隧洞支洞进口开挖设计与施工

2014-03-23李国东

东北水利水电 2014年1期

关键词：进洞支洞进尺

李国东

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110166）

隧洞支洞进口开挖设计与施工

李国东

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110166）

大伙房输水工程（一期）隧洞全长 85.32 km，沿线分布的 16 条支洞位于不同的地质地段和地表环境，采取不同的设计支护参数和不同开挖形式，对工程的进度、安全性和经济性有着较大的影响。此工程采用明洞套拱施工，有效完成了 3 种不同地质条件的进洞施工，为类似工程条件的项目提供参考。

大伙房输水工程；隧洞边坡；开挖

1 工程概况与地质描述

辽宁大伙房输水工程是目前世界上单线线路最长、TBM 单机掘进最长的输水隧洞。整个隧洞全长 85.32 km，直径 8.0 m，其中附属工程（临时和永久支洞）有 16 条施工支洞。整个隧洞中的 58.74 km 为 3 台开敞式全断面掘进机施工，单台 TBM 掘进长度为 20 km 左右，而且每台 TBM施工需 2~3 条支洞，相临两支洞间间距为 10 km 左右。工程总施工工期为 5.5 年，全线施工工期最为紧张的就属TBM 1标段。

此工程所在区域为温带季风型大陆性气候，冬季严寒、干燥，夏季温热、多雨，气温变化幅度较大，全年 6~8 月为雨季，10 月至来年的的 4 月（约半年）为冰冻季节，全年最佳户外施工为 3个来月。3条支洞洞口位于河流边上，每年8月份为洪水爆发期。

10号支洞洞脸边坡较缓，地表植被发育，表层为厚30～50 cm 的腐植土，以下为坡积碎石土，厚度 8m 左右，下部为全强风化正长斑岩。碎石土中碎石成分主要为正长斑岩，粒径大小不均匀，一般碎块小于 40 cm，含量 50%左右；呈全强风化状态，矿物成分完全变质，岩石破碎，呈碎裂结构，完整性极差，含水量较高。10 号支洞无规模较大断层（构造）通过，但地层节理组数较多，节理间距一般较大，节理张开度较小，绝大多数闭合，节理面平直光滑～平直粗糙。

11 号支洞洞脸边坡较陡，植被发育，边坡上覆盖有坡积物，厚度 0.5~1.0 m。基岩为太古代混合岩(M 1)，强风化~弱风化，中硬。边坡岩石裂隙发育，组数较多，多数节理张开度较大，节理面平直光滑~平直粗糙，充填风化岩屑。岩体呈碎裂结构，整体强度不足，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。整条支洞所穿过的岩石为太古界混合岩，其弱风化岩饱和单轴抗压强度为 36～63 MPa，微风化岩为60～80 MPa；洞线与节理裂隙多近直交，且密度较小。

12 号支洞洞脸边坡陡峭，基岩裸露，岩性为白垩系小岭组角砾熔岩、凝灰质砂岩，弱风化~强风化，中硬。洞口前有 2~3 m 的碎块石土，碎块石成份是凝灰质砂岩。边坡表层风化卸荷，边坡顶部存在 4 处危岩体，体积 10~20 m3。边坡主要发育有长大裂隙 8条，其中 6条裂隙产状为NW 300°SW(或 NE) ∠72~87°；2 条裂隙产状为 NE60°SE∠60~70°。边坡部位节理发育，微张~张开，岩屑或泥质充填，岩体破碎，整体强度不足。

支洞进洞开挖支护施工的工程特点及主要施工难点：

1）支洞施工工期紧。10 号支洞长 1 580 m，为保证设备按期进洞，必须月进尺达 166 m；11 号支洞考虑扩大洞室、投料孔等施工的影响，对于斜井施工月进尺达 100 m；12 号支洞长 2.6 km，由于考虑 TBM 设备交货期推迟的影响，为赶工平均月进尺将达 100 m。

2）此工程支洞施工环保要求高。为了避免洞口大开挖施工，减少土方开挖量，保护山林植被，避免破坏生态环境，从安全美观实用，经济合理方面考虑，各个支洞口采用直接强行进洞的暗挖施工方案。

3）各个洞口地质条件复杂，技术要求高，施工工艺要求严格，安全问题必须引起足够重视。10 号支洞为土质边坡，为两山头间岩石风化坡积而成，地势为缓坡；11 号支洞属土石混合边坡，坡体稍陡，植被不甚茂密，进口边坡上部为强风化砂卵石地层，坡脚即见强风化岩石；12 号支洞属岩石边坡，坡体极陡，边坡不稳定块体塌滑和小型块体松动掉块出现可能性较大。3个洞口边坡安全稳定问题非常突出。

2 边坡破坏分析

此工程3个支洞洞口开挖涉及到两个方面的稳定问题：一是边坡开挖稳定问题，二是因洞口段进洞开挖过程中隧洞周边的变形或坍塌引起洞口边坡稳定性问题。其进洞开挖过程中引起边坡破坏形式为洞口滑坡、开挖掌子面塌方和滞后掌子面洞口段塌方，不同地质情况的边坡破坏形式对应不同的应力作用机理。

1）土质边坡：开挖方式选用人工配合机械。坡体内富含地下水，其自稳能力和整体稳定性较差，进洞开挖过程中受上覆土体自重应力和渗透水压力作用下形成下沉或开裂变形，最后形成隧洞洞壁的坍塌和边坡失稳。

2）土石混合边坡：开挖方式选用人工钻爆和机械开挖方式相结。地下水受地表降雨影响较大，其边坡自稳能力相对土质边坡较强，但受开挖方式和施工机械影响较大。进洞开挖过程中围岩主要受上覆土体自重应力和渗透水压力作用，在岩体内滑裂面或土岩结合面滑动破坏。

3）岩石边坡：开挖方式一般选用人工钻爆，开挖过程中对围岩扰动较大，不注意也很容易引起滑坡或坍塌。开挖过程中围岩主要受上覆土体自重应力、构造应力和裂隙水压力作用下，沿岩体内部节理滑裂面滑动破坏。

根据边坡开挖的环保、经济技术以及安全方面等的考虑，最后确定的开挖支护原则采用“早进洞、少明挖；强支护、短进尺；保安全、勤观测”十八字方针，最终确保各个支洞施工的顺利进行。

3 工程设计与施工

根据以上分析，3个洞口的地质条件不尽相同，开挖方式不同，洞口边坡破坏方式不同，洞口支护处理方式也不同。但无论何种边坡支护及开挖形式，施工过程中始终要合理运用新奥法施工原理，进行信息化施工。

3.1 支洞口位置选择

支洞洞口位置的选择是否合理，关系到施工难度、工期长短、工程造价、施工安全性和后期的维护等。因此应重点考虑以下几个方面的问题：

1）支洞洞口应尽量避开不利地质构造，如坡脚坡积物较厚、两山头交汇处、地下水位丰富地段等，否则，将会增加作用于临时或永久支护结构上的围岩压力和外水压力；或隧洞两边坡积物厚度严重不均造成严重偏压等情况。

2）支洞洞口离主洞距离尽量短（建议不要长于 2 km），坡度尽量不要超过 12%，且每隔 200~250 m 设置一个缓平台。

3）支洞口应能布置安放临时施工设施的平台。

4）支洞口高程应考虑防洪标准要求。

5）支洞口与外界的交通联系方式。

3.2 洞口边坡开挖设计与施工

对于坡积砂砾石土层边坡支护设计采用 φ20，L＝2 000 mm，间距 1 200 mm 锚杆，挂 φ8@200×200 的钢筋网、喷100 mm 厚 C 20 混凝土；坡面根据渗水情况设置 L＝2 000 mm 的塑料排水管；坡顶合适位置设置截水沟；边坡开挖采用 1:0.75 放坡；对于中等风化岩石边坡采用 φ20，L＝2 000 mm，间距 2 000mm 锚杆，挂 φ8@200×200 的钢筋网、喷100 mm 厚 C20 混凝土；锚杆间距可根据岩层节理面作适当的调整；开挖施工前将坡顶危岩处理掉；对于岩块较破碎（大小不超过 40 cm 的岩石占绝大多数）时采用 1∶0.6 进行放坡；若一般块岩石超过2 m 且节理发育时尽量不破坏自然边坡的稳定性，只进行危岩处理后再喷锚支护施工；对于高边坡应进行地质分析后再决定是否采用预应力锚索或柔性防护网进行支护。

坡积砾石土边坡开挖原则采用“分部开挖、边挖边护”。每层开挖高度为 2 m 左右，先用反铲开挖，在接近设计边坡 0.5~1 m 时改用人工修坡，尽量不人为破坏坡体的自然稳定性。修坡后先初喷 30~50mm 厚混凝土，然后挂网，并施工排水孔，再二次喷射混凝土至设计厚度。喷混凝土终凝3 d后进行下部开挖。中等风化岩石边坡开挖原则采用“新奥法”原理进行施工，即“短进尺、弱爆破、强支护、勤观测”。

3.3 支洞口开挖锁口设计与施工

根据洞口边坡开挖的失稳破坏模式适当调整洞口开挖的锁口支护方式。此工程各支洞口都处于地质条件比较差的地段，为了保证边坡和隧洞开挖的施工安全和稳定性，各个支洞开挖施工都采取了“洞口锁口”的支护方式，并贯彻执行“先护坡锁口、后强行进洞”的原则进行施工。

对于 10 号支洞，洞口段附近约 45 m 为松散的坡积物，且含水量较高。为加快施工进度，保证施工安全，在洞口外设置2 m长的混凝土套拱（即明洞段）。套拱内设置三榀 H180 钢支撑，并在套拱周边设置导向用孔口管，为下步的超长管棚施工作准备。混凝土套拱施工时基础必须座在中等风化基岩上，混凝土浇注可以采取支模板背部人工浇注或迎面喷射混凝土方式，且进口处位置必须设置一榀钢支撑并浇注在混凝土内。待混凝土套拱形成3 d后开始下步开挖。

11号支洞由于上半部是松散的坡积物、下半部是节理基岩，结合洞门的设计在在洞口外设置 2 m 长的混凝土套拱（即明洞段），套拱内设置三榀 H 180 钢支撑，相临钢支撑之间用 φ22@100 钢筋连接，然后喷射厚 300 mm 的 C25混凝土进行临时支护。进口端钢支撑外沿用小导管管棚加强支护，小导管为长 2m 的 φ42 钢管。

12号支洞为节理发育的陡峭山坡，进洞开挖初期以坡体蠕动、坡面危岩滚落为主，在洞口位置设置 1 m 长的混凝土套拱，套拱内设置两榀 H 180 钢支撑，钢支撑上部设置 φ22 锚杆超前支护，锚杆长 L＝3 500mm，间距 400mm，外插角 10°。待洞口锁口结构形成后再进行隧洞开挖。

3.4 洞口隧洞开挖支护设计与施工

洞口段及Ⅳ类围岩段开挖采用“正台阶上下分层法”施工。对于砂砾石层或极破碎岩石采用机械开挖掌子面，并预留“核心土”。待上台阶开挖清理完并支护拱脚以上的钢格栅，拱脚施工 2~4 根 φ22 长 2.5 m 锁脚锚杆，再开始施工下台阶。对于不易用机械清除的岩石，采用小药卷松动爆破。Ⅳ类围岩采用光面爆破。钢拱架底座下卧到基岩面，挖不到基岩面的部位采用扩大基础替代。每循环进尺控制在 50~100 cm。洞室开挖根据“新奥法”原则进行信息化施工，即“短进尺，弱爆破，强支护，勤观测”的原则施工。

1）10 号支洞由于洞口段附近约 45 m 为松散的坡积物（含粘土较多），且含水量较高。为加快后期施工进度，并保证施工安全，在原锁口套拱预留管内开始施工超长管棚。

套拱预留管的施工：在施工锁口套拱时注意调整套拱工字钢底座高程，使预留管延长线和隧洞轴线间的夹角控制在 1%~2%；环向间距位置在隧洞顶部 5@500，其余控制在间距 800~1 000 mm。工字钢拱架周焊接⊄127 预留管，长度随坡面距离进行调整。在钢拱架内侧将背负式模板固定在拱架或预留管上，进行混凝土浇注。混凝土强度 C25，厚 300 mm。混凝土强度达到 70%时，拆模进行下道工序的施工。

超长管棚的施工：为加快进度，用2台空压机驱动MK-5型水平钻机进行成孔，施工方式由两边向中间进行。注意施工前要将钻机施工平台搭建牢固，以免施工过程中钻进方向偏离或卡钻。成孔过程中应注意控制施工速度，避免塌孔，取钻杆时注意堵孔埋杆事故发生。成孔完后安装 108 钢管，根据钻孔地质情况决定是否需灌浆处理。

开挖支护施工：洞口段 20 m 左右为松散砂砾石坡积土，H 180@800~1 200 钢支撑、φ22@1 000 拉筋连接、挂φ8@150×150 钢筋网、喷 C25 混凝土厚 150 mm；另 25 m为 H160@1 000~1 200 钢格栅支撑、挂 φ8@150×150 钢筋网、喷 C 25 混凝土厚 150 mm。开挖施工过程中发现有小量塌方时，沿钢支撑周边插设钢插板，封闭岩面、防止坍塌。钢插板厚度为 3 mm，尺寸根据现场情况确定。

固结灌浆处理：洞口段由于地下水丰富，洞壁渗水严重，多次冻融会破坏临时支护，故应做防渗固结灌浆处理，处理后以洞壁不滴水为标准。灌浆处理注意控制灌浆压力，避免压坏钢格栅，此时应加强钢格栅变形监控测量。

2）11 号支洞洞口段为 V 类围岩，开挖施工采用光面爆破，开挖进尺控制在 1 m 左右；洞口段至内 20m 施作H160@1 000 钢格栅支护。渗水地段需经过防渗灌浆处理。

3）12 号支洞洞口 15 m 为Ⅳ类围岩以上，前 4 m 采用H 160@800 钢支撑支护，环向 φ22@1 000 拉筋连接，边墙调整为 2m 间距。后 11m 采用 H160@1 000 钢格栅支护，拉筋系统设计不变。在洞口段开挖下一循环时，应在钢支撑上部施工 φ22 锚杆超前支护。锚杆长 L＝35 00mm，间距300 mm，外插角 5°。渗水地段需经过防渗灌浆处理。

上述钢支撑或钢格栅断面大小应预留 5 cm 的变形量。