松散堆積體地質(zhì)隧道開挖施工技術(shù)

景 通，馬建忠

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著后水電時代的到來，水電市場已逐步向西部偏遠山區(qū)推進，而西部偏遠山區(qū)特殊的高山峽谷地貌，使得水電站在建設場內(nèi)交通道路中大多采用隧道形式。山區(qū)隧道建設常常遇到各種復雜特殊的地質(zhì)條件[1]，隧道進、出口施工穿越松散堆積體洞段十分普遍。金沙江上游拉哇水電站右岸交通隧道施工中，受F109斷層帶影響，斷層擠壓帶內(nèi)填充有土和碎石混合物，整體呈松散堆積體結(jié)構(gòu)。受松散堆積體影響，隧道開挖一度受阻，通過采取一系列施工技術(shù)措施，確保了隧道開挖在安全的前提下穩(wěn)步推進。本文結(jié)合隧道在松散堆積體地質(zhì)條件中開挖支護施工過程，詳細介紹松散堆積體地質(zhì)條件下隧道穩(wěn)步快速推進的施工工藝及施工技術(shù)措施。

1 工程概況

拉哇水電站左岸位于四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)境內(nèi)，右岸位于西藏自治區(qū)昌都自治州芒康縣竹巴籠鄉(xiāng)境內(nèi)，是金沙江上游13級開發(fā)方案中的第8級?；I建期右岸交通道路工程主要為②、④、⑧、?道路，受施工區(qū)內(nèi)地形條件限制，道路以隧道為主。設計⑧道路設計長度為1 263.000 m，其中明線長12.000 m、隧道明洞長5.000 m、隧道洞身長1 246.000 m（樁號K0+000～K1+246.0）。隧道由出口開始掘進至K0+830樁號時圍巖出現(xiàn)溶洞，洞身圍巖整體性差，在隧道洞身掘進至K0+710.0樁號時，掌子面出現(xiàn)了塌方，塌方體為泥和碎石組成的松散堆積體，地質(zhì)勘探將隧道圍巖確定為F109斷層帶：斷層帶由K0+710.0樁號延伸至AK0+583樁 號；隧 道K0+830.0～K0+709.0和AK0+583.0～AK0+520.5為斷層影響帶，為避開隧道沿斷層帶施工，將原線路K0+000～K0+710.0段軸線進行調(diào)整，增加隧洞長度11.768 m。隧洞穿越斷層及破碎影響帶長度為321.268 m，其中穿越破碎帶138.768 m，斷層兩側(cè)影響帶長度分別達120.000 m和62.500 m。

2 超前地質(zhì)預報

超前地質(zhì)預報的根本目的在于進一步查明掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)條件，超前探測地層巖性、軟弱層的位置、巖體完整程度，以及斷裂帶位置、寬度、破碎程度、富水性等不良地質(zhì)及隱伏的重大地質(zhì)問題。從而達到優(yōu)化施工方案，指導隧道施工順利進行，減少隧道施工的盲目性；降低隧道施工地質(zhì)災害發(fā)生的機率，保證隧道施工安全；為隧道動態(tài)設計和信息化施工提供基礎資料，使隧道設計施工科學、安全和快捷。超前地質(zhì)預報的目標是準確預報掌子面前方圍巖地質(zhì)情況及富水情況，重點預報突水、突泥及斷層破碎帶等不良地質(zhì)的具體位置、規(guī)模和影響程度。

目前，國內(nèi)隧道超前預報工作方法多，常用的預報方法有地質(zhì)分析法、物探法(TSP、地質(zhì)雷達、紅外探水)和超前地質(zhì)鉆探法等[2]，施工過程中大多將多種方法綜合運用，基本準確地推測出掌子面前方巖體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與狀態(tài)。

2.1 超前地質(zhì)預報內(nèi)容

超前地質(zhì)預報就是在隧道開挖施工之前，預先了解掌子面前已存在的地質(zhì)相關(guān)信息，對巖體的完整性、軟硬程度，節(jié)理的發(fā)育程度，含水情況等，做出科學正確的判定。其預報的作用、距離、精度、手段、方法、內(nèi)容有多種，具有很強的綜合性、系統(tǒng)性、未知性、實用性、客觀性，需要不同專業(yè)人員的配合，同時還應根據(jù)具體的現(xiàn)場條件，合理地采取多種預報手段，揚長避短，相互補充，相互印證，多角度、多參數(shù)地對掌子面前方的地質(zhì)情況進行預報。

針對該工程隧道存在的復雜工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件的特點，工程采取地質(zhì)雷達檢測為主、輔以掌子面地質(zhì)預測超前預報的方式，共同構(gòu)成隧道施工的地質(zhì)綜合預報體系，進行不良地質(zhì)體的超前預報。

1）開挖工作面前方斷層破碎帶及巖體破碎帶的超前預報，包括破碎帶的產(chǎn)狀、厚度、含水情況及力學特性等。

2）開挖工作面前方的巖性分界面、特別是軟弱夾層的地質(zhì)超前預報，主要包括發(fā)育形態(tài)、范圍、部位和充填物性質(zhì)等的預報，以及巖溶涌水、突泥的可能性預報。

3）提供掌子面前方圍巖級別建議。

2.2 地質(zhì)雷達現(xiàn)場探測

工程采用中國電波傳播研究所生產(chǎn)的LTD-2100型高速地質(zhì)雷達，配備主頻為100 MHz的天線對隧道掌子面前方的圍巖進行探測，每次探測深度30.000 m。進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時，將天線貼緊掌子面沿測線方向緩慢勻速地移動。

2.3 檢測結(jié)果分析及施工建議

根據(jù)地質(zhì)雷達典型圖像顯示：掌子面前方0～30.000 m探測范圍內(nèi)電磁波反射較強烈，同相軸連續(xù)性差，呈中低頻，能量變化規(guī)律性差，信號衰減快。推測掌子面地質(zhì)情況主要以強風化巖石為主，巖體破碎呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，局部有滲水，圍巖穩(wěn)定性及完整性差，開挖時極易出現(xiàn)坍塌等現(xiàn)象。開挖施工時，要求做好超前防護及洞室成型后的加強支護，控制開挖循環(huán)進尺，防止塌方，減少安全事故的發(fā)生。

3 施工技術(shù)應用

隧洞穿越松散堆積體地質(zhì)洞段時，嚴格按照“先探測、預注漿、短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測”的原則組織施工。開挖掌子面前先采用小導管、大管棚等進行超前預支護，然后對仰拱以上部分采用三臺階七步開挖法進行開挖，開挖后及時跟進錨、網(wǎng)、噴、鋼架等聯(lián)合支護形式穩(wěn)固開挖洞段，再進行仰拱開挖并將初期支護封閉成環(huán)，最后進行仰拱及邊頂拱混凝土二次襯砌施工。

3.1 超前小導管施工

超前小導管注漿是沿隧道縱向在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)向前上方傾斜一定角度的密排注漿鋼花管[3]，然后通過注漿對掌子面圍巖進行注漿加固，確保隧道開挖施工安全。

工程小導管采用管長4.500 m，直徑48.0 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管加工。尾部長度50.0 cm預留止?jié){段，其余部分按15.0 cm間距呈梅花形交錯設置注漿孔，孔徑8.0 mm，前端加工成錐形。

小導管布置在拱頂127°范圍內(nèi)，花管孔間距40.0 cm，外插角12°，長3.000 m，搭接長度1.500 m。注漿材料采用水膠比為1∶1的水泥漿，注漿壓力采用0.5～1.0 MPa。漿液采用水泥、水玻璃雙漿液，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度為35波美度。注漿前先進行現(xiàn)場注漿工藝性試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果進行后續(xù)施工，施工工程根據(jù)實際情況及時調(diào)整設計注漿參數(shù)。

超前小導管鉆眼及布管完成后，先對導管內(nèi)積物沖洗，然后進行超前預固結(jié)灌漿，灌漿完成后立即堵塞鋼管孔口。

3.2 大管棚跟管鉆進

在開挖隧道襯砌拱圈弧線上預先鉆孔并安裝一定長度的鋼管作為管棚，作為隧洞下部石方開挖后用于隧洞拱頂以上圍巖的支撐，保證隧洞成型后工作安全的目的[5]。一般比較均質(zhì)的地層采用常規(guī)的施工方法即可完成鉆孔及安插鋼管工作，但對于松散體圍巖且夾雜大孤石地層施工管棚時，上述施工方法無法滿足施工要求，工程采用跟管鉆進施工大管棚。

跟管鉆進采用鉆進過程中跟進套管的方式直接將管棚鋼管送入孔內(nèi)，防止已成孔段內(nèi)孔壁坍塌或鉆進過程中出現(xiàn)鉆具卡死現(xiàn)象，鉆孔產(chǎn)生的巖粉通過穩(wěn)桿器上的鍵槽吹出孔外[6]。工程管棚鋼管前部3.000 m采用強度較大的R780合金鋼管，后部17.000 m中間采用強度一般的DZ40合金鋼管，鋼管加工成1 m/節(jié)的成品，采用套絲進行連接。即在每節(jié)管棚鋼管端部設置長7.5 cm內(nèi)絲扣，兩節(jié)鋼管的連接采用鋼套管設長15.0 cm外絲扣連接。

跟管鉆進施工前，先進行導向墻施工，然后采用潛孔鉆將鋼管分節(jié)送入孔內(nèi)。鉆孔和鋼管一次性安設完成后，在管棚鋼管內(nèi)插入加強鋼筋并進行灌漿作業(yè)，加強鋼筋由4根O20鋼筋組成。灌漿漿液配比采用水膠比為0.7∶1的水泥漿漿液，減水劑摻加量為1.2%，注漿壓力終壓為1.0 MPa。

3.3 三臺階七步開挖法

三臺階七步開挖法分上、中、下3個臺階7個開挖面施工，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進隧道施工[7]。施工過程中拱部采用環(huán)形開挖預留核心土，利用核心土施壓掌子面，中下部先開挖兩側(cè)，保持中部土體不動，保證掌子面穩(wěn)定[8]。三臺階七步開挖法施工順序如圖1所示。

圖1 三臺階七步開挖法施工順序

該工程隧道開挖高度為9.400 m，開挖寬度為11.500 m。臺階開挖高度根據(jù)有利于開挖穩(wěn)定、施工人員和設備的作業(yè)空間、隧道設計參數(shù)進行劃分，其中上臺階開挖高度為3.200 m，考慮利用核心土作為施工平臺進行作業(yè)要求，核心土頂面距拱頂距離為1.700 m，寬度根據(jù)施工需要設置；中臺階開挖高度為2.600 m；下臺階開挖高度為1.400 m；仰拱中心部位開挖高度為2.200 m。三臺階七步開挖法施工步驟：1）上臺階環(huán)形留核心土導坑開挖，施作拱部初期支護；2）上臺階預留核心土及中臺階中部開挖；3）中臺階左、右兩側(cè)錯開開挖，施作墻部初期支護；4）下臺階左、右兩側(cè)錯開開挖，施作墻部初期支護，下臺階中部開挖；5）底部仰拱開挖及底部初期支護施作，并及時施作仰拱盡早封閉成環(huán)。

隧道開挖以人工配合反鏟為主，局部較大孤石部位采用零星爆破，反鏟配合15臺自卸氣場出渣，開挖支護施工必須及時施工。

仰拱施工時，采用12.000 m棧橋作為仰拱施工時的洞內(nèi)交通，在施作2組3.000 m仰拱混凝土后，移動棧橋轉(zhuǎn)入下一段仰拱施工。仰拱及仰拱回填混凝土施工完成后，根據(jù)隧道施工方案適時施作二次襯砌混凝土。

3.4 隧道支護參數(shù)調(diào)整

由于松散堆積體隧洞段圍巖強度極低，施工過程容易出現(xiàn)開挖掌子面坍塌、施工完成后的洞身變形等質(zhì)量安全事故，因此，為了保證開挖施工順利推進，必須及時對隧道支護施工參數(shù)進行調(diào)整：1）為了增加鋼架的強調(diào)，采用型鋼鋼架代替格柵鋼架，將原鋼架間距由設計60.0 cm調(diào)整至50.0 cm，局部調(diào)整至30.0 cm；2）增加噴混凝土厚度，噴混凝土厚度由原來的24.0 cm增加到26.0 cm；3）減小超前小導管的環(huán)間距和管間距，將小導管改長3.000 m，搭接長度1.500 m，管間距由設計40.0 cm調(diào)整為25.0 cm；4）減小錨桿施工環(huán)距，將原設計環(huán)間距60.0 cm調(diào)整至50.0 cm；5）在隧道穿越松散堆積體時，采用環(huán)形預留核心土法結(jié)合三臺階七步開挖法施工，同時縮短循環(huán)開挖進尺；6）在原初期支護內(nèi)側(cè)增加二次施工護拱鋼支撐，以增加初期支護剛度。

4 隧道施工期安全監(jiān)控

隧道開挖后，因隧洞圍巖應力重新分布和應力釋放，圍巖呈現(xiàn)位移和性質(zhì)變化等狀態(tài)[9]，因此，在隧道施工過程中必須進行監(jiān)控量測工作。

4.1 隧道施工監(jiān)控量測目的

1）通過收集的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析，為隧道圍巖穩(wěn)定性評價提供數(shù)據(jù)信息。

2）為正確選擇隧道開挖方法和確定混凝土二次襯砌施作時間提供數(shù)據(jù)支持。

3）為隧道設計參數(shù)的修正和優(yōu)化提供依據(jù)，指導現(xiàn)場施工。

4.2 隧道監(jiān)控量測內(nèi)容及方法

隧道監(jiān)控分為主要監(jiān)測項目和選擇性監(jiān)測項目，其中主要監(jiān)測項目主要有洞內(nèi)觀察、頂拱沉降量測、周邊收斂量測等[10]，必須做為隧道施工日常工作進行管理。

1）洞內(nèi)觀察

洞內(nèi)觀察主要是對開挖掌子面的圍巖情況，已施工段噴射混凝土有無裂縫、滲漏水情況，錨桿、鋼架有無破壞及變形情況等進行觀察，同時采用數(shù)碼相機和記錄表格及時進行記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況立即上報相關(guān)單位。觀測頻次不少于隧道施工規(guī)范要求。

2）頂拱沉降和周邊收斂量測

在進行隧道開挖施工過程中，頂拱沉降及周邊收斂量測在同一斷面進行，主要方法為在測樁上粘貼全站儀反射片，采用徠卡TS06全站儀（測角：2″；測距：1.5 mm+2 ppm）進行無接觸式測量讀數(shù)。初讀數(shù)應在開挖后12 h內(nèi)讀取，最遲不得超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，必須完成初期變形值的讀數(shù)，根據(jù)讀數(shù)計算頂拱沉降和周邊收斂變化值。觀測過程中必須做到觀測人員、儀器、控制基準點固定。測樁布置形式如圖2所示，測樁斷面間距按5.000 m進行一組布置。

圖2 測樁布置形式

4.3 隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集、整理及分析

完成現(xiàn)場量測和數(shù)據(jù)采集后，并及時對現(xiàn)場觀測所得的資料加以整理，編制成表格和說明，使它形成便于使用的成果，最終形成監(jiān)控量測周報、月報，隧道開挖施工完成后形成成果總結(jié)報告。量測資料保存在施工現(xiàn)場，以便于核查。具體步驟：1）核查各項原始記錄，檢查監(jiān)測值的正確性；2）對各種觀測值按時間逐點填寫觀測數(shù)值表；3）繪制各種變形過程線或變形分布圖；4）根據(jù)數(shù)據(jù)整理結(jié)果對初期支護的時態(tài)曲線應進行回歸分析，預測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。

監(jiān)控量測典型成果表見表1，典型的變形分布圖見圖3。

表1 監(jiān)控量測典型成果表

圖3 監(jiān)控量測典型的變形分布圖

5 結(jié)語

拉哇水電站隧道工程采用超前地質(zhì)預報預技術(shù)預先對隧道圍巖進行預判，為提前確定隧道開挖支護方案提供了技術(shù)依據(jù)，確保施工安全；采用環(huán)形預留核心土法結(jié)合三臺階七步開挖法施工，保證了隧道穿越松散堆積體洞段的順利施工；采用小導管超前支護方案代替部分大管棚施工，降低了工程成本；采用“跟管鉆進”方案，避免了隧洞穿越松散、破碎洞段大管棚鉆孔卡鉆、塌孔等質(zhì)量事故的發(fā)生；根據(jù)實際隧道圍巖地質(zhì)情況，及時調(diào)整開挖方案和支護參數(shù)能確保施工安全，推進施工進度；通過隧道安全監(jiān)控數(shù)據(jù)收集、整理及分析，對確定隧道施工期安全穩(wěn)定和隧道二次襯砌施作時間提供數(shù)據(jù)支持。