小斷面兩端開挖方式土洞貫通實施方案要點(diǎn)淺析

魯西西,楊 帥,黃怡鋒

（1.山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002;2.山西小浪底引黃工程有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

項目位于山西省小浪底引黃工程運(yùn)城市聞喜縣境內(nèi)，建設(shè)內(nèi)容是2#隧洞土洞段（52+966～59+590）及14#～17#支洞等永久及臨時工程，2#隧洞設(shè)計縱坡1/3000，洞內(nèi)水深2.97 m，斷面尺寸為3.8 m×5 m（底寬×高度），城門洞形。此次研究實施貫通的是16#支洞控制主洞下游與17#支洞控制主洞上游段，區(qū)間樁號為56+299～56+328，29 m，根據(jù)運(yùn)城市聞喜縣地質(zhì)水文條件,針對隧洞貫通問題進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計概況

該在建工程引水隧洞總長59.6 km，縱坡i=1/3000，斷面為城門洞形，隧洞城門尺寸為3.8 m×5 m 高度設(shè)計，洞內(nèi)設(shè)計水深2.97 m，其中52+966～59+590 為土洞段。

1.2 隧洞貫通兩端施工現(xiàn)狀

貫通前，16#主洞下游采取的超前大管棚及注漿施工方案設(shè)計。此次實施貫通的是16# 支洞，區(qū)間樁號為56+299～56+328，上中臺階施工至56+299，下臺階及底板混凝土墊層施工至56+283，控制主洞下游與17#支洞控制主洞上游段；17#主洞上游采取的超前水平高壓旋噴樁及注漿，掌子面施工至56+328，底板混凝土墊層施工至掌子面，兩工作面上臺階相距29 m，下臺階剩余45 m。

2 地質(zhì)情況

17#主洞上游樁號56+328，開挖地質(zhì)揭示隧洞拱部為粉細(xì)砂層，整體厚度約8 m～11 m，下方為富水含泥粉細(xì)砂層；施工過程中存在涌水、涌砂突泥等情況，施工中應(yīng)采取短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)措施，并采取地下水控制措施。

16#主洞下游樁號56+299，現(xiàn)場揭示地質(zhì)為第四系中更新統(tǒng)洪積物（Q2pl)，掌子面為全斷面粉細(xì)砂層，砂層顆粒松散，無自穩(wěn)能力；開挖時易發(fā)生滑塌，底板附近有股狀出水，下臺階及底板墊層開挖時易發(fā)生流砂現(xiàn)象，拱部側(cè)墻易發(fā)生收斂及沉降變形。

3 實施方案

3.1 整體方案

根據(jù)當(dāng)前的施工現(xiàn)狀，本方案中剩余29 m 開挖洞段采用1 環(huán)超前水平高壓旋噴樁及1 環(huán)超前大管棚進(jìn)行貫通。即17#主洞上游掌子面56+328 施做超前水平高壓旋噴樁及注漿，施做長度為20 m，開挖16 m；16#主洞下游掌子面56+299 上臺階及中臺階施做超前密排大管棚，施做長度為13 m，開挖9 m，旋噴樁與管棚搭接搭接里程為56+312～56+308，搭接長度為4 m，搭接洞段的開挖由16#主洞下游工作面完成，待隧洞上中臺階完成貫通后，對16#主洞下游未完下臺階進(jìn)行開挖落底支護(hù)，見圖1 貫通示意圖。

圖1 貫通示意圖

3.2 17# 主洞上游56+328 超前水平旋噴及注漿施工方案

第一步，超前水平旋噴加固[1]。

在開挖輪廓線周邊及掌子面施做超前水平旋噴樁，施工長度為20 m，開挖長度16 m，與16#主洞下游超前大管棚搭接4 m。

56+328 涌水粉細(xì)砂層段施工：周邊水平旋噴樁，拱部布設(shè)一環(huán)，側(cè)墻布設(shè)兩環(huán)，底板布設(shè)一環(huán)，咬合旋噴樁沿開挖面周邊拱部及側(cè)墻部位布設(shè)并延伸至底板以下1 m 范圍，周邊旋噴樁拱部、側(cè)墻及底板成環(huán)布設(shè)；為增加開挖面的整體穩(wěn)定性，在掌子面布設(shè)穩(wěn)定樁，水平旋噴開孔示意圖見圖2。為增強(qiáng)旋噴樁的抗剪力，待拱部外環(huán)180°范圍內(nèi)的旋噴樁凝固后，打入Φ76 管棚并對注漿（水泥- 水玻璃）止水[2]。水平旋噴深度10 m、15 m 斷面圖見圖3。

圖2 水平旋噴開孔示意圖（尺寸單位：cm）

圖3 水平旋噴深度10m、15m 斷面圖（尺寸單位：cm）

第二步，超前帷幕注漿。

開挖長度16 m，注漿長度20 m，對掌子面中下臺階注漿堵水加固；注漿孔注漿，注漿材料采用普通水泥- 水玻璃雙液漿，普通水泥- 水玻璃雙液漿配比：W∶C∶S=（0.8～1）∶1∶1。擴(kuò)散半徑1.0 m。超前注漿開孔、15 m 斷面布孔圖見圖4。

圖4 帷幕注漿布孔圖（尺寸單位：cm）

3.3 16# 主洞下游56+299 超前大管棚及注漿施工方案

根據(jù)目前16#控制主洞下游方向掌子面水文地質(zhì)情況，對56+299 掌子面前方地層進(jìn)行超前大管棚及注漿支護(hù)，施做部位為開挖斷面上臺階及中臺階。

3.3.1 大管棚施工工藝流程

3.3.2 管棚施工

采用地質(zhì)鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)法施工。施工時采用一次性簡易鋼管作為鉆頭，泥漿作為鉆進(jìn)循環(huán)液，用φ108 管棚鋼管作為鉆桿，使用地質(zhì)鉆機(jī)將鋼管打入砂層中，并在鉆進(jìn)過程中通過測量儀器隨時控制鉆進(jìn)方位與角度，發(fā)現(xiàn)角度偏差及時進(jìn)行糾偏，直至鉆至設(shè)計長度13 m。然后進(jìn)行封孔注漿，最終在隧道拱部形成一個砂層、水泥與鋼管共同組成的環(huán)狀承載圈，進(jìn)而起到超前預(yù)支護(hù)的作用。

洞身拱部或側(cè)墻粉細(xì)砂層分布范圍，管棚施工長度為13 m，管棚與旋噴樁搭接長度為4 m。為與17#支洞控制主洞上游56+328 旋噴樁順利搭接，經(jīng)計算管棚外插角設(shè)為5.6°，方向與路線中線平行。

3.4 貫通段施工

待兩側(cè)掌子面超前支護(hù)結(jié)束后同時開挖，在三臺階開挖的基礎(chǔ)上，預(yù)留核心土，再采用人工開挖，結(jié)合開挖圍巖情況對開挖面進(jìn)行5 cm 厚的C20 混凝土噴射支護(hù)[3]。

考慮到該洞段為軟弱地層，在原設(shè)計支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)，初期支護(hù)采用Ⅰ16 型鋼鋼架，鋼架間距為50 cm；每榀鋼架設(shè)置Φ25 鎖腳錨桿，錨桿長3 m，每榀設(shè)置8 根。Φ8 雙層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距為15 cm×15 cm。采用Φ25 縱向連接筋對鋼架進(jìn)行連接，環(huán)向間距調(diào)整為0.5 m，噴射C20 混凝土，混凝土厚度為15 cm。

對地下水活動較嚴(yán)重的地段采用"排、堵、截、引"相結(jié)合的方法進(jìn)行處理,巖塞留設(shè)長度根據(jù)巖體性質(zhì)處理[4]。為防止圍巖收斂變形，底板擴(kuò)挖20 cm，底板采用Ⅰ16 鋼支撐及時封閉成環(huán)，并澆筑C25 混凝土，澆筑厚度20 cm。

考慮到一次支護(hù)圍巖變形，17#主洞上游56+328～56+312里程洞段鋼架預(yù)留變形量10 cm，16# 主洞下游 56+299～56+312 里程洞段，考慮后期下臺階開挖落底施工可能發(fā)生的沉降收斂變形，鋼架預(yù)留變形量20 cm；為保障開挖過程安全，上中臺階鋼架設(shè)臨時I16 鋼橫撐，間隔1 m，待下臺階鋼架落底成環(huán)后再進(jìn)行拆除。

旋噴樁與管棚搭接搭接里程為56+312～56+308，搭接長度為4 m，搭接洞段的開挖由16#主洞下游工作面完成，待隧洞上中臺階完成貫通后，再對16#主洞下游未完下臺階進(jìn)行開挖落底支護(hù)。

3.5 現(xiàn)場貫通安全控制措施

（1）貫通前，現(xiàn)場統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮，使資源得到充分利用，生產(chǎn)各方合作協(xié)調(diào)、合理。

（2）加強(qiáng)安全教育與培訓(xùn)，提高現(xiàn)場施工人員的安全意識。

（3）施工過程中掌子面要有專人值班，并加強(qiáng)施工兩側(cè)的聯(lián)絡(luò)，嚴(yán)禁閑雜人員滯留在掌子面警戒區(qū)以內(nèi)。

（4）超前支護(hù)的施工順序為：同一部位先施做超前水平旋噴樁，后施做超前大管棚[5]。

（5）施工過程中密切注意掌子面動態(tài)，如有異常立即停止施工，撤離現(xiàn)場施工人員，并及時通知貫通領(lǐng)導(dǎo)小組。

（6）17#支洞控制主洞上游開挖至56+312 處時，嚴(yán)禁施工人員無故進(jìn)入掌子面。

3.6 變形監(jiān)測、方法及監(jiān)測數(shù)據(jù)

采取洞內(nèi)外現(xiàn)場觀察、地表沉降、周邊位移收斂、拱頂下沉監(jiān)測等方法相結(jié)合進(jìn)行隧洞施工期現(xiàn)場變形監(jiān)測。

洞內(nèi)觀察：在每次開挖后進(jìn)行。觀察土體條件是否發(fā)生惡化，觀察后及時繪制地質(zhì)素描和記錄。重點(diǎn)觀察土體節(jié)理、裂隙走向及發(fā)育程度。對已施工地段的觀察每天至少應(yīng)進(jìn)行一次，主要觀察噴射砼、錨桿、鋼架工作狀態(tài)。

洞外觀察：在洞口和洞身埋置深度較淺地段，包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。

變形監(jiān)測斷面按照分段控制的原則，沿隧洞中線每隔5m布設(shè)一個變形監(jiān)測斷面，每個斷面設(shè)3 個點(diǎn)，分別為頂拱下沉點(diǎn)、周邊收斂測點(diǎn)，見圖5。

圖5 監(jiān)測斷面布設(shè)示意圖（尺寸單位：cm）

將量測數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，建立位移率u 和時間t 發(fā)展的時態(tài)函數(shù)，根據(jù)量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與回歸分析，繪制縱橫斷面各測點(diǎn)的位移- 時間的關(guān)系曲線，見圖6、圖7。第27 天以后，周邊收斂點(diǎn)位移量達(dá)到14.27 mm，拱頂沉降達(dá)92.02 mm，變形速度＜0.2 mm/d，各測試項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定，可進(jìn)行混凝土襯砌的施作。

圖6 收斂測點(diǎn)位移- 時間的關(guān)系曲線

圖7 拱頂測點(diǎn)沉降量- 時間的關(guān)系曲線

4 結(jié)語

土洞段開挖過程中，遇到富水含泥粉細(xì)砂層不良地質(zhì)，采取水平旋噴樁結(jié)合超前帷幕注漿施工，可以有效控制突泥涌砂發(fā)生；遇到粉細(xì)砂層段、且無出水的情況，采取大管棚結(jié)合小導(dǎo)管的超前支護(hù)，可有效控制塌方[6]。

小斷面的土洞貫通，空間小，工藝復(fù)雜，要制定詳細(xì)的施工方案，特別是施工順序的安排、全過程安全保障措施的部分。為保障施工與結(jié)構(gòu)的安全，貫通后及時進(jìn)行變形監(jiān)控量測，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工管理。

2018 年12 月該段隧洞已按本方案進(jìn)行實施，并順利貫通，表明該貫通實施方案與措施切實可行。