龍門供水工程穿溝淺埋隧洞段施工方案

王增國

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

1 龍門供水工程穿溝淺埋隧洞工程狀況

柏葉口水庫龍門供水工程輸水隧洞凈長9393 m，設計縱坡為1/1500，設計洞身為城門洞型，開挖輪廓尺寸2.5 m×2.8 m，輸水隧洞沿線下穿5條溝道，設置2條支洞，布置6個作業(yè)面進行開挖。其中下穿樁號6+380～6+440 地段的“加子溝”和樁號 8+130～8+175地段的“黃泥溝”，溝底寬度均為10～15 m左右，洞頂覆蓋層厚度分別為4.1 m和3.5 m，溝底均常年有水。經(jīng)勘探豎井判斷，加子溝和黃泥溝內(nèi)地層巖性為第四系坡洪積（Q4pdl）碎石混合土，厚1～3 m，其下為P2sh紫紅色泥巖，裂隙發(fā)育程度較大，基巖強風化層厚4～6 m。兩溝道內(nèi)由于風化、卸荷作用，巖體完整性差，圍巖工程地質(zhì)分類均為Ⅴ類，透水率較大，圍巖難于自穩(wěn)，造成邊墻、拱頂極易坍塌變形，時間效應明顯，可產(chǎn)生較大的變形破壞和斷層裂隙情況。

2 施工方案的確定

根據(jù)加子溝和黃泥溝的水文、地質(zhì)及地形條件，隧洞開挖方案初步擬定選取“超前錨桿鋼拱架聯(lián)合支護洞挖方案”和“新增開挖工作面明挖方案”從多個方面進行類比選優(yōu)。優(yōu)選出安全經(jīng)濟的隧洞開挖方案。

兩條溝道內(nèi)底部寬度均僅為10～15 m之間，其中“加子溝”內(nèi)常年水流量在0.004～0.07 m3/s之間，5年一遇非汛期洪水2.7 m3/s，5年一遇汛期洪水54 m3/s；“黃泥溝”內(nèi)常年水流量在0.008～0.09 m3/s之間，5年一遇非汛期洪水3.2 m3/s，5年一遇汛期洪水71 m3/s。如采用新增工作面明挖法施工，防洪土石圍堰修筑占地較寬，堵塞泄洪通道；如遇超標準洪水，極易沖垮圍堰堵塞基坑，淤泥倒灌進輸水隧洞，造成不必要的安全事故和經(jīng)濟損失。大開挖施工方案汛期必須停止施工且須封閉洞口，各類安全隱患極大。而洞挖方案基本不考慮洪水侵擾，隧洞開挖后只需做好安全防護即可，節(jié)省大量費用。

采用明挖方案施工，工作場地極其狹窄，“加子溝”開挖深度約6.9 m，“黃泥溝”開挖深度約6.3 m，即使采用地質(zhì)允許最小邊坡開挖，頂口最小開挖寬度也有11 m。由于兩條溝道內(nèi)常年有水，必須進行導流，必須采用半幅施工方法。溝內(nèi)導流造成的滲水極易造成邊坡坍塌，造成兩側(cè)圍堰安全受到威脅。

新增2個工作面明挖方案，需要修建大量的臨時輔助設施，如臨時施工道路、施工用水、用電、隧洞通風、臨時工棚、混凝土攪拌站，渣場占地等。各項協(xié)調(diào)工作難度很大，而新增的施工擾動對當?shù)厣鷳B(tài)植被影響很大，生態(tài)恢復時間較長，增加不少額外費用，且數(shù)據(jù)不能準確估算。

全斷面明挖施工后，在任何洞段進行混凝土二次襯砌，都會由于空間問題導致其它洞挖工程無法施工，只能長期敞口放置等待其他洞挖工程完工才能進行混凝土襯砌。同時由于隧洞口溫度變化差異大，冬季2個隧洞洞口襯砌質(zhì)量無法保證只能停工或者采用防凍劑等額外技術(shù)措施，增加施工費用。采用洞挖方案，隧洞口以內(nèi)150 m后整體溫度變化不大，混凝土冬季襯砌質(zhì)量可以不停工且質(zhì)量得到保證；隧洞內(nèi)不安排其他施工，干擾小，施工進度快。

從投資情況看，采用“超前錨桿鋼拱架聯(lián)合支護方案”要消耗錨桿、鋼拱架、混凝土噴護、石方洞挖和回填灌漿、鋼筋混凝土襯砌等，經(jīng)測算投資約90萬元。采用“新增開挖工作面明挖方案”需考慮工棚、導流圍堰、臨時道路、施工用水和電、石槽開挖及回填、混凝土噴護、錨桿、鋼筋混凝土襯砌等（不包含新增臨時征地費用），經(jīng)測算投資約180萬元。

從工期要求、安全性和工程投資等各角度綜合對比分析看，明挖方案各個指標劣勢比較明顯，因此采用洞挖方案進行施工。在洞挖施工過程中依據(jù)地質(zhì)預報，對巖石較為破碎、掉塊較多、滲水量大的地段采用“超前錨桿結(jié)合鋼拱架支護洞挖方案”，可以縮短工期且投資較小。

3 施工方案

3.1 施工方案的整體思路

由于兩條溝道內(nèi)隧洞頂部覆蓋層地質(zhì)條件太差，施工非常困難，諸多不利因素會給隧洞開挖和襯砌帶來嚴重的安全隱患，必須采取特別的安全支護措施，綜合考慮各種條件后的施工方案如下：

隧洞樁號6+380～6+440段和8+130～8+175段共105 m的施工均參照“Ⅴ”類圍巖開挖設計圖紙進行斷面開挖和噴護，采用40 cm厚混凝土全斷面襯砌并回填灌漿處理。配備足夠的排水設備，當洞內(nèi)地下水突然變大時，立即進行超前探水并放水引排。洞內(nèi)涌水量過大時必須先灌漿封堵止水，后進行支護。

根據(jù)地質(zhì)預報情況，在較破碎的洞段，開挖過程中及時采用超前錨桿支護系統(tǒng)或隨機錨桿、掛網(wǎng)鋼筋噴護；滲水嚴重段，巖石較為破碎地段采取超前錨桿注漿處理措施。接近兩溝段上下游10 m時為保證安全即按照“Ⅴ”類圍巖支護措施進行施工，每一爆破循環(huán)完成后，立即對軟弱巖層面初噴混凝土進行封閉，形成5～10 cm薄壁柔性支護，以利于圍巖暫時穩(wěn)定。待混凝土初噴完成后立即施工系統(tǒng)錨桿或隨機錨桿，確保圍巖不出現(xiàn)松動危害，隨后施工鋼筋網(wǎng)和終噴混凝土，使圍巖徹底封閉。在極容易冒頂、巖體極破碎洞段利用預先制作的鋼拱架支護，后期混凝土澆筑時不拆除支護鋼拱架。

3.2 “超前錨桿”施工方案

采用超前錨桿以錨桿長度作為控制長度使一定區(qū)域成為一個整體形成模擬擋土墻，背后土壓力采用擋土墻來抵擋，以達到超前支護的效果，施工流程如下：準備工作——鋼拱架支護（頂部打孔）——鉆孔——超前錨桿安裝——鉆爆后開挖——噴護混凝土——支護鋼拱架——下一循環(huán)。

施工中如遇見洞壁可能出現(xiàn)破碎帶的跡象，立即沿隧洞開挖輪廓線進行鉆孔，要求孔深大于循環(huán)進尺1 m（循環(huán)進尺本設計為3 m），超前錨桿長4 m，搭接長度1 m，環(huán)向間距為3根/m，縱向每2榀格柵布置一環(huán)，外插角為 10°～15°。在拱部 120°范圍內(nèi)設 Φ25CD反循環(huán)注漿錨桿，采用1∶1水泥漿液注漿；其他位置設Φ22砂漿錨桿，采用M20水泥砂漿。

按設計要求定出錨桿孔的位置，孔位允許偏差為±150 mm；錨桿孔深允許偏差為±50 mm。當隧洞內(nèi)巖層結(jié)構(gòu)面出露明顯時，錨桿孔宜與巖面主要結(jié)構(gòu)面垂直。巖面外露錨桿長度不得大于噴護層厚度。富水地段應先導出孔內(nèi)存水或另行鉆孔在附近，如遇成孔困難地段可采用自鉆式錨桿。

持風鉆鉆孔至設計深度后用高壓風或水清洗孔體，將錨桿孔中的阻塞異物清除干凈。為保證錨桿和水泥漿液緊密結(jié)合，使用前應矯直錨桿和清除污銹并使其保持濕潤。沿孔軸線將錨桿以慢速推入孔內(nèi)；如推入孔內(nèi)阻力較大，用錘子在尾端輕輕打入。外露的錨桿長度以能夠安裝墊板螺栓和止?jié){塞為宜，將止?jié){塞通過錨桿外露端打入孔口10 cm左右，隨后安裝墊板和螺母時不宜上緊。

KBY50/70注漿泵及其零件在錨桿注漿前需保證齊備和正常。采用水或風檢查灌漿孔體通暢與否，在孔口返水或返風滿足要求后，迅速將泵用快速接頭和注漿管及錨桿連接好，并配制漿液，使和易性及水灰比符合設計要求，開動泵注漿，整個過程應一次完成不能停頓。

進漿采用錨桿體內(nèi)的中通管，中通管外鉆孔壁排氣回漿方式注漿，水泥漿水灰比0.4～0.5；注漿壓力：0.2～0.5 MPa。完成注漿的標準為：在注漿壓力達到0.5 MPa，且注漿量亦達到設計要求時，停止注漿；當注漿壓力達到0.5 MPa且在注漿時間不低于20 min，進漿量仍達不到注漿量時，亦可結(jié)束注漿，錨桿孔的漿液必須保證注滿。注漿質(zhì)量合格后立即封堵錨桿頭。

完成一根錨桿后，注漿軟管必須立即卸下并安裝至下根錨桿進行注漿。注漿結(jié)束后，安裝墊板、擰緊螺帽、固定桿體。注漿示意圖見圖1。

圖1 注漿示意圖

施工時先使用YT-28風動鑿巖機鉆孔至設計深度，采用風壓清孔，人工為主機械配合安裝錨桿。單根錨桿長3 m，且應達到平直、表面無裂紋和損傷、油污、顆粒狀或片狀老銹。

預先制作加工的砂漿錨桿強度不得低于M20，質(zhì)量要求如下：水灰比宜為0.39～0.45，砂灰比宜為1∶1～1∶2，砂的粒徑不宜大于2.4 mm。具體配合比根據(jù)施工時的現(xiàn)場試驗確定，一次拌合的砂漿必須在初凝前用完。

注漿管插至距孔底5～8 cm處停止深入，在水泥砂漿灌入時均勻緩慢拔出，隨后立即將桿體快速插入，插入的桿體長度不得少于設計長度的95%。若桿體插入后孔口處砂漿無流出，立即將桿體拔出重新注漿。注漿孔口壓力不大于0.4 MPa，注漿管路在注漿開始或中途暫停超過30 min時必須用水潤滑。

灌注砂漿錨桿孔內(nèi)的砂漿必須飽滿密實，錨桿墊板必須與孔口混凝土緊密接觸，安裝錨桿墊板需在錨桿達到要求的抗拔力后才能，不得隨意敲擊安設后的錨桿，錨桿終端不得懸掛重物在填充砂漿終凝前。

鉆孔時利用風動鑿巖機，孔內(nèi)巖屑采用高壓風清除；注漿采用注漿泵注入孔內(nèi)，停止注漿為錨桿孔體積的2/3被注滿時。及時將加工好的錨桿體95%以上插入孔內(nèi)，并立即安裝錨桿墊板。

為保證錨桿墊板基面比較平整，工序上初噴混凝土完成后再進行錨桿施工，上緊墊板螺母必須等待水泥砂漿達到一定強度后，其他要求與超前錨桿相同。

3.3 “鋼拱架支護”施工方案

采用14#工字鋼制作鋼拱架。每榀鋼拱架支護包括頂拱和兩側(cè)立柱根據(jù)斷面尺寸和鋼拱架重量分段加工，采用連接板焊接或肋板對接保持各段之間的連接，焊接均采用騎縫焊接。特殊地段加設鋼拱架底部架設水平底梁，兩榀拱架仰拱之間采用C20混凝土填平。

在洞壁與鋼拱架之間設2 m長Φ25鎖腳錨桿，錨桿布設方向沿徑向或水平向向下傾斜；遇到特別軟弱巖體及松散體，可用Φ42鎖腳錨管代替錨桿，錨桿或錨管的根數(shù)不少于8根；每榀鋼拱架之間的連接采用Φ25縱向聯(lián)系筋，聯(lián)系筋沿斷面均勻布設，根數(shù)不少于7根。

為保證安全，鋼拱架延伸至兩側(cè)較好巖體中，延伸長度不小于2 m，鋼拱架安裝間距根據(jù)隧洞地質(zhì)條件調(diào)整保持在0.5～1.0 m。鋪設鋼拱架部位的巖體嚴格按設計要求的輪廓線開挖，以保證實際開挖輪廓線緊貼開挖面安裝鋼拱架，圍巖與鋼拱架之間的空隙立即用C20噴射混凝土填充。如空隙較大，可在鋼拱架上焊接Φ25鋼筋并支撐于巖面，隨后分批次噴混凝土至填充飽滿。對于更大的掉塊等塌方空腔體依據(jù)實際情況特殊處理。

鋼拱架安裝后立即布設Φ6@100鋼筋網(wǎng)并噴射C20混凝土，噴射混凝土厚度120 mm。鋼拱架、錨桿和噴射混凝土中的鋼筋網(wǎng)均相互連接牢固，以增強鋼拱架的穩(wěn)定性；鋼筋網(wǎng)沿開挖面鋪設，與巖面距離宜為30～50 mm，相鄰鋪設的鋼筋網(wǎng)搭接長度不小于200 mm，搭接時縱橫鋼筋網(wǎng)應對應。

每榀鋼拱架拼裝后具有整體性且接頭牢固可靠，保持每榀鋼拱架在同一平面上，柱腳許置于完整的基礎面上，由于隧洞開挖底板不平，鋼拱架柱腳要加焊鋼墊板以使受力均勻，墊板與開挖底板之間需用C25混凝土作為墊墩，平面尺寸300 mm×300 mm。鋼拱架標準橫斷面圖見圖2。

圖2 鋼拱架標準橫斷圖

3.4 施工觀測

在隧洞開挖過程中，由于溝道地面距離隧洞頂部較近且溝道內(nèi)有基流等不利安全影響因素，溝道內(nèi)隧洞上部的地表沉降觀測時需每隔10 m一個斷面，每個斷面內(nèi)設置3個沉降觀測點，并在地表隧洞界限外5 m也設置沉降觀測點，每天觀測不少于2次。同時在各洞段頂部地面四周設置警戒線，施工期間該區(qū)域不允許閑雜人員出入。施工至兩淺埋段前，必須加強超前水平分析探孔地質(zhì)工作，施工中嚴格按照“超前錨、弱爆破、短開挖、早支護、快封閉、勤測量”要求并同時設置鋼拱架。隧洞內(nèi)圍巖的監(jiān)控量測每天要保證不少于3次，且設置監(jiān)控量測斷面時間距不得大于5 m，同時及時分析量測數(shù)據(jù)，對不利的地質(zhì)條件及時作出判斷。

4 結(jié)論

根據(jù)以上施工方案，準確結(jié)合施工地質(zhì)預報，在兩洞段均出現(xiàn)嚴重滲水、巖石掉塊的情況下，施工方在兩洞段均嚴格按照超前錨桿鋼拱架聯(lián)合支護洞挖方案進行了施工，在保證了施工安全的基礎上，使洞段開挖投資控制在85萬元以內(nèi)。