复杂地质条件下的洞挖施工技术

雷子祥

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710016)

在水利水电施工中，隧洞施工工程项目不同，遇到的地质情况也是不同的，洞挖施工方法将会不同。对于地质情况较差的 Ⅳ、Ⅴ围岩及特殊地质地层段的洞挖施工方法更为不同。

1 工程情况

莲麓一级水电站左右岸灌浆平洞工程区位于甘肃省西南部渭源、康乐交界处的洮河干流九(甸峡)～海(甸峡)河段上，为无调节河床式水电站。以洮河为界，左岸行政隶属康乐县莲麓乡管辖，右岸属渭源县峡城乡管辖。电站距上游九甸峡水电站厂房约6.0km，下游距莲麓二级(峡城)水电站约5.1km。工程区北距兰州市约178km，现有九甸峡水利枢纽专用公路相通，对外交通十分方便。

莲麓一级水电站工程主要以发电为主，正常蓄水位2067.0m，库容800.14万 m3，总装机容量66MW(3×22MW)，属中型III等工程，主要建筑物为3级，临时建筑物为5级。

左岸灌浆平洞位于左坝肩坝左0－100.22～坝左0－134.72，总长34.5m，其中坝左0－100.22～坝左0－104.22为浇筑高位水池时下部结构作为明拱段，长度为4.0m;剩余部位需要在左坝肩岩石内开凿成“城门洞”型，开挖断面尺寸为3.4m×4.5m(宽×高)(断面面积14.435m2)。

右岸灌浆平洞位于右坝肩，总长为37.0m，其中明洞长度为16.0m，采取现浇混凝土，内部净尺寸为4.0m×5.2m(宽×高);开挖隧洞断面分两种

形式，I型隧洞断面开挖尺寸为5.3m×6.6m(宽×高)(断面面积31.935m2)，支护完成后的隧洞断面尺寸为4.0m×5.2m(宽×高)，II型隧洞断面开挖尺寸为 3.6m×4.55m(宽 ×高)(断面面积15.0m2)，支护完成后的隧洞断面尺寸为2.5m×3.5m(宽 ×高)，支护完成后底板高程为2068.50m。

2 工程地质条件

2.1 左岸

坝址位于柳林沟逆断层(F4)与磨沟～宗石平移逆断层(F5)之间的三角区地带。F4断层产状NW290°～ 310°SW ∠65°～ 80°，F5 断层产状NW315°～335°NE∠65°～75°，两断层的交汇点位于坝址上游的柳林村北，距坝线0.9km，受两断层的挤压、推覆影响，坝址区岩层的小型拖曳褶曲和次一级断裂构造比较发育，主要有F23～F30等次一级断层。在技施开挖揭露范围内未发现上覆块碎石土层和阶地堆积层被上述断层断错的形迹，均属于第四纪晚期以前断层。

根据勘探平洞资料:坝线左岸泥质灰岩地层中，有岩溶形成的小溶洞、溶孔和溶隙，多沿构造及卸荷裂隙交汇带发育，岸坡溶洞和溶孔以垂直和斜坡向为主，水平向次之，并多为粉质壤土、粘土充填或半充填;河床左侧泥质灰岩的溶洞(孔)内粉质粘土充填较好，连通性较差。

根据坝线枢纽区砖红色泥质灰岩、浅肉红色灰岩的物理力学性质的试验成果，结合坝基岩体受风化、构造挤压后的破碎程度，按GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》坝基岩体工程地质分类标准规定，左坝肩岩体属于中硬岩BⅢ类岩体。

左岸灌浆平洞根据开挖揭露，隧洞围岩为二叠系棕红色、肉红色的泥质灰岩、姜黄色碎裂结构的灰岩，岩体中微裂隙极其发育，将岩体切割成棱形块体，偶见有沿洞四周伸展的裂隙，充填岩屑及泥质物。偶见有溶隙、溶孔，充填泥质物，形状不规则，连通性差。在洞顶、侧壁局部塌落、掉块，洞顶塌落深度超过设计开挖线0.6～1.0m，目前掌子面上岩性以碎裂结构的灰岩为主，经过爆破后，岩体呈松散的岩渣，但结构比较密实。根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录N可划分为Ⅳ类围岩。围岩的自稳时间短，可能发生较大规模的各种变形和破坏。

2.2 右岸

右岸原勘探资料:上部为阶地冲洪积砂卵砾石、坡积块碎石土，厚度不等，结构松散，基底以右岸F5断层为界，西侧为二叠系上统(P2)褐紫色泥质灰岩、肉红色～灰白色灰岩、紫红色及灰绿色粉砂岩的夹层组合，岩层呈一背斜和向斜构造，与坝线呈62°～82°角相交;东侧为三迭系中统(T2)厚层灰岩夹薄层砂岩、粉砂岩，岩层单斜倾向坡内，与坝线呈62°～82°交角。

根据右岸灌浆平洞开挖揭露洞内岩性:洞0+026.3～洞0+029.7段为坡积块、碎石土，结构松散，根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录N可划分为极不稳定的Ⅴ类围岩。

洞0+029.7～洞0+050段为三叠系灰黄色变质砂岩、青灰色含粉砂泥钙质板岩夹细砂岩，岩性软弱，微裂隙发育，层面清晰可见，单层厚度0.05～0.23m，岩体的产状:NW348°NE∠50°，岩层走向与洞轴线夹角约50°，洞子下右侧最大超挖0.8m，存在片帮、掉块现象。根据GB50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录N可划分为Ⅴ类围岩。

在进洞掌子面上上部为三叠系基岩，下部为F5断层破碎带，呈现浅姜黄色断层角砾岩、碎裂岩、压碎岩、糜棱岩，以粒状、碎渣状为主，见图1。

图1 右岸边坡地质图片

3 施工方法

针对上述地质情况，左右岸平洞采取了不同的开挖方法。

3.1 左岸平洞

针对左岸岩石情况，指定的相应方案为:对洞口开口线以上的岩石边坡进行素喷混凝土，以保证开口线以上岩石不会出现坍塌和滚石现象。进洞前锁口采用“大管棚加锁口锚杆”结合的方式进行施工，进洞后采用“小管棚加短进尺加及时、密支护加系统锚杆、随机锚杆的方法进行施工。进入新鲜岩石后采用常规洞挖施工。

3.1.1 施工程序流程

施工程序为:施工准备→支撑、加固钢拱架→钻孔→顶进钢管棚→清孔→注浆管路检查→注浆→进入下道工序。

图2 管棚施工工艺流程图

3.1.2 进洞前锁口施工方法

首先在洞口开口线以上的岩石边坡素喷混凝土完成后，搭设造孔和注浆平台，同时进行大管棚钢管和钢拱架的制作。大管棚制作采用外径48mm，壁厚3.5mm，长度3m，钢管上采用台钻钻注浆孔扩散孔，孔径5～10mm，孔间距20cm，呈梅花型布置，尾部留不钻孔的止浆段100cm。

支护加固钢拱架的制作采用Ⅰ18工字钢制作的钢拱架在制作平台上进行加工，圆弧段与直段的连接采用连接板现场焊接。造孔平台形成以后，测量人员现场放线，大管棚和锁扣锚杆沿圆拱段180°范围交错布置，管棚和锁口锚杆环向间距均为50cm，锚杆采用Φ25螺纹钢。

造孔采用TY-28型气腿式手风钻，管棚钻孔直径不小60mm，钻机定位、锁口锚杆钻孔直径不小于40mm:钻孔方向与洞轴线平行，上仰倾角为1°～3°且不大于5°。

图3

注浆孔口管应牢固焊接在第一品工字钢支撑上，钢拱架安设的平面位置、倾角、外插角的准确度将直接影响管棚钻孔的质量，应用测量仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置;用水准尺配合坡度尺设定孔口管的倾角;用前后差距法设定孔口管的外插角。钢管顶进到位后，用小木楔在钢管与围岩壁楔紧，再用防水胶泥(锚固剂)将空隙封闭住。注浆孔口与注浆泵之间用橡胶软管相连，两端用8#铅丝绑扎固定。

以上工作完成以后，对管棚进行清孔、注浆，考虑岩石情况，注浆初始压力为0.2MPa，终压采用0.5MPa，终压值参数根据实际情况适当调整，单根钢花管的注浆量按下式估算:

Q=πRk2Lη

式中:Q—注浆量。Rk—浆液扩散半径，取Rk=0.6Lo，Lo为钢花管中中至中的距离。L—钢花管长度。η—空隙率(%)，断层破碎带 5%。Q=0.04m3。

水泥浆液水灰比:1∶1(重量比)。锚杆安装好以后注浆的浆液比例为水泥:砂:1∶1～1∶2(重量比);水泥:水:1∶0.38 ～1∶0.45。

注浆用的浆液由高速制浆机拌制。采用注浆机将水泥浆注入管棚钢管内，注浆量达到设计注浆量或达到终压0.5MPa后可停止注浆。将注浆机闸阀关闭，卸下进浆管，弯折后固定于注浆孔部位，进入下一循环。

洞脸的大管棚及锁口工作完成后，按常规方法进行洞进口明拱段混凝土施工，明拱段混凝土施工模板采用满堂脚手架、自制拱架以及标准3015和1015钢组合模板，混凝土运输采用混凝土罐车，入仓采用HB60混凝土泵，待混凝土强度达到要求后，拆除脚手架和模板，开始进行进洞开挖，洞挖钻孔采用TY-28型气腿式手风钻钻孔，中间菱形单空孔掏槽，周边光面爆破，全断面开挖一次成洞的施工方法，出渣采用装载机运至洞外坝顶，装到15t自卸汽车运至弃渣场。

在第一次洞口进尺时，控制进尺为0.8～1.0m，第二循环开挖增加进尺至1.2m，进洞至10m后，控制每循环进尺在1.8～2.0m左右。施工中由于岩石破碎，为保证每个循环开挖后岩石的稳定和安全，在进行下一个循环施工前先安装超前锚杆，锚杆为Φ25螺纹钢，采用TY-28手风钻造孔，与坝轴线呈7°夹角，孔深为3.0m，锚杆间距为20～30cm。同时在每个循环钻爆出渣完成后立即进行拱架支护、挂网喷锚。

由于岩石非常破碎，钢拱架的安装间距采用40cm，严格保证开挖工程中的安全问题。待钢拱架安装完成后，用直径22螺纹钢将钢拱架连接牢靠，间距布置50cm，特殊部位还采取了钢管与钢拱架、岩石间的支撑加固方式。连接钢筋安装完成后，进行系统锚杆和随机锚杆的施工，常规手风钻造孔，锚杆安装，水泥药卷充填，在此不做细说。锚杆施工完成后，进行挂网、喷混凝土施工，挂网钢筋6.5盘条，喷混凝土为C20、15cm厚，全断面喷护，见图4。

图4 右岸平洞支护后图片

3.2 右岸平洞

考虑右岸平洞进口有8m位于坡积体上，要处理边坡，工程量非常之大，工期非常长，为了尽早施工，与设计单位商定，右岸平洞两部分，也就分为两种不同断面，I型隧洞的断面尺寸必须满足进洞后底板固结灌浆要求(跟管钻机造孔)。II型洞与左岸平洞尺寸一致。

3.2.1 I型隧洞施工

考虑I型隧洞位于坡积体上的，首先进行边坡坡脚清理，然后进行混凝土洞脸浇筑，浇筑厚度为1.5～1.8m，城门洞型，在浇筑前，在顶拱180°范围内开挖线以外60cm预埋Dg100钢管，钢管长度1.5～1.8m，混凝土浇筑采用混凝土泵，混凝土模板拆除以后进行坡积体上的超前固结灌浆施工见图5。水平孔的造孔施工，采取在洞脸混凝土上预埋钢管确定孔位，直接用履带液压钻机打孔(设计孔深8m)，无需采用其他设备，出现塌孔现象的处理办法即提前灌浆，待凝后继续钻进灌浆。超前固结孔共布置了38个孔。

超前固结工作完成以后进行进洞开挖，洞挖采取短进尺施工，开挖采用小反铲与人工共同开挖的方法，局部孤石可采用小范围解爆的措施，一榀钢拱架的安装即为一个开挖进尺，支护采用18工字钢制作钢拱架，间距30～40cm，采用在钢拱架上打孔，孔眼直径满足钢架管要求即可，在顶拱180°范围内，布满用钢管制作而成的小管棚，间距为20cm。一个循环施工完成后，立即视现场情况进行随机锚杆的施工，挂网、喷混凝土施工过程同左岸施工工艺。开挖完成至8m进入较好的基岩，即进入II型断面。

3.2.1 II型隧洞施工

II型洞的开挖相对平稳，采取了常规洞子的开挖施工，即手风钻打孔，周边光爆、中部掏槽，开挖进尺在1.8～2m间，一个循环进行了钢拱架安装，间距60cm，系统锚杆与随机锚杆的施工、挂网钢筋6.5mm，喷混凝土 C20全断面15cm的方法。

4 特殊情况处理(主要为冒顶施工处理)

在左岸开挖的过程中，在洞口位置，按原设计施工时，出现冒顶详见图6，开天窗的情况发生，天窗位置约为进尺距离6m，左右5m，高程方向约为20m。已安装完成的钢拱架被砸坏3榀。采取的施工方法如下。

首先对已安装的3榀钢拱架进行加固处理，处理办法为:利用钢管对钢拱架进行加固，钢管一端与钢拱架焊接，另外一段抵到岩石面上。

图5 超前固结灌浆造孔图

然后人工配合装载机将洞内坍塌的碎石清理干净，包括平洞上方的坍塌石渣，边坡上有松动的小岩石块，视其稳定程度，集中进行清理，清理出来的石渣利用坝顶门机吊渣斗直接卸入自卸汽车内。待全部松散石渣清理完成后，在洞内已安装完成的钢拱架两侧掏空部位增加浆砌石砌筑，两侧范围各约为1m ×2.25m，另沿拱顶120°范围内布置螺纹钢Φ20mm，单根长3m，间距10cm，有效的将钢拱架连成一体，切实起到安全支护的作用。再沿平洞开挖轮廓线安装钢模板，模板吊挂与钢拱架连接，分为3层浇筑混凝土，第1层均为1.5m厚度的C20混凝土，第3层采用C15混凝土进行浇筑。混凝土浇筑均采用混凝土泵入仓。

图6 冒顶后的天窗图片

在后续平洞开挖过程中，严格按照“短进尺、弱爆破、强支护”的施工要点，单循环进尺前进行超前锚杆的施工，对照如此破碎岩石的情况，采用螺纹钢Φ25mm，单长3m的钢筋作为锚杆，为保证锚杆施工质量，在钢拱架上打孔，采用TY-28手风钻造孔，与坝轴线成30°角，间距3m。

5 结语

在特殊地质条件下进行洞室的开挖应注意以下几个方面的要点。

(1)首先要进行混凝土洞脸的施工，如此可保证平洞开挖断面的体型保证，直接进洞，孔口极易产生喇叭口的形状，给后续开挖带来不便。

(2)开挖严格遵照“短进尺、弱爆破、强支护”的指导思想。

(3)开挖控制单耗药量和单响药量。

(4)安排专人查看施工过程中周边岩石变化情况。可根据具体地质情况，表面素喷一层混凝土，用于容易观察裂缝。