再分部開(kāi)挖剩余部分。比較適于隧道形狀近似于橢圓形斷面，同時(shí)導(dǎo)坑跨度宜為整個(gè)隧道跨度的1/3，適用于地鐵隧道施工。

5.預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法

預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法是先開(kāi)挖上部環(huán)形導(dǎo)坑，并進(jìn)行支護(hù)、再分部開(kāi)挖中部核心土、兩側(cè)邊墻的施工方法。適用于圍巖地質(zhì)條件差，自穩(wěn)性時(shí)間短，開(kāi)挖前應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行超前支護(hù)，同時(shí)核心土面積應(yīng)不小于整個(gè)斷面面積的50%。

三、隧道V類圍巖全斷面法施工出現(xiàn)的問(wèn)題

1.淺埋軟弱V類圍巖段施工出現(xiàn)問(wèn)題分析

CB2取水隧道淺埋軟弱V類圍巖段最初施工中，采取超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)加固拱頂后，按全斷面法施工，該施工工藝起到了穩(wěn)定掌子面，加固拱部地層的作用，但因隧道位于珊瑚礁混砂層，混砂層下部分布強(qiáng)風(fēng)化花崗巖或閃長(zhǎng)巖，且混砂層松軟、松散、含水，地基承載力低，不能形成有效地基承載結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)隧道拱頂下沉、圍巖收斂量超出設(shè)計(jì)預(yù)留量，地表出現(xiàn)不同塌方、塌腔現(xiàn)象。從超前支護(hù)結(jié)構(gòu)看，隧道掌子面拱頂出現(xiàn)不規(guī)則掉塊現(xiàn)象，超前支護(hù)小導(dǎo)管基本隨塌體塌落、壓彎。這說(shuō)明拱頂?shù)拇怪眽毫νㄟ^(guò)拱頂超前支護(hù)整體下沉進(jìn)行釋放，且臨空面大，同時(shí)隧道拱頂土體松軟無(wú)法提供足夠水平摩擦力，導(dǎo)致拱頂出現(xiàn)不同（程度）塌方、塌腔現(xiàn)象。

2.隧道前期發(fā)生事件統(tǒng)計(jì)

自2011年6月至2012年3月發(fā)生塌方、片幫及掉塊事件統(tǒng)計(jì)情況，詳見(jiàn)表1。從該統(tǒng)計(jì)表中可見(jiàn)2012年2月份以后CB2隧道發(fā)生掉塊及片幫等事件的頻率突然升高，現(xiàn)場(chǎng)施工難度增大。經(jīng)分析，認(rèn)為其主要原因是圍巖突變?yōu)閂類圍巖巖體破碎程度嚴(yán)重、掌子面滲水嚴(yán)重、圍巖自穩(wěn)性差。

四、隧道V類圍巖預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖施工方法的提出

1.預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法及其研究現(xiàn)狀

實(shí)踐證明，在隧道施工中，預(yù)留核心土法是增強(qiáng)掌子面穩(wěn)定的一種有效的輔助施工方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路等隧道建設(shè)中。優(yōu)點(diǎn)是①核心土支擋掌子面，提高了掌子面穩(wěn)定性；②拱部初期支護(hù)及時(shí)，施工安全性較好；③施工難度小，工序簡(jiǎn)單；④不需要臨時(shí)支撐，作業(yè)空間能滿足機(jī)械化要求，施工較快。缺陷是①對(duì)隧道斷面下半部圍巖條件有一定要求，有時(shí)需在拱腳和墻腳圍巖進(jìn)行注漿加固或增設(shè)鎖腳錨桿；②需有強(qiáng)支護(hù)、輔助施工、監(jiān)控量測(cè)、合理布距等相應(yīng)的保證措施。

對(duì)于預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法，迄今已在眾多隧道中取得成功應(yīng)用，包括彭水隧道、河源洞隧道、磨子潭I#隧道、鵝嶺隧道等。該工法常用在力學(xué)性質(zhì)差的圍巖段，核心土長(zhǎng)度多為2～4 m，一次環(huán)形進(jìn)尺一般為0.5～1 m，常采用挖掘機(jī)、人工輔助及弱爆破開(kāi)挖。例如，在IV類圍巖和V類較好圍巖段，常用超前錨桿或超前小導(dǎo)管；在V級(jí)較差圍巖段，常用套拱。

表1 CB2隧道發(fā)生塌方、片幫及掉塊等事件統(tǒng)計(jì)

2.與全斷面開(kāi)挖法對(duì)比分析

在淺埋隧道的受力共同點(diǎn)是：①拱頂部分的錨桿、超前小導(dǎo)管與鋼支撐在不同的施工階段受力都很大；②完工后受壓較大的拱底所承受的圍巖應(yīng)力最大，而且拱底往往都是應(yīng)力集中的地方；③錨桿、超前小導(dǎo)管與鋼支撐的受力在施工中間階段往往是兩側(cè)受力稍大，而完工后則拱底最大。不同點(diǎn)是：錨桿、超前小導(dǎo)管所受軸力、鋼拱架所受軸力和彎矩以全斷面法施工最大，預(yù)留核心土環(huán)形施工法最小。

綜上所述，可以看出相比全斷面法，預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法有利于控制隧道拱頂沉降，同時(shí)提高了隧道穩(wěn)定性。結(jié)合預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法的施工特點(diǎn)和力學(xué)性能，并充分考慮到該隧道的地質(zhì)條件、特點(diǎn)，以及安全性和工期要求等，最終決定采用預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖法作為Ⅴ類圍巖的施工方法。

3.預(yù)留核心土環(huán)形施工法施工工藝簡(jiǎn)易描述

（1）留核心土環(huán)形開(kāi)挖法施工步驟。①拱部安設(shè)超前小導(dǎo)管或超前錨桿，然后預(yù)注漿；②開(kāi)挖上臺(tái)階Ⅰ，施作拱部初期支護(hù)，打鎖腳錨桿；③開(kāi)挖下臺(tái)階Ⅱ，Ⅰ部與Ⅱ部開(kāi)挖間距保持2～5 m，最后施作邊墻、仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)。

（2）V類圍巖拱頂小導(dǎo)管加強(qiáng)技術(shù)措施。V類圍巖采用預(yù)留核心土環(huán)形施工法法施工時(shí)，對(duì)于正常V類圍巖施工段，超前小導(dǎo)管縱向排距為2 m一循環(huán)，小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.5 m，搭接長(zhǎng)度2.5 m，環(huán)向間距為0.25～0.35 m，一環(huán)25根，約127°范圍。對(duì)于風(fēng)化嚴(yán)重的V類圍巖，超前小導(dǎo)管縱向排距加強(qiáng)到1.5 m一循環(huán)，小導(dǎo)管搭接長(zhǎng)度增加到3 m，其他參數(shù)不變。

V類圍巖在進(jìn)行支護(hù)施工時(shí)，上臺(tái)階高度以拱架能夠安設(shè)高度為宜（盡量設(shè)置在起拱線位置），因施工環(huán)境受限，為兼顧施工進(jìn)度，上下臺(tái)階距離可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，但必須確保上臺(tái)階掌子面與下臺(tái)階掌子面距離在1 m左右。上臺(tái)階開(kāi)挖采用人工配合機(jī)械開(kāi)挖，掘進(jìn)0.5～1 cm后，及時(shí)進(jìn)行鋼拱架、網(wǎng)片、噴砼封閉工作，縮短掌子面與已支護(hù)段距離，減少開(kāi)挖臨空面。

針對(duì)V類圍巖風(fēng)化嚴(yán)重巖性軟弱，尤其是蝦塘區(qū)域范圍，巖體破碎程度嚴(yán)重，洞內(nèi)掌子面滲水嚴(yán)重，圍巖自穩(wěn)性差，所以在施工過(guò)程中，把確保圍巖穩(wěn)定、杜絕坍塌放在首位，一般采用機(jī)械輔助爆破開(kāi)挖，嚴(yán)格控制裝單洞單段裝藥量，并不斷修正爆破參數(shù)。及時(shí)有效地做好初期支護(hù)工作，嚴(yán)禁盲目掘進(jìn)。施工原則是弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺、多循環(huán)和勤量測(cè)。

五、施工安全技術(shù)措施

（1）及時(shí)對(duì)已開(kāi)挖裸露的圍巖進(jìn)行噴射砼封閉，在提高圍巖強(qiáng)度的同時(shí)，隔絕水和空氣與巖層的接觸，使裂隙填充物不至于軟化、解體，失去圍巖的自穩(wěn)性。

（2）提前預(yù)測(cè)開(kāi)挖面前方的地質(zhì)情況，包括圍巖的整體性以及斷層、軟弱破碎帶在前方的位置和對(duì)施工的影響，地下水情況等，以便及時(shí)了解預(yù)開(kāi)挖的圍巖情況，并及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)及開(kāi)挖支護(hù)方式。

（3）加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖的監(jiān)控量測(cè)工作，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖的變形趨勢(shì)做出準(zhǔn)確地分析判斷，據(jù)此指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖情況，加大超前支護(hù)強(qiáng)度，增加超前小導(dǎo)管的搭接長(zhǎng)度及加密施打間距，及時(shí)對(duì)臨空面進(jìn)行支護(hù)封閉，形成有效的拱形防護(hù)，確保施工安全。

（5）加強(qiáng)洞內(nèi)防排水工作，給隧道創(chuàng)造良好的施工環(huán)境，加快施工循環(huán)作業(yè)，減少圍巖暴露時(shí)間。

（6）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)督工作，開(kāi)挖與支護(hù)施工過(guò)程中加強(qiáng)安全監(jiān)督等管理工作，發(fā)現(xiàn)圍巖有異常時(shí)立即采取相應(yīng)措施，及時(shí)撤離施工人員。

（7）頂部出現(xiàn)異常塌方時(shí)，在超導(dǎo)上層鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片并噴射砼，形成臨時(shí)拱頂殼體，對(duì)施工人員形成安全的保護(hù)層。

（8）在塌方嚴(yán)重地段，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，采用異型輕型拱架，及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行頂撐，形成支護(hù)層對(duì)施工人員進(jìn)行防護(hù)。

CB2隧道自開(kāi)工截止到全面貫通，歷經(jīng)2年多時(shí)間，因受地質(zhì)條件等因素影響，施工中存在片幫、掉塊、冒頂?shù)劝踩L(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)從安全管理、安全技術(shù)等多方面采取措施，化解了這些安全風(fēng)險(xiǎn)，施工過(guò)程中不但安全、質(zhì)量得到可控，也確保了CB2取水隧道開(kāi)挖和安全貫通。

六、結(jié)束語(yǔ)

本隧道工程在確保安全的前提下保質(zhì)保量的如期完工，說(shuō)明針對(duì)V類圍巖風(fēng)化嚴(yán)重巖性軟弱，尤其是蝦塘區(qū)域范圍調(diào)整施工方法及工藝是合理的，預(yù)留核心土環(huán)形施工法，不僅為超前支護(hù)提供了有利基礎(chǔ)，還能超前探明地質(zhì)情況。為安全施工創(chuàng)造了條件，也為類似的地下工程提供了重要的參考價(jià)值。