馬蹄山輸水隧洞超前支護施工工法比選

喬瑞森

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概括

1.1 工程地質(zhì)

馬蹄山輸水隧洞5號支洞樁號5號改支0+315.5—5號改支0+321.5土洞段，圍巖為第四系中更新統(tǒng)洪積飽和軟塑狀粉土，處于地下水位之下。該土層飽和、軟塑狀，具有大孔隙比、高壓縮性、高靈敏度、低滲透性低強度的特點。易產(chǎn)生顯著的觸變性、蠕變性和明顯的結(jié)構(gòu)性，軟土一旦受到擾動，土的強度顯著降低，甚至呈現(xiàn)流泥狀態(tài)，屬于高靈敏度土。

山體內(nèi)原本處于平衡狀態(tài)的土體，隨著隧洞的開挖形成一側(cè)臨空狀態(tài)，應(yīng)力釋放，產(chǎn)生了由圍巖未開挖段四周向中心的擠壓應(yīng)力，當擠壓應(yīng)力超過圍巖強度時，即產(chǎn)生較大的工程地質(zhì)塑性變形，飽和軟塑狀粉土的強度極低，故這種擠壓造成的變形破壞非常突出。

1.2 施工情況

針對軟土層，前期采取的超前管棚支護的管棚管、立柱、鋼拱架全部被壓彎折，洞壁裂縫破壞，隧洞下沉。這種飽和軟塑狀粉土可能引起隧洞嚴重的破壞，加大了施工難度和施工安全風險。

從2019年8月初至2019年11月5日歷時85 d，累計進尺12.5 m（5號改支0+303-5號支0-0+315.5），施工過程中掌子面多次涌泥塌方，采用頂拱超前小導(dǎo)管與超前直徑108管棚支護等方法均以失敗告終，其中“5號改支0+307.7—5號改支0+315.5”段頂拱范圍內(nèi)采用直徑108管棚，超前灌漿支護后出現(xiàn)下沉，造成此段已支護完的初支全部拆除并重新擴大支護。

2019年11月10 日，“5號改支0+307.7—5號改支0+315.5”此段管棚下沉已經(jīng)處理完畢，至掌子面樁號“5號改支0+315.5”處，經(jīng)地質(zhì)預(yù)判前方地質(zhì)情況還比較復(fù)雜。針對前方地質(zhì)情況確定了超前處理方案，在原管棚施工方案基礎(chǔ)之上進行注漿加固洞周圍巖。嚴格按照技術(shù)要求實施，確保注漿加固質(zhì)量和效果。

2 超前注漿工法

5號支洞是施工二標段的“咽喉”，能否順利貫通是標段能否順利完工的重要條件。因此鑒于目前地質(zhì)情況的復(fù)雜性，根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報卡（編號002），并結(jié)合以往類似施工經(jīng)驗，擬采取以下三種施工方案。

2.1 超前水平注漿法

超前水平注漿范圍：5號支洞，樁號“5號改支0+315.5—5號改支0+321.5”。

超前水平注漿的主要意圖，是在隧洞外圍形成一道止水層，同時加固開挖面周圍及開挖中間土體，阻止地下水進入隧洞開挖范圍內(nèi)，及解決前期開挖過程中間土體塌方涌泥現(xiàn)象，使開挖在無水或少水的狀態(tài)下開挖，既能保證隧洞施工安全又能避免因地下水流失造成地表沉降。

2.1.1 人員準備

選派技術(shù)水平高、操作熟練的測量人員，進行放線定位測量及對工程的軸線進行復(fù)核、檢查等測量工作。

2.1.2 機械設(shè)備安排

ZML多功能履帶式鉆機、雙液注漿機、拌合機、斗車、30裝載機。

2.1.3 材料準備

主要使用材料：普通硅酸鹽P.O42.5水泥、水玻

2.1.4施工工序

（1）掌子面施工

為防止注漿時地下水涌出及跑漿，在掌子面施做1 m厚的C 25混凝土止?jié){墻，凝固48 h后開始鉆孔。

（2）鉆孔

采用ZML多功能履帶式鉆機鉆進成孔，按照注漿孔示意圖鉆孔，注漿孔采用全斷面梅花形布置，鉆孔的誤差控制在1%以內(nèi)，鉆孔按先外圈，后內(nèi)圈的順序進行，鉆孔時，嚴格作好鉆孔記錄，記錄內(nèi)容包括孔號、進尺、起訖時間。鉆孔完畢后安裝1.2 m長，直徑108管作為注漿導(dǎo)向管（孔口外漏20 cm、保證后續(xù)鉆孔角度），外圈導(dǎo)向管角度控制在3°。導(dǎo)向管外端頭焊接直徑108的法蘭片，保證注漿過程中不漏漿。

（3）注漿

①注漿方式：在封閉止?jié){墻達到一定的強度后，在注漿孔內(nèi)插入注漿芯管，進行前進式分段注漿。

②注漿材料及注漿參數(shù)：

注漿材料采用普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5）-水玻璃（水玻璃濃度:35 Be′）雙液漿。水泥漿與水玻璃漿液比1∶（0.5～0.6）（根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整）；

緩凝劑摻量：水泥用量的2%；

注漿終壓：5～8 MPa；擴散半徑：1.0 m；

孔口鋼管直徑108 mm；超前鉆孔直徑100 mm；

注漿方式：鉆桿前進式分段注漿，每孔每次注漿長度1 m，每孔注漿長度6 m。

③注漿孔梅花形布置，共布置30根，具體布置見圖1。注漿管采用φ42，壁厚4 mm的鈣塑聚丙烯管，連接雙液注漿機和注漿孔。

圖1 隧洞超前水平注漿孔位布置圖

④注漿采用前進式注漿，注漿完成一循環(huán)后，導(dǎo)向管內(nèi)注滿了雙液漿，下一循環(huán)用鉆機從注漿導(dǎo)向管重新打孔，此次打孔深度超過上一次注漿深度1 m，后續(xù)的依此類推。

⑤注漿順序按“由外到內(nèi)，由下到上，間隔跳孔”的原則進行。

（4）注漿結(jié)束標準和注漿效果評定

注漿結(jié)束標準

①注漿壓力逐步提高，當達到壓力值5～8 MPa穩(wěn)壓后，并繼續(xù)注漿2 min，即可結(jié)束該孔注漿；

②注漿結(jié)束時的進漿量，一般在10～20 L/min以下；單孔注漿結(jié)束后，應(yīng)用直徑42閥門進行封閉注漿孔。

2.1.5 開挖

開挖土體之前拆除1 m厚的止?jié){墻進，觀察注漿效果，掌子面沒有滲水、漿液擴散均勻、圍巖土體密實，滿足這三個條件后，再進行開挖，開挖后支護參數(shù)采用原設(shè)計。施工至6 m后，再進行超前地質(zhì)預(yù)判，根據(jù)預(yù)判情況確定超前支護形式。

2.2 密布管棚灌漿超前支護法

采用管棚施工，需要提前預(yù)留管棚擴大室（預(yù)留管棚擴大室理由：管棚機長度2～3 m，每節(jié)管棚3 m，管棚施工外插角度5°）。但是目前此段無施做管棚擴大室的空間，需要把已支護6 m段的12榀拱架進行拆除，拆除一榀支護一榀，重新支護的拱架左右兩側(cè)擴大30 cm，頂部提高50 cm，如圖2。

圖2 隧洞超前水平注漿孔縱剖面

管棚擴大室施工完畢后，用C 20噴射混凝土封閉掌子面（作用：防止管棚注漿過程中漏漿、跑漿），厚度30 cm。

全斷面直徑108密布管棚灌漿支護的管棚施工參數(shù)：單根長9 m、間距10 cm，數(shù)量107根、外插角度5°、管棚中間插入管棚鋼筋籠（三根25鋼筋）、漿液比1∶1，注漿材料P.O 42.5水泥、注漿初始壓力0.5 MPa、注漿壓力及漿液比根據(jù)現(xiàn)場進行調(diào)整。

管棚施工完畢待凝固后，開始正常的施工。但是考慮前段地質(zhì)情況復(fù)雜，此段鋼拱架斷面尺寸加大緊貼管棚，拱架間距由50 cm調(diào)整為30 cm，掛網(wǎng)鋼筋由單層調(diào)整為雙層，噴混厚度由18 cm調(diào)整為30 cm，底板擠壓塊石，塊石上面放20 mm鋼板，增加整體受力。在拱架施工至管棚6 m位置時做超前預(yù)判，根據(jù)地質(zhì)情況確定超前支護形式。

2.3 水平旋噴樁法

水平旋噴樁布置形式：全斷面布置。采用專用設(shè)備進行超高壓注漿。根據(jù)通過以往其它工程類似施工經(jīng)驗，全斷面旋噴樁6 m的施工周期，需要45 d時間，每延米造價約30萬元。

3 方案比選

3.1 安全性

（1）密布管棚灌漿超前支護，通過前期環(huán)距40 cm管棚。施工經(jīng)驗表明，密布管棚灌漿支護安全性一般。

（2）超前水平注漿，對于軟-流塑土層，由于地層透水性差，超前水平注漿通過施加較高壓力在地層中產(chǎn)生劈裂縫隙，漿液在高壓下擠進劈裂縫隙，從而改善地層的可注性，達到注漿加固的目的，對后續(xù)的施工起到很好的安全保護作用。

（3）水平旋噴樁，通過以往類似工程經(jīng)驗，安全性能好。

三方案從安全性比較，水平旋噴樁最好，超前水平注漿次之，密布管棚灌漿支護一般。

3.2 工期

（1）密布管棚灌漿超前支護：長度9 m，有效長度6 m，工期需18天。

（2）超前水平注漿：施做6 m，工期需20 d。

（3）水平旋噴樁：施做6 m，工期需45 d。

三方案從工期比較，同長度下，水平旋噴樁工期最長、超前水平注漿和密布管棚灌漿超前支護工期相近，均比水平旋噴樁省近一半時間。

3.3 經(jīng)濟性

3.3.1 水平旋噴樁

水平旋噴樁6 m，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，每延米造價約30萬元左右。

3.3.2 密布管棚灌漿支護

密布管棚灌漿支護每延米預(yù)估造價（施做9 m、有效長度6 m），見表1。

表1 密布管棚灌漿支護每延米預(yù)估造價

3.3.3 超前水平注漿支護

超前水平注漿單米預(yù)估（施做長度6 m），綜合造價見表2。

表2 超前水平注漿單米預(yù)估綜合造價明細表

3.4 方案確定

通過三個方案的對比，雖然水平旋噴樁方案安全性最好，但是費用高，工期長，本次不采用；超前水平注漿與密布管棚灌漿支護方案相比較，雖然每延米費用略高于密布管棚灌漿支護，但是安全方面高于密布管棚灌漿支護，從安全角度考慮推薦采用超前水平注漿支護，綜合比較見表3。

表3 綜合性能對比表

4 結(jié)論

通過本文的分析論證，針對大同市天陽盆地地下水置換工程輸水隧洞的施工難點、重點，提出了以下解決辦法：

（1）施工支洞傾角較大，對于出渣及材料運輸難度大，再加上主洞隧洞斷面較小施工干擾較大，為確保施工工期，應(yīng)合理安排施工工序消減施工干擾。

（2）針對施工中洞內(nèi)排水問題，施工中根據(jù)實際情況，采取以引、排為主，截、堵為輔的方法綜合進行排水，支洞排水采用梯級排水的方法。

（3）遇到塌方地段采用超前水平注漿支護，該方案實施后，能有效的提高隧洞工期、確保施工安全，加快施工進度，提高應(yīng)有效益。