不良地質(zhì)段超大斷面隧洞管棚支護(hù)施工技術(shù)

李國亞 賈平

中國水利水電第八工程局有限公司 湖南長沙 410004

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程庫尾伏流工程位于大壩上游，貴州省赫章縣平山鄉(xiāng)六沖河河段，距大壩直線距離約40km，距畢節(jié)市約70km，距赫章縣約50km，平山至畢節(jié)和赫章有G326 國道及畢威高速通過，交通條件較好。庫尾伏流工程小天橋泄洪工程由2條泄洪隧洞組成，隧洞斷面均采用城門洞型斷面，斷面尺寸12×16.5m，頂拱中心角120°。泄洪隧洞為3 級建筑物，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，小天橋設(shè)計(jì)流量為1720m3/s。

小天橋段槽谷長約700m，最低處為河床，高程1278m，槽谷內(nèi)最高處高程1364m，槽谷寬70～130m。已查明槽谷地形為古河床，小天橋伏流河段古河床槽谷內(nèi)存在古崩塌堆積體，槽谷內(nèi)普遍分布深厚覆蓋層，成分復(fù)雜，地表為坡積物及崩塌堆積物，成分為大塊石(巨石)及碎塊石等，結(jié)構(gòu)松散。根據(jù)圍巖不同，開挖寬度12.76～14.0m，開挖高度16.87～18.3m。

2 不良地質(zhì)洞段存在的主要問題

小天橋泄洪隧洞不良地質(zhì)洞段主要為大塊石、巨塊石堆積體，其間充填碎塊石、粘土，局部存在大塊石架空、小空腔，洞頂垮塌嚴(yán)重，洞室不規(guī)則，洞頂及邊墻塊石為極不穩(wěn)定狀態(tài)。比如在小天橋1#泄洪隧洞開挖至樁號0+403掌子面時(shí)，地質(zhì)狀況均為松散塊狀堆積體大塊石，其間充填碎石粘土，因其形成年代久遠(yuǎn)，有一定的重力固結(jié)及溶鈣物膠結(jié)，僅可短期自穩(wěn)。從樁號0+403開始，根據(jù)設(shè)計(jì)現(xiàn)場查勘意見采用Ⅴ類圍巖雙層工字鋼開挖支護(hù)形式掘進(jìn)至0+413.5時(shí)，洞頂出現(xiàn)垮塌，垮塌后空腔內(nèi)均為大（巨）塊石，可見大塊石架空，局部見鈣化物膠結(jié)現(xiàn)象。在小天橋2#泄洪隧洞開挖至掌子面樁號0+356時(shí)，地質(zhì)狀況同樣為松散塊石堆積體，其間充填碎石粘土，0+348～0+352按照設(shè)計(jì)現(xiàn)場勘察意見采用IV類偏差圍巖的方式進(jìn)行支護(hù)，0+352～0+356段圍巖鑒定為Ⅴ類，0+356掌子面于2016年11月洞頂出現(xiàn)局部垮塌，垮塌后空腔內(nèi)均為大（巨）塊石，可見大塊石架空現(xiàn)象，局部見鈣化物膠結(jié)現(xiàn)象，按照設(shè)計(jì)地質(zhì)專家推測，隧洞已進(jìn)入河槽崩塌堆積體范圍。

圖1 小天橋1#泄洪隧洞0+413.5m 塌方

圖2 小天橋2#泄洪隧洞0+356m掌子面圍巖

3 針對不良地質(zhì)條件采取的監(jiān)控措施

（1）通過對開挖出來的掌子面圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行分析，采取測量監(jiān)測的施工方法，對其安全穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測；（2）通過采用掌子面地質(zhì)素描手段，在初步設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)地調(diào)查核實(shí)，以確定隧洞的地層、巖性、巖層產(chǎn)狀；（3）通過和設(shè)計(jì)資料的對比、分析，為隧洞掘進(jìn)提供地質(zhì)情況預(yù)報(bào)。掌子面地質(zhì)素描在隧洞開挖作業(yè)每一開挖循環(huán)后立即進(jìn)行，根據(jù)掌子面暴露巖層的層理、節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)狀況、巖體軟硬程度等方法，判斷開挖前方的地質(zhì)情況，若有異常情況，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況制定相應(yīng)的處理措施。

4 針對不良地質(zhì)洞段的開挖支護(hù)設(shè)計(jì)

頂拱及側(cè)墻噴射厚度20cm；鋼筋掛網(wǎng)采用HPB300級鋼筋，鋼筋直徑8mm，間排距20cm。系統(tǒng)錨桿采用水泥砂漿錨桿，桿件選用HRB400級螺紋鋼筋，錨桿直徑25mm，頂拱及側(cè)墻系統(tǒng)錨桿長6.0m，底板系統(tǒng)錨桿長4.5m/3.0m，長短錨桿間隔布置。鋼支撐采用I20b工字鋼，環(huán)向間距0.5m；每榀鋼拱架采用12對長6.0m、直徑Φ25的砂漿錨桿錨固；洞軸線分布鋼筋采用HRB400級螺紋鋼筋，錨桿直徑25mm，間距1.0m，與環(huán)向工字鋼點(diǎn)焊連接。超前錨桿支護(hù)采用水泥砂漿錨桿，桿件選用HRB400級螺紋鋼，錨桿直徑Φ32mm，錨桿長9.0m（深入巖體8.7m），環(huán)向間距5°（間距75cm），洞軸向排距7.5m，孔向與洞軸線夾角5°，搭接長度1.5m。超前管棚支護(hù)采用Φ108×6mm注漿大管棚，大管棚布置在隧洞頂拱120°范圍，鋼管間距40cm，每個(gè)循環(huán)段長度15m，搭接長度1.5m；外傾角5°；大管棚鋼管內(nèi)設(shè)置4根HRB400級Φ16螺紋鋼組成的鋼筋束；鋼管選用高頻淬火無縫鋼管Φ108mm，壁厚6mm，每節(jié)長1.5m、3m，各節(jié)間采用絲扣連接；水泥砂漿注漿壓力初定為0.5～1Mpa，注漿量按150kg～200kg/m控制。

5 管棚施工方法

5.1 管棚工作室施工

不良地質(zhì)洞段由于圍巖自穩(wěn)性差，在管棚段施工前，確定管棚工作室位置尤為重要。在小天橋泄洪隧洞不良地質(zhì)洞段管棚施工時(shí)，為便于架設(shè)鉆機(jī)，安設(shè)鋼管，管棚工作室斷面擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)開挖線以外1m，工作室長度4m。工作室段采用單層I20b鋼拱架支撐，間距0.5m，掛網(wǎng)、噴射20cm厚混凝土支護(hù)。

5.2 鉆孔施工

（1）鉆機(jī)就位。鉆機(jī)就位前，先將鉆機(jī)施工區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)進(jìn)行夯實(shí)、平整，確保在鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)不發(fā)生傾斜、下沉或滑動(dòng)。鉆機(jī)的底板采用水平尺或水準(zhǔn)儀將其調(diào)平。鉆臂的仰角與設(shè)計(jì)仰角保持一致。鉆機(jī)采用JK580履帶式液壓鉆機(jī)。

（2）鉆進(jìn)。施鉆時(shí)，鉆機(jī)大臂必須緊貼掌子面，以防止過大顫動(dòng)，提高施鉆精度。鉆機(jī)開孔時(shí)鉆速宜低，鉆深最少100cm后轉(zhuǎn)入正常鉆速。施鉆過程中，由于不良地質(zhì)段的長度不確定，因此在施鉆過程中鉆孔記錄要詳細(xì)。

5.3 管棚跟管施工

（1）跟管工藝：鉆頭推進(jìn)時(shí)套管直接跟進(jìn)，管棚一次成型，達(dá)到本節(jié)鋼管的最大行程，退鉆、接桿、接管后，繼續(xù)跟管鉆進(jìn)直至達(dá)到孔深。

（2）接長管件材質(zhì)滿足管棚受力的要求，相鄰管的接頭前后錯(cuò)開，避免接頭在同一個(gè)斷面受力。

（3）封閉鋼管尾部先用麻布條封堵管棚鉆孔空隙，然后用環(huán)形楔環(huán)頂緊，最后用電焊將楔形環(huán)焊接在管棚上。

（4）跟鉆鉆進(jìn)施工過程中，如出現(xiàn)鉆孔深度較深，受大塊石之間孔隙影響，鉆孔向下傾斜，跟管操作不了時(shí)，可及時(shí)采取先灌注水泥砂漿固結(jié)，達(dá)到一定強(qiáng)度后，再次跟管鉆進(jìn)，保證鉆孔角度及深度。

5.4 鋼筋束施工

（1）鋼筋束采用4根縱向Φ16鋼筋制作，長度7.5m，與環(huán)向Φ6.5鋼筋焊接，環(huán)向鋼筋間距50cm。鋼筋籠半徑36.5mm。制作完成后，在鋼筋束首尾端各采用Φ6.5鋼筋焊接一個(gè)“十字”與鋼筋籠點(diǎn)焊，防止鋼筋束直接與無縫鋼筋接觸，保證注漿管路不堵塞及注漿效果良好。

（2）鋼筋束鋼筋選用無銹蝕、無油污、無鐵銹的鋼筋，鋼筋有銹蝕的使用前要除銹，除銹采取人工用鋼絲刷方法除去鋼筋表面的銹斑、銹漬。

（3）鋼筋束鋼筋選用平直、無局部彎折的鋼筋材料，對彎曲的鋼筋調(diào)直后使用。調(diào)直采用冷拉或調(diào)直機(jī)調(diào)直，冷拉法多用于箍筋的調(diào)直，采用冷拉法調(diào)直時(shí)應(yīng)勻速慢拉，Ⅰ級鋼筋冷拉率不得大于2%，Ⅱ級鋼筋冷拉率不得大于1%。主筋端部彎折無法調(diào)直，采用無齒鋸切割[1]。

5.5 鋼筋束安裝

鋼筋束骨架在鋼筋加工廠整體制作加工成型。鋼筋束主筋接頭要錯(cuò)開，在每一截面上接頭數(shù)量不得超過50%，按設(shè)計(jì)要求的鋼筋位置布置好箍筋，箍筋間距50cm。箍筋與主筋連接采用焊接。成型后的鋼筋束自檢合格后報(bào)監(jiān)理工程師驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后掛牌置于專用場地，采用下墊上蓋存放，妥善保護(hù)。鋼筋束采用20t自卸汽車運(yùn)至施工現(xiàn)場，在工作面利用挖掘機(jī)吊放安裝。

5.6 注漿方式

注漿采取“控制性充填灌漿方式”，即單孔分3次間歇性灌漿，第1次注入純水泥漿（水灰比0.5：1，灰量以300kg控制），間歇20～30分后，進(jìn)行第2次純水泥漿（水灰比0.5：1，灰量以300kg控制）注入，間歇20～30分后，進(jìn)行第3次注漿，采用M30高流態(tài)水泥砂漿（灰量以300kg控制）且必須保證Φ108鋼花管內(nèi)砂漿灌滿。

5.7 注漿

（1）安裝好有孔鋼花管、放入鋼筋籠后即對孔內(nèi)注漿，漿液由ZJ-400高速制漿機(jī)拌制。

（2）采用注漿機(jī)將漿液注入管棚鋼花管內(nèi)，注漿應(yīng)滿足要求，若注漿量超限，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)調(diào)整漿液濃度繼續(xù)注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍空隙充填飽滿。管棚注漿順序原則上遵循著“先兩側(cè)后中間”、“跳孔注漿”、“由稀到濃”的原則。注漿施工由兩端管棚鋼管開始注漿，跳孔進(jìn)行注漿施工，向隧道拱頂鋼管方向推進(jìn)，開始時(shí)注漿的漿液濃度稍低，逐漸加濃至設(shè)計(jì)濃度。有利于注漿的漿液向拱頂方向擴(kuò)散。

6 結(jié)語

夾巖水利工程庫尾伏流工程小天橋泄洪隧洞洞室開挖支護(hù)是在地質(zhì)條件復(fù)雜、古崩塌堆積體中成功實(shí)施的范例。不良地質(zhì)洞段開挖通過采用“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤監(jiān)測、多循環(huán)”的施工工藝，保證了隧洞開挖的正常進(jìn)行；通過增加超前管棚支護(hù)，有效解決了古崩塌堆積體不良地質(zhì)洞段的塌方、掉塊等問題，保證了洞室開挖的施工安全和洞室穩(wěn)定；本文對超大斷面洞室不良地質(zhì)開挖、支護(hù)的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可為今后類似不良地質(zhì)條件下的隧洞開挖、支護(hù)施工提供一定的參考和借鑒。