上果園隧洞后段變形段施工技術(shù)總結(jié)

姚國平，文 凱

（中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南長沙 410117）

1 工程簡介

1.1 工程概況

云南省滇中引水工程由石鼓水源工程和輸水工程組成，其中輸水工程總長約664.236km，劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段6段。

大理Ⅰ段施工6標起止樁號DLⅠ91+206.00～DLⅠ112+429.00，全長21.223km，涉及的受水區(qū)有大理白族自治州洱源縣及大理市，沿線經(jīng)鄧川、上關(guān)、雙廊等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。本標段設(shè)置支洞0.657km/2 座，其中老馬槽隧洞1#施工支洞(長0.346km)。

上果園隧洞地質(zhì)主要巖性為微新狀粗面安山巖夾凝灰?guī)r層，巖石強度：粗面安山巖Rb一般50～60MPa，巖體完整性差，結(jié)構(gòu)面平直粗糙充填巖屑，部分充泥；凝灰?guī)rRb一般5～15MPa，較破碎，結(jié)構(gòu)面多平直光滑充泥；地下水狀態(tài)：預(yù)測洞內(nèi)(裸洞)主要為線狀流水，凝灰?guī)r洞段滲滴水；強度應(yīng)力比一般大于2，凝灰?guī)r洞段小于2。

隧洞基巖主要為二疊系玄武巖組第8 段(Pβ8)粗面安山巖夾凝灰?guī)r，總體呈微新狀態(tài)，局部可能發(fā)育富水風(fēng)化囊，囊內(nèi)巖體破碎。巖流面走向與洞軸線總體成大夾角相交，巖流面緩傾為主，局部中傾，傾角一般20°～40°。粗面安山巖中裂隙發(fā)育，巖體總體較破碎，凝灰?guī)r強度低，且遇水易軟化。該段圍巖主要Ⅳ類，部分Ⅲ1類和Ⅳ類，凝灰?guī)r洞段一般為Ⅴ類，總體成洞條件較差、部分差，隧洞開挖過程中易在項拱產(chǎn)生掉塊塌方現(xiàn)象，尤其是凝灰?guī)r出露與洞室頂拱時極易垮塌，此外，由于圍巖裂隙較發(fā)育，裂隙和巖流面可能組合形成易垮塌掉塊的隨機塊體。局部洞段粗面安山巖可能發(fā)育柱狀節(jié)理，開挖后圍巖易卸荷松弛，穩(wěn)定性差。粗面安山巖總體富水且弱透水，而凝灰?guī)r隔水，在隧洞開挖揭穿凝灰?guī)r或富水風(fēng)化囊時，則易發(fā)生突水突泥現(xiàn)象。

1.2 變形段

變形位置位于上果園隧洞DLⅠ094+430.1～DLⅠ094+418.1 左線拱部，2020 年12 月24 日凌晨4:30 左右掌子面出渣完成后出渣車司機發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)左線出現(xiàn)裂縫，至5：00 洞內(nèi)值班人員發(fā)現(xiàn)拱部裂縫持續(xù)增大且鋼架出現(xiàn)整體下沉，為保證施工安全，及時撤出掌子面所有人員及設(shè)備；5：30 鋼架變形增大至1.5m 左右，且鋼架發(fā)生持續(xù)變形；6：00 鋼架下沉至2.0m 左右，DLⅠ094+430.1左線拱部內(nèi)凝灰?guī)r及散碎石塊溜出約15m3，見圖1。工區(qū)立即組織人員機械對掌子面及變形段采取反壓回填措施，防止再次出現(xiàn)拱部垮塌。該處隧洞埋深約320m，圍巖類別為Ⅴ類，根據(jù)現(xiàn)場揭露情況，左線巖性為玄武巖夾凝灰?guī)r，右側(cè)為玄武巖，掌子面軸線處偏左為凝灰?guī)r隔水層，滲水主要為右側(cè)玄武巖內(nèi)的夾層及大量裂隙水，凝灰?guī)r遇水變軟，巖石破碎，圍巖無自穩(wěn)能力，右側(cè)及中線拱部有大面積滲流水，最大涌水量達到280m3/h。

2 人員及機械設(shè)備配置

2.1 人員配置

為滿足現(xiàn)場施工要求，項目部及工區(qū)管理人員配置，見表1，班組人員配置，見表2。

表1 項目部及工區(qū)人員配置表

表2 施工班組人員配置表

2.2 機械設(shè)備及材料配置

為滿足施工要求，應(yīng)對施工中可能的突發(fā)情況，投入主要機械設(shè)備、材料，見表3。

表3 機械設(shè)備、材料投入表

3 超前支護措施

3.1 變形段

對現(xiàn)有初支斷面進行復(fù)測，對侵限段初支進行反壓回填，見圖2；掌子面采用C20 噴射混凝土封閉，掛?8@0.15m×0.15m 鋼筋網(wǎng)片，厚度0.2m。在左線垮塌及溜塌空腔內(nèi)預(yù)埋3根?100mm鋼管，溜塌處前后2m處拱頂打設(shè)2 根?100mm 鋼管，待回填反壓至頂后噴砼封閉掌子面，采用車載泵泵送C20 混凝土至空腔填充滿。待混凝土初凝完畢后（間隔8h），在線左溜塌空腔處打設(shè)?42mm 小導(dǎo)管，間距0.3m，長度6m，排距3m，外傾45°～60°，采用單液漿（水泥凈漿）進行超前固結(jié)灌漿。施工過程中嚴格執(zhí)行施工工藝，注漿初始壓力為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa。每孔的注漿壓力達到2.0MPa 時，繼續(xù)保持10min 以上后可以結(jié)束注漿。將空腔內(nèi)空隙填充密實。

注漿完成后待漿液達到一定強度（間隔8h）重新開挖后進行換拱處理，換拱堅持一循環(huán)兩榀的原則（便于半剖工字鋼連接施工），拆裝要及時，拆除后保證30cm的預(yù)留變形量而后立即進行鋼拱架安裝，安裝完畢后線左鋼拱架采用?76mm鎖腳錨管，長度8m，縱向連接筋調(diào)整為半剖工字鋼。拱架安裝時由于拱腳為軟弱圍巖，易下沉，因此需采用I22工字鋼進行支墊。

待上述工作全部完成，并到達一定強度后，拱部180°范圍內(nèi)采用徑向固結(jié)灌漿，灌漿深度6.0m，采用?42mm×3.5mm 小導(dǎo)管注漿，灌漿孔間排距1.5m，梅花型布置。灌漿過程中密切觀測初支面變形情況，出現(xiàn)異常及時增加臨時橫撐等加固措施。徑向固結(jié)灌漿結(jié)束后施作排水孔。

3.2 三臺階法施工

上臺階高度5.62m，中臺階高度3.16m，下臺階高度2.5m，見圖3。上臺階鋼架為三節(jié)A單元，中臺階為兩節(jié)B 單元，下臺階為兩節(jié)C 單元，底板為兩節(jié)D 單元。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況線右為玄武巖及粗面安山巖，巖體整體性較好，穩(wěn)定性較好，換拱完成后先施工線右中臺階。為了不擾動線左變形段，開挖時采用弱爆破或者機械開挖。中臺階施工每循環(huán)2榀，鎖腳錨桿采用?25mm砂漿錨桿，長度6m。線右中臺階施工完成5m后再施工線左中臺階，由于線左變形較大因此線左開挖盡量不采用爆破，采用機械開挖。中臺階施工每循環(huán)2 榀，采用?76mm 鎖腳錨管，長度8m，縱向連接筋調(diào)整為半剖工字鋼。下臺階施工與中臺階施工一致。底板施工每循環(huán)6榀，采用簡易棧橋施工，開挖后及時進行支護封閉成環(huán)。為保證后續(xù)襯砌施工，下臺階施工完成后在下臺階增設(shè)排水孔，上臺階出水孔沒水后再進行止水灌漿。

4 排水措施

針對該變形段及凝灰?guī)r風(fēng)化囊的排水措施，需注意的幾個原則是：反壓體拱腳不過流、拱頂不受壓、掌子面不受壓，水流沖刷反壓體拱腳會造成拱腳失穩(wěn)易發(fā)生二次變形，拱頂受壓存在拱架變形或崩垮的風(fēng)險，掌子面受壓則可能造成更大的變形甚至涌水。

為解決這三個問題，先后在掌子面下方、拱頂、邊墻等部位鉆設(shè)了多個排水孔，見圖4、圖5；并在掌子面埋設(shè)多根?150mm 排水管引排掌子面流水，實施結(jié)果表明有效，掌子面超前管棚的水流由于下方的排水孔而停止流水，說明此段洞室的水是貫通的，可以將水完全向下方引排；同時對掌子面方向流出的少量滲水采用水溝引排，不讓水流沖刷反壓體拱腳；不過需注意的是，凝灰?guī)r遇水變軟弱，極易塌孔，排水孔打設(shè)完成后應(yīng)立即埋設(shè)排水管。下臺階施工完成后在下臺階增設(shè)排水孔，將水位降低，將水引入排水溝內(nèi)。

5 施工中的注意事項

5.1 加強各項監(jiān)測、觀測

除了加強常規(guī)（收斂、沉降、流量等）的監(jiān)測外，對其可能涉及的隱患部位也要進行加強，如水質(zhì)、噴射混凝土是否開裂等，尤其在進行施工時，拱部是否有異常聲響及水量水質(zhì)的突變是施工觀測的重中之重。施工前、施工中、施工后的監(jiān)控量測是變形段施工中的重點，是指導(dǎo)現(xiàn)場施工的一個重要參數(shù)。

5.2 資源準備充足

在處理地質(zhì)災(zāi)害時，時間就是生命、就是金錢，所以面對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，在前期就要將所可能需要的物資、設(shè)備準備齊全，比如沙袋、抽水泵、模板、網(wǎng)片、管棚、注漿小導(dǎo)管、潛孔鉆機、注漿機、輸送泵等等，不能等災(zāi)害發(fā)生后，再去準備。

在施工過程中，在開挖將結(jié)束時噴射混凝土就必須到場準備，一是保證在開挖完成后立即噴射混凝土及時封閉開挖面，二是在鋼架安裝完成后及時進行噴射混凝土施工，以盡可能在短的時間內(nèi)對開挖的臨空面進行支護封閉并承受圍巖的變形力。

5.3 變形段施工

（1）成立應(yīng)急管理小組，加強預(yù)防突發(fā)事故的演練，確保對出現(xiàn)大變形甚至涌水等地質(zhì)災(zāi)害時能及時有效應(yīng)對。

（2）施工步驟要明確，遵循先探后挖、先注后挖、先排后挖、及時支護原則。

（3）用電必須規(guī)范。現(xiàn)場值班人員及專職電工必須加強巡視檢查，對發(fā)現(xiàn)的隱患必須及時處理，確保用電安全。

（4）支護成環(huán)一段距離后，必須進行徑向固結(jié)灌漿施工，固結(jié)開挖面以外的巖層，確保施工安全，以防“關(guān)門”事故發(fā)生。（5）監(jiān)測人員在洞內(nèi)值班，及時進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時通知現(xiàn)場操作人員迅速撤離至安全位置。

6 施工總結(jié)及建議

（1）凝灰?guī)r是由火山噴發(fā)后的火山灰而成，軟弱、破碎、無結(jié)構(gòu)性，且具有隨機存在的特性，施工中遇到凝灰?guī)r巖層時，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大大增加；但當下常規(guī)的超前地質(zhì)預(yù)報（TSP、TGS、地質(zhì)雷達等）方法的可靠性并不高，所以超前探孔的重要性不言而喻，超前探孔能更直觀地了解前方的巖層結(jié)構(gòu)，從而對施工可以更具有針對性。因此，必須加強超前探孔施工，并將其納入工序進行管理。

（2）對隧洞中凝灰?guī)r風(fēng)化囊的開挖，應(yīng)做好監(jiān)控量測、超前支護、排水孔、初期支護加強，最主要的是安全施工，不可盲目追求進度而大面積、大進尺開挖，必要時還應(yīng)縮小開挖斷面以加快初支成環(huán)封閉時間。

（3）遇到因凝灰?guī)r遇水膨脹而造成的鋼拱架變形應(yīng)及時進行回填反壓，并及時對掌子面進行封閉，采用“超前固結(jié)灌漿+徑向注漿”的方法對變形段進行注漿加固處理。

（4）換拱過程中應(yīng)實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常應(yīng)及時撤出機械設(shè)備，保證施工安全。換拱前應(yīng)先施工超前小導(dǎo)管等超前支護措施，防止因換拱造成的后續(xù)洞段的變形及垮塌。拱架拆除堅持“少用機械，人工拆除，不損連接”的原則，拱架拆除前應(yīng)采用增加鎖腳錨桿及臨時連接筋的措施加強未變形拱架的支護，拆除過程中盡可能保證鋼架連接處的可靠性。

（5）對于軟弱圍巖換拱時對拱腳應(yīng)采用混凝土塊或者型鋼進行支墊，為加強拱架整體性應(yīng)增加連接筋數(shù)量或者換成半剖工字鋼等進行連接。鎖腳錨桿在支護中起到至關(guān)重要的作用，因此要對鎖腳錨桿進行加強，改為鎖腳錨管并加長，鎖腳錨管應(yīng)深入基巖0.5～1.5m，并對鎖腳錨管進行注漿加固。

（6）變形段施工過程中不能操之過急，所有工序施工完成后必須待混凝土及水泥漿液達到一定強度后再進行下一循環(huán)的施工，進行下一循環(huán)施工的同時對已成型段進行徑向注漿加固。徑向注漿達到一定強度后再打設(shè)排水孔，避免水滲入凝灰?guī)r層再次膨脹應(yīng)力增加造成二次變形。