多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧洞開挖及支護(hù)施工技術(shù)

袁 媛

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊830000）

1 工程概況

某水電站引水隧洞工程位于新疆伊犁州尼勒克縣境內(nèi)的喀什河上游河段，隧洞全長2175m，設(shè)計開挖斷面71.2m2，洞徑8.9m。該工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧洞上半洞為無膠結(jié)松散砂卵礫石層，局部夾有砂層透鏡體，且有較多孤石出露，孤石粒徑不等（最大粒徑超過2m），隧洞下半洞地層為紅褐色泥巖夾薄層砂礫巖。

在砂卵礫石層內(nèi)，賦存孔隙型潛水，地表水補(bǔ)給充分，在拱肩以上分布有多處滴水點。泥巖夾薄層砂礫巖節(jié)理較發(fā)育，沿節(jié)理面有地下水流出。由于受基巖頂托，在基巖面與砂卵礫石層的交接處，地下水溢出，水量較大。隧洞開挖后受應(yīng)力重新分布和施工過程擾動，坍塌、超挖現(xiàn)象嚴(yán)重，成洞困難。

2 隧洞開挖及支護(hù)

2.1 超預(yù)判

由于本隧洞起拱線以上為砂卵礫石層，其具有密度大、大粒徑飄石含量高、顆粒級配不良、滲透性強(qiáng)、卵石強(qiáng)度高、孔隙型潛水從砂卵礫石層與泥巖層交接面溢出等特點，使得隧洞開挖、支護(hù)困難，超前支護(hù)及鉆孔方式必須兼有注漿與自進(jìn)功能。

2.2 超前管棚

用C25噴射混凝土封閉掌子面，作為止?jié){墻同時也防止在鉆孔時掌子面坍塌。在拱部120°范圍內(nèi)，開挖輪廓線以外10cm，打設(shè)R51L超前邁式管棚（如圖1），長6～8m，管棚環(huán)向間距30cm，縱向搭接長度≥1m，外插角3°～5°。管棚壁上鉆有準(zhǔn)10mm圓孔，間距60cm，梅花型交錯布置，以加大漿液滲透能力。邁式管棚采用YGL-100A型全液壓履帶式管棚機(jī)鉆送。

2.3 預(yù)注漿

注漿數(shù)量的控制采用定壓和定量相結(jié)合的方法，注漿數(shù)量及注漿壓力基本是固定的，按需要填充的空隙量選定，以所處圍巖總體積的百分?jǐn)?shù)表示，在砂卵礫石層注漿量可高達(dá)40%。

圖1 邁式管棚縱橫斷面

注漿采用水泥——水玻璃雙漿液，漿液的凝膠時間能準(zhǔn)確控制在十幾秒至十幾分鐘范圍內(nèi)。注漿前先用漿液把孔中水壓出管外，待漿液流出的濃度與漿池中的漿液的濃度相同時，再密封孔口，加壓并把壓力穩(wěn)定在0.5～1MPa之間，不要間斷注漿。水泥漿攪拌完畢后采用1mm×1mm網(wǎng)篩過濾，放入葉片立式攪拌機(jī)進(jìn)行二次攪拌，確保漿液均勻。注漿順序由下向上，不可倒置。

2.4 洞內(nèi)開挖

工藝控制采用方法：

開挖掘進(jìn)30cm——管棚制作——安裝首榀拱架——錨桿安裝——鋼筋網(wǎng)片制安——噴射混凝土——開挖掘進(jìn)——鋼拱架制安——錨桿安裝——鋼筋網(wǎng)片制安——噴射混凝土——安裝第2排——錨桿安裝——循序漸進(jìn)，以此類推，完成隧洞的安全掘進(jìn)。因此選擇合理的支護(hù)時機(jī)，判斷支護(hù)的實施效果，并對支護(hù)參數(shù)及時進(jìn)行調(diào)整，使隧洞施工實現(xiàn)了動態(tài)化管理，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

第一步開挖采用弧形開挖預(yù)留核心土方式，開挖進(jìn)尺不超過1m，核心土的作用除對掌子面和拱部圍巖起穩(wěn)定作用外，還可作為人工操作平臺以便于支護(hù)，核心土預(yù)留必須有一定長度和寬度，以滿足人工作業(yè)為準(zhǔn)，開挖高度2.5m，核心土體長4～6m，上頂寬3～4m，便于人工對上臺階進(jìn)行一次支護(hù)。主要采用挖機(jī)配以人工開挖，欠挖部分適用鐵鍬及風(fēng)鎬找欠，對于掌子面開挖輪廓線出露較大孤石時，采用溫控靜態(tài)爆破技術(shù)，在孤石上沿開挖輪廓線打眼，孔間距不超過30cm，孔內(nèi)裝入膨脹劑藥包進(jìn)行膨脹開裂，以減少對掌子面的震動。

中下臺階采用左右馬口跳槽開挖，開挖進(jìn)尺不超過2m，跳槽的間距不得少于2m，嚴(yán)禁在同一斷面上使左右鋼架同時處于懸空狀態(tài)，以保證安全。中臺階開挖高度選擇3m，臺階長6m。下臺階開挖高3.5m，臺階長7m。泥巖部分采用礦山斗挖機(jī)開挖，對于稍微堅硬的泥巖，則在挖機(jī)上配置獨(dú)鉤獵土器，每次能夠?qū)⒛鄮r鉤松30～50cm，開挖速度較快。

2.5 支護(hù)措施

根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場實際情況，在圍巖自穩(wěn)的時效內(nèi)，采用分部連續(xù)開挖一次性支護(hù)的方式，避免施工工序交叉，加快了施工進(jìn)度。開挖完畢及時出渣，對巖面找欠排險后，先在開挖面噴射一層4～6cm混凝土進(jìn)行封閉，防止巖體風(fēng)化、軟化，產(chǎn)生較大的流變。

拱架采用永久支護(hù)，計算采用塌落拱理論加一次支護(hù)與永久支護(hù)聯(lián)合受力，根據(jù)巖體受力特點進(jìn)行分析，確立了一次支護(hù)受力分?jǐn)?0%，二次分?jǐn)?0%，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力計算確立了一次支護(hù)采用型鋼拱架的支護(hù)形式。

2.5.1 鋼拱架安裝

泥巖和砂卵礫石層具有大變形和流變效應(yīng)，一次支護(hù)需要較大剛度。為減小圍巖收斂，防止圍巖失穩(wěn)，及時調(diào)整了支護(hù)型式，采用［18工字鋼架支護(hù)，拱架單元的劃分和間距隨圍巖情況和開挖方式的改變進(jìn)行了調(diào)整。拱架調(diào)整為6單元，鋼架間距50～80cm。鋼拱架拱腳置于質(zhì)地均勻的砂卵礫石層上或無水浸泡的泥巖上，嚴(yán)謹(jǐn)拱腳懸空或采用虛碴回填。

2.5.2 鋼架連接筋及網(wǎng)片

每榀拱架之間由準(zhǔn)20鋼筋連接，環(huán)向間距1m，內(nèi)外交錯布置，焊縫必須飽滿，焊接牢固。準(zhǔn)8鋼筋掛網(wǎng)材料由機(jī)械運(yùn)輸至安裝面人工安裝及焊接，網(wǎng)片搭接長度不小于20cm。

2.5.3 噴射混凝土

埋設(shè)鋼筋頭做量測噴厚標(biāo)志，噴嘴與巖面距離0.6～1.2m為宜，噴射方向大致垂直于巖面，從下至上分段分層施噴，每次噴厚4～6cm，分多次噴至設(shè)計厚度。噴混凝土面灑水保持濕潤養(yǎng)護(hù)。噴射作業(yè)參數(shù)通過生產(chǎn)試驗確定，在保證噴射混凝土密度的前提下，盡量減少回彈量。噴混凝土強(qiáng)度采取現(xiàn)場噴射取樣試驗，厚度通過預(yù)埋鋼筋做厚度標(biāo)志或鉆孔測深檢查，外觀質(zhì)量通過肉眼檢查評價。

2.5.4 鎖腳錨桿

砂卵礫石地層由于地質(zhì)松散，造孔困難且鉆桿不易拔出，本工程采用R32N自進(jìn)式中空錨桿，集造孔與注漿功能，施工速度快，便于迅速加固圍巖。每單元鋼架底腳處打設(shè)2根鎖腳錨桿并注射水泥—水玻璃漿液，錨桿單根長3m。

泥巖在干燥狀態(tài)下比較堅硬，當(dāng)遇水后短時間內(nèi)就會變軟，鉆桿造孔用水會破壞泥巖強(qiáng)度。所以在泥巖部位采用YT28風(fēng)槍將準(zhǔn)25鋼筋擊入巖體，速度快，質(zhì)量有保證，拉拔力能滿足設(shè)計要求，擊入式錨桿每處拱腳設(shè)置2根，單根長2m。

鎖腳錨桿與鋼架、準(zhǔn)25連接鋼筋焊接牢固，形成“抱箍”狀態(tài)以消耗或平衡了圍巖的二次應(yīng)力。

2.5.5 隨機(jī)錨桿

為了保證施工安全，防止圍巖質(zhì)量進(jìn)一步惡化，在水量較大、圍巖松散洞段徑向打設(shè)R25N自進(jìn)式中空隨機(jī)錨桿，注射水泥—水玻璃漿液，起到徑向固結(jié)圍巖作用，加固改良了松散圍巖，平衡圍巖開挖后產(chǎn)生的松弛應(yīng)力，作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，與圍巖一起構(gòu)筑成新的穩(wěn)定體系。

2.5.6 底板封閉

鋼拱架落底后，鋼拱架縱向托梁用［18工字鋼連接，基座斷面尺寸0.5m×0.5m，噴射C25混凝土。隧底鎖口采用C20混凝土澆筑，厚度20cm，內(nèi)置［18工字鋼，底板閉合鋼架支撐隧洞邊墻工字鋼架，從而形成牢固而穩(wěn)定的空間曲線結(jié)構(gòu)。

2.6 洞內(nèi)排水

混凝土噴護(hù)前，在泥巖與砂卵礫石交接面地下水集中的部位安裝透水盲管，盲管用無紡?fù)凉げ及?，防止被噴射混凝土包裹夾心。盲管用準(zhǔn)5cm橡膠管將巖層孔隙水導(dǎo)出洞外或臨時排水溝。洞底殘留水通過可移動式水箱抽或集水坑抽排至洞外。

2.7 監(jiān)控量測

該隧洞依據(jù)監(jiān)控量測及現(xiàn)場實際施工情況，通過大量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)開挖斷面的大小對變形影響較大，當(dāng)開挖上臺階時，變形較大，收斂較快；但當(dāng)開挖中下臺階時，隨開挖斷面擴(kuò)大，變形迅速增加，尤其是兩側(cè)邊墻變形增長較快，對圍巖穩(wěn)定不利，其變形約占總變形量的70%。當(dāng)洞室開挖進(jìn)尺達(dá)到3倍洞徑時，圍巖變形基本完成。通過對本隧洞監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析，掌握圍巖變形規(guī)律，預(yù)測圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

監(jiān)控量測在施工期對洞內(nèi)變形采用視準(zhǔn)線法進(jìn)行五點六線觀測，收斂變位采用單點位移計進(jìn)行觀測。沉降變位采用三點兩線控制吊點法跟蹤定位，有效確立支護(hù)時段。

3 結(jié)語

（1）多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)隧洞洞室一經(jīng)開挖其圍巖松動變形很快，早期壓力大，如果施工方法和輔助施工措施不當(dāng)，很容易造成大的塌方或支護(hù)嚴(yán)重變形現(xiàn)象。

（2）采用超前管棚預(yù)支護(hù)，周邊人工開挖可減小對圍巖的擾動，可以大量減少拱部圍巖的掉塊，有效控制超欠挖及不良地質(zhì)因素帶來的塌方，塌方處理應(yīng)按照“小塌清，先支后清”、“大塌穿，先護(hù)后挖”及“治塌先治水”的原則進(jìn)行。

（3）通過本工程施工實例表明，采用超前管棚預(yù)支護(hù)施工措施是合理的，即縮短工期，又提高工程效率。

［1］李洪，宋彥剛，郗舉科.紫坪鋪水利樞紐工程導(dǎo)流洞大斷面隧洞大斷層穿越開挖施工技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2004，35（1）：56-59.

［2］張雪剛，熊平初，馮波.鄉(xiāng)城水電站古河床地質(zhì)條件下的隧洞開挖與初期支護(hù)［J］.水利水電施工，2011（4）：50-52，107.

［3］丁勇.馬來西亞巴貢水電站隧洞開挖施工難點處理［J］.四川水力發(fā)電，2011，30（5）：77-80.

［4］楊多.長河壩水電站工程地質(zhì)缺陷段的洞室開挖［J］.水電站設(shè)計，2013，29（1）：42-46.