引洮二期工程總干16#隧洞軟弱土巖段開挖支護技術(shù)淺析

張 飛，袁 超，雷 歡

（1.陜西省寶雞市馮家山水庫管理局，陜西 寶雞 722402；2.西咸新區(qū)灃西新城碧水源環(huán)?？萍加邢薰荆兾?西咸新區(qū) 712046）

0 引言

隨著國內(nèi)大型跨區(qū)域調(diào)水工程建設的快速推進，地下水工建筑物的數(shù)量不斷增加，使用范圍越來越廣，規(guī)模也越來越大。有些引水隧洞的長度已達10多千米，直徑超過20 m。濕陷性黃土地區(qū)長距離軟巖引水隧洞的建設將不可避免地遇到復雜的地質(zhì)條件和大量的工程地質(zhì)問題[1]。其中圍巖穩(wěn)定問題是最受關(guān)注的，它涉及到地下工程是否成洞和安全運行，用何種辦法進行開挖支護及襯砌，直接影響到造價和工期。目前，我國隧洞在開挖方法的選擇上以鉆爆法、新奧法和盾構(gòu)法為主，其中鉆爆法開挖使用的最為廣泛，主要是因其具有經(jīng)濟、實用、簡單、靈活的優(yōu)點，國內(nèi)大部分的公路及鐵路隧洞均采用該種方法施工[2]。然而鉆爆法施工不可控因素較多、超欠挖控制技術(shù)要求高，炸藥單耗量大，成本得不到有效控制，并且危險性也較高，在軟巖隧洞開挖施工中顯然鉆爆法不是最優(yōu)的開挖方式[3]。本文結(jié)合甘肅引洮二期工程總干渠2標段16#隧洞在開挖過程中運用小挖機帶破碎錘開挖的施工經(jīng)驗，對開挖施工、測量控制、支護方案等技術(shù)進行探討。

1 工程概況

1.1 概述

引洮供水二期工程總干2標段位于甘肅省隴西縣通安驛鎮(zhèn)楊家莊與黃蒿灣～拉坡底下之間，渠系樁號為總干4+850 m～10+667.84 m，標段渠線長5817.84 m,隧洞設計流量20.00 m3/s，加大流量22.5 m3/s，斷面型式為三心圓，洞底比降1/1250，開挖斷面寬×高=4.9 m×4.901 m，凈斷面寬×高=3.9 m×4.001 m，設計水深h=2.939 m，設計流速v=2.176 m/s。開挖斷面見圖1。

圖1 引洮二期總干16#隧洞2標段開挖設計圖（m）

1.2 工程地質(zhì)條件

隧洞圍巖屬于極不穩(wěn)定的Ⅴ類巖石，成份以粉砂質(zhì)泥巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖，呈泥質(zhì)膠結(jié)狀，巖性較弱，巖石極軟，遇水易分解變形，失水干縮，易風化解體；自穩(wěn)時間短，易變形，洞頂圍巖易掉塊，局部坍塌。其中8+652.8～8+718.4段跨天定高速馬家山隧道，8+652.8～8+664.4段在天定高速下行線馬家山隧道上方22.6 m處通過，8+707.1～8+718.4段在天定高速上行線馬家山隧道上方22.1 m處通過。

2 施工方案的選擇

2.1 隧洞開挖施工方法

隧洞按照“減少擾動、早期支護、加強觀測、及時封閉”的原則組織施工，采用小型挖掘機（帶破碎錘）開挖，遇淺埋段采用環(huán)形開挖留核心土法，即在洞頂先開挖弧形導坑，其次開挖下半部左右兩側(cè)，最后完成中間部位開挖，上部開挖后斷面距洞頂1.8 m左右。較軟圍巖處采用小型挖掘機直接開挖，圍巖堅硬處采用破碎錘開挖，人工修邊。出碴采用裝載機裝碴，5 t自卸汽車拉運至渣場。臨時支護緊跟開挖掌子面作業(yè)，確保施工安全，開挖循環(huán)進尺3 m，在飽和黃土洞段循環(huán)進尺采用1 m。

鑒于軟巖隧洞開挖后圍巖變形量大，在整個施工過程中需要加強超前地質(zhì)預測、預報，加強圍巖監(jiān)控量測管理，本工程開挖時考慮到泥巖洞段與黃土洞段的地質(zhì)差異，分別在洞頂預留了3 cm～5 cm的變形量，經(jīng)過后期的監(jiān)控量測，滿足二次襯砌的斷面尺寸要求。

2.2 隧洞開挖測量控制方法

該隧洞為長距離小斷面隧洞開挖，洞內(nèi)開挖、出渣過程中排煙時間較長，對每一循環(huán)的掌子面測量放線影響較大，為了在隧道掘進過程中加快測量速度，采用在洞內(nèi)直線點拱頂及側(cè)墻位置設置5臺激光指向儀來指導開挖及支護，這5臺激光指向儀分別布置在頂拱中間、上部弧段與中部弧段的連接處、中部弧段與直墻段的連接處。

激光指向儀的安裝調(diào)整方法：激光指向儀安裝在距離掌子面50 m處的鋼拱架上，安裝時先在預固定的位置處焊接Φ20鋼筋段，長度20 cm，為了便于上下左右調(diào)節(jié)，焊接時要保持鋼筋段與鋼拱架垂直。調(diào)整時按照兩點確定一條直線的原理，提前計算好5部激光指向儀發(fā)光光眼的坐標與開挖當前掌子面的坐標，使相同部位的坐標在一條直線上。為了降低測量誤差，將全站儀架設在激光指向儀與當前開挖掌子面中部位置，按照計算好的坐標先將激光指向儀光眼上下調(diào)整到相應的高程位置，再用全站儀放樣當前掌子面上同部位的坐標，然后左右調(diào)整激光指向儀照在掌子面上的光斑與全站儀紅外線的光斑完全重合，調(diào)整完成后再用全站儀復測一遍，確認兩點坐標無誤后按照同樣的方法調(diào)整其余的激光指向儀。為了便于開挖控制，所有激光指向儀要安裝在距離開挖輪廓線25 cm處，激光指向儀每120 m移位一次（布置圖見圖2）。在施工中每周校核一次，可以達到控制誤差在2 cm以內(nèi)的效果，極大地節(jié)省了測量放線時間，提高了開挖及支護速度。

圖2 激光指向儀布置圖(m)

2.3 隧洞支護方案的選擇

一次支護采用鋼拱架噴錨支護，造孔依托自制的作業(yè)平臺，采用YT-28手風鉆造孔，錨桿采用Φ22 mm、L=2.5 m水泥基藥卷系統(tǒng)錨桿，7Φ20或6Φ20梅花形間隔布置，排距1.0 m。噴射混凝土混合料在攪拌站集中拌制，自卸車運至工作面，頂拱、側(cè)墻范圍內(nèi)噴層中部設Φ6.5@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴C20砼厚150 mm。鋼拱架在洞外綜合加工廠分片制作，自卸車轉(zhuǎn)運，現(xiàn)場人工拼裝、安設。I16@0.6 m～1.0 m全封閉鋼拱架施工時緊貼巖面架設，洞底部位鋼拱架施工時在巖體內(nèi)掏槽布設。施工過程中必要時頂拱180°范圍內(nèi)布設Φ42超前鋼管管棚，環(huán)向間距300 mm，L=3000 mm。

2.3.1 水泥基藥卷錨桿施工

水泥基藥卷錨桿是用錨固藥包代替注漿而直接給錨桿增加錨固力，因其使用方便、操作簡單、能加快施工速度而被廣泛使用。錨固藥包是用干燥的粉狀水泥砂漿及速凝劑按照一定的比例混合，為了方便使用，用特殊透水紙包裝成圓條狀，施工時直接在水中浸泡10 min～15 min，濕潤后使用，其錨桿示意圖見圖3。施工時根據(jù)錨桿設計孔位、間距及開挖面巖石層理、節(jié)理發(fā)育情況，用紅色自噴漆標出眼位，對層理及節(jié)理發(fā)育的部位，加密布設。

造孔時鉆桿垂直于巖面，成孔后用高壓風吹凈孔中巖屑及細小巖塊，將錨固藥包浸泡到位，其外觀判斷為用手輕捏柔軟均勻。在錨孔中放入時用孔徑略粗于藥包的PVC管將藥包頂送入底部，然后緩慢抽出PVC管，每節(jié)藥包均按此方法送入，直至送入數(shù)量滿足要求。藥包裝入數(shù)量需計算確定。采用錘擊與氣動鑿巖機相結(jié)合的方式將錨桿強制塞入錨孔中。

圖3 水泥基藥卷錨桿示意圖

2.3.2 鋼拱架施工方法

鋼拱架采用I16工字鋼制成，焊接板的焊接在安裝鋼拱架的施工現(xiàn)場進行。拼裝時按照邊墻→拱肩→頂拱→底拱封閉的施工順序進行。在進行第一榀鋼拱架安裝之前，在需要安裝鋼拱架部位的邊墻打錨固插筋，將邊墻鋼拱架與插筋相焊接牢固，完成拱肩的安裝焊接后進行拱頂?shù)陌惭b，拱頂安裝焊接完成后，立刻進行連接點的兩側(cè)聯(lián)系板的焊接，完成以上各工序后進行下一榀鋼拱架的安裝焊接工作。完成第二榀鋼拱架的安裝和焊接后，進行兩榀鋼拱架間聯(lián)系鋼筋的焊接，聯(lián)系鋼筋在現(xiàn)場加工。底拱施工要及時跟進，每安裝一榀同時封閉一榀，側(cè)拱施工時充分考慮底拱施工，應加長15 cm。

2.3.3 φ42超前管棚（小導管）施工

1）超前小導管設計參數(shù)：①前導管規(guī)格：熱軋鋼花管，外徑42 mm，壁厚3.5 mm；小導管L=3000 mm；②超前小導管環(huán)向間距300 mm；③傾角：外插角5°～10°，可根據(jù)實際情況調(diào)整；④注漿材料：水泥漿；⑤設置范圍：拱部180°范圍；⑥小導管縱向搭接長度1.0 m。

2）制作鋼花管。將小導管前部做成圓錐狀，在尾部焊接上鐵箍，管壁鉆梅花眼，間距10 cm～20 cm，直徑6 mm～8 mm，尾部預留50 cm不鉆孔，作為止?jié){段。小導管構(gòu)造見圖4。

圖4 注漿小導管構(gòu)造圖

3）小導管安裝。①測量放樣，用紅漆標記好設計的孔位，鉆孔使用鑿巖機，鉆孔直徑比小導管直徑大2 cm為宜；②成孔后，將小導管穿過開挖面后方的鋼拱架以外傾角的方向插入孔中，外部留30 cm搭在的鋼拱架上，與鋼拱架共同組成超前支護體系；③鉆孔、安裝應符合下列要求：鉆孔方向要一致，直徑與注漿管的管徑要配套，以不大于5 cm為宜，采用吹管法清孔，安裝采用引孔頂入法。

4）注漿。通過灌漿泵注入P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿。注漿前先在掌子面噴一層5 cm～10 cm厚的砼封閉圍巖，阻止?jié){液滲出。將小導管內(nèi)部碎屑沖洗干凈，注漿由下至上進行。單孔注漿壓力達到設計要求值時不能立即停止，保持壓力繼續(xù)注漿10 min，待進漿速度降低到初始速度的25%或注入的漿液已達到設計值的80%以上時停泵關(guān)球閥，最后清潔管路。注漿過程中認真填寫注漿記錄，隨時分析和改善操作，注意觀察當前掌子面的狀態(tài)。注漿參數(shù)根據(jù)注漿試驗結(jié)果及現(xiàn)場情況調(diào)整。注漿壓力一般不超過0.3 MPa；漿液初凝時間1 min～2 min。

5）注漿異?，F(xiàn)象處理。①發(fā)現(xiàn)串漿時及時堵塞串漿孔；②壓力表突然升高，立即停機檢查管路，排查是否堵管；③注漿量很大，壓力升高不明顯，重新調(diào)整漿液配合比，減少膠凝時間。2.3.4 噴射混凝土施工

本工程采用干噴施工工藝，選用PZ-5B型混凝土噴射機施工。混凝土干料攪拌均勻運至工作面后，人工上料至噴射機篩網(wǎng)內(nèi)。噴混凝土時將噴射面分為5個區(qū)域，從下而上依次進行，先噴下部直墻段，再噴拱肩部位，最后完成拱頂噴砼。作業(yè)時，高壓噴頭與巖面垂直，兩者距離保持在1 m左右，噴頭運動軌跡應呈“S”形；先將巖面的凹處找平，再將噴頭順時針一圈一圈緩慢移動，后面的一圈要覆蓋前面半圈，繞圈的直徑約30 cm，分層噴射，每層厚度控制在5 cm左右，后一層需等到前一層混凝土終凝后進行。噴射過程中可以不斷調(diào)整氣壓與水壓，這樣能夠減少回彈量，確保噴射混凝土緊貼巖面。

噴砼結(jié)束后，及時將噴射砼表面清理干凈，終凝2小時后開始噴霧化水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于7晝夜。氣溫低于5℃時，不噴水養(yǎng)護。當洞內(nèi)空氣濕度達到或超過85%時，允許自然養(yǎng)護。噴射混凝土厚度檢驗完成后，及時割除裸露在噴層表面的檢測鋼筋頭，切割時保持與混凝土表面平整，且不得損傷混凝土表面。

3 坍塌洞段的處理措施

開挖過程中局部掉塊的洞段，掘進進尺縮短為1 m，開挖采用分步臺階式開挖法，先開挖上部頂拱180°范圍的臺階，對頂拱進行臨時支護，再開挖中部臺階，最后完成下部直墻段的開挖。每次開挖完成后先素噴一層厚度5 cm厚的混凝土封閉圍巖，待混凝土初凝后再進行鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、噴砼施工。鋼拱架的間距調(diào)整為每60 cm設一道，所有施工工序必須及時完成，保證施工安全。

4 結(jié)語

甘肅引洮二期總干2標16#隧洞在開挖施工過程中分別遇到圍巖坍塌、滲水等不良地質(zhì)災害，施工難度大，開挖工期緊，現(xiàn)場通過合理設計開挖、支護方法，組織開挖工序，優(yōu)化測量控制，獲得了合理應對長距離小斷面土質(zhì)隧洞開挖支護的施工技術(shù)，保證了開挖過程中的施工安全，施工進度加快，施工成本降低?？晒╊愃乒こ淌┕そ梃b。