隧道穿過特大特長(zhǎng)地質(zhì)斷層施工工藝探索

徐 茂 華， 鄭 元 凱， 何 林 智

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

1 概 況

拉哇水電站位于金沙江上游川藏河段，是金沙江上游13級(jí)開發(fā)方案中的第8級(jí)，屬一等大(Ⅰ)型工程，發(fā)電為主，總裝機(jī)容量2 000 MW，多年平均年發(fā)電量90.89億kWh(梯級(jí)聯(lián)合)。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、地下輸水發(fā)電系統(tǒng)等組成。⑧隧道位于西藏昌都市芒康縣，是電站⑧道路上的一座長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)為單洞雙向行車隧道，隧道建筑限界9.5 m×4.5 m。⑧道路起點(diǎn)接②道路隧道K2+430處，終點(diǎn)連接至泄洪放空洞進(jìn)口平臺(tái)，⑧道路沿線地表多基巖裸露，出口段約100 m地表為崩坡積物。

2 圍巖開挖和支護(hù)參數(shù)調(diào)整

在常規(guī)隧道開挖過程中，嚴(yán)格按“新奧法”施工工藝，做到“超前地質(zhì)探測(cè)、超前支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、早封閉、勤觀測(cè)、及時(shí)支護(hù)”。根據(jù)隧洞圍巖地質(zhì)條件，Ⅲ類圍巖采用全斷面開挖施工，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用小導(dǎo)管超前支護(hù)和分臺(tái)階開挖的施工方法。初期支護(hù)應(yīng)緊跟開挖掌子面，開挖一段、支護(hù)一段。每段開挖后，先噴3～5cm厚度的混凝土，封閉開挖面，然后，再根據(jù)設(shè)計(jì)支護(hù)類型，支立格柵鋼架支撐，布掛鋼筋網(wǎng)，錨固錨桿，最后噴混凝土。

根據(jù)⑧道路工程施工圖設(shè)計(jì)上相關(guān)設(shè)計(jì)要求，明確了Ⅲ級(jí)圍巖、Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖的開挖、支護(hù)參數(shù)：

Ⅲ級(jí)圍巖臨時(shí)洞段支護(hù)參數(shù)：初期支護(hù)采用10～12 cm厚C20噴射混凝土、φ6@25 cm×25 cm單層鋼筋網(wǎng)、C22砂漿錨桿(L=3 m)，環(huán)×縱間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；無二次襯砌。

Ⅳ級(jí)圍巖洞段支護(hù)參數(shù)：初期支護(hù)采用24 cm厚C20噴射混凝土、φ6@20 cm×20 cm單層鋼筋網(wǎng)、C22砂漿錨桿(L=3 m)，環(huán)×縱間距1 m×0.8 m(或1 m)，梅花形布置，H15.5 cm×15.5 cm格柵鋼架，間距80 cm或100 cm；二次襯砌采用厚50 cm C30混凝土、超前支護(hù)采用φ48 mm、@3.5 mm注漿小導(dǎo)管(L=4.5 m)，間距40 cm，頂拱110.5°范圍施工，縱向排距3.2 m或3 m，外插角12°。

Ⅴ級(jí)圍巖洞段支護(hù)參數(shù)：初期支護(hù)采用24 cm厚C20噴射混凝土、φ6@20 cm×20 cm單層鋼筋網(wǎng)、Φ25 mm中空注漿錨桿(L=4.5 m)，環(huán)×縱間距1 m×0.6 m(或0.8 m),梅花形布置，H15.5 cm×15.5 cm格柵鋼架、間距60 cm或80 cm；二次襯砌采用厚60 cm C30混凝土、超前支護(hù)采用φ48 mm×3.5 mm注漿小導(dǎo)管(L=4.5 m)，間距40 cm，頂拱110.5°范圍施工，縱向排距3 m或3.2 m，外插角12°。

在斷層帶中，隧道開挖采用環(huán)形預(yù)留核心土法結(jié)合三臺(tái)階七步開挖法施工，臺(tái)階步間距控制在1B～1.5B(B 為開挖跨度)，每次開挖進(jìn)尺不大于0.5 m。預(yù)留核心土法三臺(tái)階開挖見圖1。

圖1 預(yù)留核心土法三臺(tái)階開挖示意圖

間距調(diào)整為0.3 m，拱架之間采用C22的縱向連接鋼筋，環(huán)向間距1 m，每榀鋼架布設(shè)16根C22、L=4.5 m的鎖腳錨桿，噴混凝土厚度調(diào)整為26 cm，其余參數(shù)不變。開挖過程中，每榀拱架應(yīng)及時(shí)接至完整基巖上，或者在拱架底部設(shè)混凝土基礎(chǔ)，保證拱架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3 掌子面封閉及塌腔回填

在施工過程中，開挖至K0+709樁號(hào)時(shí)，出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，由參建各方現(xiàn)場(chǎng)勘察后，發(fā)現(xiàn)該段圍巖穩(wěn)定性較Ⅴ級(jí)圍巖差。針對(duì)這種情況，先對(duì)掌子面進(jìn)行封閉后，進(jìn)行塌腔回填。后續(xù)開挖施工，采用大管棚[1]“跟管鉆進(jìn)”施工，順利跨越塌方段。

為防止在塌腔混凝土回填施工過程中混凝土漿液滲出渣體而影響渣體固結(jié)效果，同時(shí)便于觀察混凝土回填過程中渣體變形情況，對(duì)掌子面塌方渣體表面采用12 cm厚C20噴射混凝土進(jìn)行封閉。在K0+709樁號(hào)位置設(shè)置堵頭模板，預(yù)埋排氣孔，采用C20一級(jí)配泵送混凝土進(jìn)行塌腔回填，控制澆筑速度，防止二次坍塌。塌腔回填完成后，為保證回填質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)采用0.7∶1水泥漿(減水劑摻量1.2%)進(jìn)行注漿，注漿順序從兩側(cè)邊墻向拱頂、從孔底到孔口，壓力為1 MPa。

4 管棚施工與小導(dǎo)管超前支護(hù)的比較

4.1 管棚施工

在⑧道路隧道K0+711.5～K0+713樁號(hào)段，設(shè)置截面尺寸為150 cm×50 cm導(dǎo)向墻(內(nèi)設(shè)4榀I18工字鋼和導(dǎo)向管，C25混凝土結(jié)構(gòu))，混凝土澆筑完成等強(qiáng)72小時(shí)后開始管棚鉆孔施工。

管棚的施工流程為：施工準(zhǔn)備→搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→鉆機(jī)定位→鉆孔→清孔→下管→注漿[2]。

管棚設(shè)計(jì)參數(shù)為：20 m一個(gè)循環(huán)，環(huán)向間距40 cm，外插角3°，一環(huán)33根；管棚根部(靠近開挖掌子面)3 m采用R780高強(qiáng)地質(zhì)管，其余采用DZ40高強(qiáng)地質(zhì)管，管棚鋼管前部(靠導(dǎo)向墻側(cè))7 m按照間距30 cm梅花形設(shè)置注漿孔(孔徑15 mm)，為增加管棚剛度，在管棚內(nèi)設(shè)置4根C20鋼筋束，管棚注漿采用M30水泥漿液，同時(shí)在漿液中摻入1.2%的減水劑，注漿壓力為0.5～1 MPa，終壓為1 MPa。

由于塌方體為松散堆積體，管棚施工完畢，在塌方體開挖前，采用超前小導(dǎo)管對(duì)塌方渣體注漿膠結(jié)，避免開挖過程中塌方體發(fā)生二次坍塌。

管棚施工完成后，掌子面開挖采用預(yù)留核心土的方式，組織⑧道路隧道K0+711～K0+720塌腔體段的開挖施工。施工使用機(jī)械開挖，可減少不必要的爆破作業(yè)對(duì)塌腔體及周邊區(qū)域的圍巖擾動(dòng)，并嚴(yán)格遵循周邊開挖一循環(huán)和拱架支護(hù)一循環(huán)，然后中部預(yù)留核心土的開挖施工組織方式。采用管棚超前支護(hù)安全并順利地跨過了⑧道路隧道塌腔體部位，保證了塌腔體部位的正常開挖、支護(hù)施工安全及成型洞室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全。

4.2 小導(dǎo)管施工

由于大管棚施工時(shí)，掌子面開挖須暫停施工，待大管棚施工完成、灌漿強(qiáng)度達(dá)到要求后才能開始后續(xù)的開挖施工，采用管棚施工周期長(zhǎng)，且費(fèi)用高[3]。因此，在大管棚實(shí)施完成一個(gè)循環(huán)，并穿過塌方段后，采用超前小導(dǎo)管+超前錨桿的方式代替大管棚進(jìn)行后續(xù)剩余Ⅴ類圍巖洞段的開挖施工。超前小導(dǎo)管具體參數(shù)如下：

(1)小導(dǎo)管采用Φ48 mm厚3.5 mm的無縫鋼管制作，按設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行加工，長(zhǎng)4.5 m，每環(huán)搭接長(zhǎng)度1.5 m。

(2)在開挖和超前支護(hù)鉆孔過程中，若發(fā)現(xiàn)局部存在較大塊體結(jié)構(gòu)，則采用雙層小導(dǎo)管超前支護(hù)(超前小導(dǎo)管的孔間距等相關(guān)參數(shù)保持不變)。

(3)在開挖和超前支護(hù)鉆孔過程中，揭露前方掌子面為巖石膠結(jié)性狀差(類似松散堆積體)，將小導(dǎo)管循環(huán)間距由設(shè)計(jì)的3 m調(diào)整為1.5 m，孔間距由設(shè)計(jì)的40 cm調(diào)整為25 cm。

超前支護(hù)施工參數(shù)調(diào)整后，采用小導(dǎo)管超前支護(hù)使開挖不停頓，支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，在保證安全的前提下有序推進(jìn)了隧道的開挖及支護(hù)施工。

5 施工過程中的監(jiān)測(cè)輔助措施

正常開挖施工過程中，采用地質(zhì)雷開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作[4]，對(duì)開挖前的地質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，確定開挖施工參數(shù)，保證開挖安全。

⑧道路隧道K0+709段塌方后，在開挖施工過程中，現(xiàn)場(chǎng)開展了凈空水平收斂量測(cè)[5]與全站儀相結(jié)合的方式，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置固定檢測(cè)點(diǎn)，定期對(duì)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，并將現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值相比較，對(duì)初期支護(hù)的受力情況進(jìn)行判斷。通過量測(cè)積累數(shù)據(jù)變形及收斂趨勢(shì)判斷施工對(duì)圍巖的影響程度，以決定對(duì)其采取何種保護(hù)措施。在初期支護(hù)順利完成后，及時(shí)安排仰拱及二襯施工以確保隧洞的長(zhǎng)久安全。

6 結(jié) 語

實(shí)踐證明，隧道開挖施工應(yīng)通過地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對(duì)開挖掌子面的圍巖條件進(jìn)行勘查，并根據(jù)不同的圍巖條件選擇與地質(zhì)條件相對(duì)應(yīng)的開挖施工工藝。

實(shí)踐證明，大管棚的施工工藝適用于穿越跨度較大的塌腔體部位，能夠有效避免開挖穿越塌腔體部位時(shí)發(fā)生二次坍塌而影響到隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全。

超前小導(dǎo)管施工工藝適用于隧道圍巖相對(duì)均質(zhì)的洞段，采用超前小導(dǎo)管注漿可對(duì)掌子面巖體進(jìn)行注漿加固，能提高巖體的承載能力，從而提高開挖成型洞室的臨時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證有足夠的時(shí)間完成拱架及初期支護(hù)施工，保證開挖成型洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全。超前小導(dǎo)管施工能夠保證地下洞室開挖和支護(hù)施工的連續(xù)性，對(duì)承包人施工組織安排有利。但是，若遇到大跨度的斷層或粒徑較大的塊體，則應(yīng)采取不同的超前支護(hù)措施。如遇到大跨度斷層則采取管棚支護(hù)的形式更為穩(wěn)妥，如遇粒徑較大的塊體則可在超前小導(dǎo)管的基礎(chǔ)上輔以超前錨桿的方式跨越。

總之，不同的地質(zhì)條件應(yīng)采用不同超前支護(hù)參數(shù)，同時(shí)輔以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和洞室圍巖變形監(jiān)測(cè)等手段，方可保證地下洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全。