多元地质结构隧洞开挖及支护施工技术

2015-11-24袁媛

水科学与工程技术 2015年5期

袁媛

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 工程概况

某水电站引水隧洞工程位于新疆伊犁州尼勒克县境内的喀什河上游河段，隧洞全长2175m，设计开挖断面71.2m2，洞径8.9m。该工程地质条件极为复杂，隧洞上半洞为无胶结松散砂卵砾石层，局部夹有砂层透镜体，且有较多孤石出露，孤石粒径不等（最大粒径超过2m），隧洞下半洞地层为红褐色泥岩夹薄层砂砾岩。

在砂卵砾石层内，赋存孔隙型潜水，地表水补给充分，在拱肩以上分布有多处滴水点。泥岩夹薄层砂砾岩节理较发育，沿节理面有地下水流出。由于受基岩顶托，在基岩面与砂卵砾石层的交接处，地下水溢出，水量较大。隧洞开挖后受应力重新分布和施工过程扰动，坍塌、超挖现象严重，成洞困难。

2 隧洞开挖及支护

2.1 超预判

由于本隧洞起拱线以上为砂卵砾石层，其具有密度大、大粒径飘石含量高、颗粒级配不良、渗透性强、卵石强度高、孔隙型潜水从砂卵砾石层与泥岩层交接面溢出等特点，使得隧洞开挖、支护困难，超前支护及钻孔方式必须兼有注浆与自进功能。

2.2 超前管棚

用C25喷射混凝土封闭掌子面，作为止浆墙同时也防止在钻孔时掌子面坍塌。在拱部120°范围内，开挖轮廓线以外10cm，打设R51L超前迈式管棚（如图1），长6～8m，管棚环向间距30cm，纵向搭接长度≥1m，外插角3°～5°。管棚壁上钻有准10mm圆孔，间距60cm，梅花型交错布置，以加大浆液渗透能力。迈式管棚采用YGL-100A型全液压履带式管棚机钻送。

2.3 预注浆

注浆数量的控制采用定压和定量相结合的方法，注浆数量及注浆压力基本是固定的，按需要填充的空隙量选定，以所处围岩总体积的百分数表示，在砂卵砾石层注浆量可高达40%。

图1 迈式管棚纵横断面

注浆采用水泥——水玻璃双浆液，浆液的凝胶时间能准确控制在十几秒至十几分钟范围内。注浆前先用浆液把孔中水压出管外，待浆液流出的浓度与浆池中的浆液的浓度相同时，再密封孔口，加压并把压力稳定在0.5～1MPa之间，不要间断注浆。水泥浆搅拌完毕后采用1mm×1mm网筛过滤，放入叶片立式搅拌机进行二次搅拌，确保浆液均匀。注浆顺序由下向上，不可倒置。

2.4 洞内开挖

工艺控制采用方法：

开挖掘进30cm——管棚制作——安装首榀拱架——锚杆安装——钢筋网片制安——喷射混凝土——开挖掘进——钢拱架制安——锚杆安装——钢筋网片制安——喷射混凝土——安装第2排——锚杆安装——循序渐进，以此类推，完成隧洞的安全掘进。因此选择合理的支护时机，判断支护的实施效果，并对支护参数及时进行调整，使隧洞施工实现了动态化管理，取得良好的经济效益。

第一步开挖采用弧形开挖预留核心土方式，开挖进尺不超过1m，核心土的作用除对掌子面和拱部围岩起稳定作用外，还可作为人工操作平台以便于支护，核心土预留必须有一定长度和宽度，以满足人工作业为准，开挖高度2.5m，核心土体长4～6m，上顶宽3～4m，便于人工对上台阶进行一次支护。主要采用挖机配以人工开挖，欠挖部分适用铁锹及风镐找欠，对于掌子面开挖轮廓线出露较大孤石时，采用温控静态爆破技术，在孤石上沿开挖轮廓线打眼，孔间距不超过30cm，孔内装入膨胀剂药包进行膨胀开裂，以减少对掌子面的震动。

中下台阶采用左右马口跳槽开挖，开挖进尺不超过2m，跳槽的间距不得少于2m，严禁在同一断面上使左右钢架同时处于悬空状态，以保证安全。中台阶开挖高度选择3m，台阶长6m。下台阶开挖高3.5m，台阶长7m。泥岩部分采用矿山斗挖机开挖，对于稍微坚硬的泥岩，则在挖机上配置独钩猎土器，每次能够将泥岩钩松30～50cm，开挖速度较快。

2.5 支护措施

根据监控量测数据分析及现场实际情况，在围岩自稳的时效内，采用分部连续开挖一次性支护的方式，避免施工工序交叉，加快了施工进度。开挖完毕及时出渣，对岩面找欠排险后，先在开挖面喷射一层4～6cm混凝土进行封闭，防止岩体风化、软化，产生较大的流变。

拱架采用永久支护，计算采用塌落拱理论加一次支护与永久支护联合受力，根据岩体受力特点进行分析，确立了一次支护受力分摊60%，二次分摊40%，进行了结构静力计算确立了一次支护采用型钢拱架的支护形式。

2.5.1 钢拱架安装

泥岩和砂卵砾石层具有大变形和流变效应，一次支护需要较大刚度。为减小围岩收敛，防止围岩失稳，及时调整了支护型式，采用［18工字钢架支护，拱架单元的划分和间距随围岩情况和开挖方式的改变进行了调整。拱架调整为6单元，钢架间距50～80cm。钢拱架拱脚置于质地均匀的砂卵砾石层上或无水浸泡的泥岩上，严谨拱脚悬空或采用虚碴回填。

2.5.2 钢架连接筋及网片

每榀拱架之间由准20钢筋连接，环向间距1m，内外交错布置，焊缝必须饱满，焊接牢固。准8钢筋挂网材料由机械运输至安装面人工安装及焊接，网片搭接长度不小于20cm。

2.5.3 喷射混凝土

埋设钢筋头做量测喷厚标志，喷嘴与岩面距离0.6～1.2m为宜，喷射方向大致垂直于岩面，从下至上分段分层施喷，每次喷厚4～6cm，分多次喷至设计厚度。喷混凝土面洒水保持湿润养护。喷射作业参数通过生产试验确定，在保证喷射混凝土密度的前提下，尽量减少回弹量。喷混凝土强度采取现场喷射取样试验，厚度通过预埋钢筋做厚度标志或钻孔测深检查，外观质量通过肉眼检查评价。

2.5.4 锁脚锚杆

砂卵砾石地层由于地质松散，造孔困难且钻杆不易拔出，本工程采用R32N自进式中空锚杆，集造孔与注浆功能，施工速度快，便于迅速加固围岩。每单元钢架底脚处打设2根锁脚锚杆并注射水泥—水玻璃浆液，锚杆单根长3m。

泥岩在干燥状态下比较坚硬，当遇水后短时间内就会变软，钻杆造孔用水会破坏泥岩强度。所以在泥岩部位采用YT28风枪将准25钢筋击入岩体，速度快，质量有保证，拉拔力能满足设计要求，击入式锚杆每处拱脚设置2根，单根长2m。

锁脚锚杆与钢架、准25连接钢筋焊接牢固，形成“抱箍”状态以消耗或平衡了围岩的二次应力。

2.5.5 随机锚杆

为了保证施工安全，防止围岩质量进一步恶化，在水量较大、围岩松散洞段径向打设R25N自进式中空随机锚杆，注射水泥—水玻璃浆液，起到径向固结围岩作用，加固改良了松散围岩，平衡围岩开挖后产生的松弛应力，作为永久支护结构的一部分，与围岩一起构筑成新的稳定体系。

2.5.6 底板封闭

钢拱架落底后，钢拱架纵向托梁用［18工字钢连接，基座断面尺寸0.5m×0.5m，喷射C25混凝土。隧底锁口采用C20混凝土浇筑，厚度20cm，内置［18工字钢，底板闭合钢架支撑隧洞边墙工字钢架，从而形成牢固而稳定的空间曲线结构。

2.6 洞内排水

混凝土喷护前，在泥岩与砂卵砾石交接面地下水集中的部位安装透水盲管，盲管用无纺土工布包扎，防止被喷射混凝土包裹夹心。盲管用准5cm橡胶管将岩层孔隙水导出洞外或临时排水沟。洞底残留水通过可移动式水箱抽或集水坑抽排至洞外。

2.7 监控量测

该隧洞依据监控量测及现场实际施工情况，通过大量数据分析，发现开挖断面的大小对变形影响较大，当开挖上台阶时，变形较大，收敛较快；但当开挖中下台阶时，随开挖断面扩大，变形迅速增加，尤其是两侧边墙变形增长较快，对围岩稳定不利，其变形约占总变形量的70%。当洞室开挖进尺达到3倍洞径时，围岩变形基本完成。通过对本隧洞监控数据的分析，掌握围岩变形规律，预测围岩稳定状态。

监控量测在施工期对洞内变形采用视准线法进行五点六线观测，收敛变位采用单点位移计进行观测。沉降变位采用三点两线控制吊点法跟踪定位，有效确立支护时段。