富水松散砂砾石及泥岩复合地层隧洞综合施工技术

李保印

摘要： 结合富水、松散砂卵石及泥岩复合地层隧洞施工实践，分别从施工进洞、洞身开挖支护、监控量测、洞内排水、二次衬砌施工等方面介绍了具体的施工措施。

Abstract： Combined with the construction practice of rich water， inattentive sand grave and the mudstone complex strata tunnel， this paper introduces the specific construction measures from construction into the hole， hole excavation support， monitoring measurement， drainage in the hole， the secondary lining construction and other aspects.

关键词： 松散砂砾石；隧洞；复合地层；综合施工

Key words： inattentive sand gravel；tunnel；complex strata；integrated construction

中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0100-03

0 引言

沙砾石是一种颗粒状、无粘性材料，容易产生水破坏、渗透破坏、冰冻破坏、松散破坏现象，且泥岩遇水极易软化，成流塑状，造成隧道开挖时围岩变形释放快，自稳能力减弱，甚至消失，具有突然性。对于富水松散砂砾层及泥岩复合隧道施工时，如果施工方法选择或过程控制不当，极易出现变形无法控制，施工安全、质量和进度无法保障的情况。而采用迈式管棚超前支护施工并采用化学浆液固结围岩，保证了围岩开挖的自稳能力，同时减小了水渗漏，极大的提高了工作效率。

1 工程概况

萨里克特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。本工程地质条件极为复杂：隧洞洞口位于V级阶地坡脚处，其地质由外到内分别是：表层厚0.5～1.0m植被腐植土，中间为6～8m厚坡积粉土，内侧为阶地砂卵砾石及泥岩互层，结构松散，富含水。洞身通过的地层为第四系（Q3al）砂卵砾石层及下第三系（Eh）红褐色泥岩夹薄层砂砾岩。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，厚度30cm～80cm，且有较多孤石出露，孤石粒径不等（最大粒径超过2m）。隧洞下半洞为红褐色泥岩夹薄层砂砾岩，属极软岩，围岩类别为Ⅴ类，第三地层成岩作用差，具遇水软化，失水崩解，强度降低等特点。

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 隧洞开挖支护

根据隧洞“早进晚出”的原则，采用“零进洞”超前管棚支护方式，增设枝状排水系统，最大限度缩小洞口施工破坏范围，保证了进洞安全。

根据地质情况，采用台阶分部开挖预留核心土法开挖。台阶分部开挖预留核心土法是上台阶弧形开挖预留核心土，使开挖临空面减小，便于每次开挖后初期支护体系一次施作成型，结构合理。

2.1 洞挖及支护

由于该隧洞起拱线以上为砂卵砺石层， 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、孔隙型潜水从砂卵砺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喷射砼封闭掌子面，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，长度为6～8m，管棚环向间距30cm，纵向搭接长度≥1m，外插角3～5度。管棚壁上钻有？准10mm圆孔，间距60cm，梅花形交错布置，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，它是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%，为了做好预注浆工作，必须事先对需要加固的围岩进行力学实验，查看围岩透水系数，颗粒组成、孔隙率、密度、pH值、剪切和抗压强度等，必要时还要做现场注水和抽水实验。 经试验：该隧洞砂卵砾石层孔隙率36%，填充率58%。

注浆采用水泥～水玻璃双浆液，其结石的抗压强度可大10～20MP，结石率高达90%～95%，浆液的凝胶时间能准确控制在十几秒至十几分钟范围内。

①水泥水玻璃双浆液注浆设计配合比。

水：水泥：水玻璃=617：1233：375；水灰比=0.5，水泥浆和水玻璃体积比1：0.6。初凝时间2min，终凝时间4 min。

②注浆压力0.5～1MPa，终压2 MPa。

注浆时把压力稳定在0.5～1 MPa之间，不间断。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。

管棚注浆后加固了软弱围岩，同时也封堵了部分围岩渗水，形成超前管棚，防止了掌子面上方坍塌。

2.4 掌子面开挖

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其稳定作用外，还可以作为人工操作平台便于支护，所以核心土的预留必须有一定的长度和宽度，核心土距拱顶的尺寸以满足人工作业为准，高度选择2.5m，核心土体长4～6m，上顶宽预留3～4m，便于人工对上台阶进行一次支护。核心土的坡率取1：0.5～0.75，以保证核心土体稳定。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，台阶长度为6m。下台阶的开挖高度3.5m，台阶长度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围岩的特殊情况，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砼进行封闭，防止岩体风化、软化，产生较大的流变。

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，支护型式采用I18工字钢架支护，钢架间距50～80cm。

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，与围岩一起构筑成新的稳定体系。

3 全站仪免棱镜围岩监控量测

隧洞上台阶开挖时，采用钢尺收敛仪测量各点间距的变化，计算其相对变形差值作为施工及设计变更的依据。隧洞中、下台阶开挖后，如再用钢尺收敛仪进行隧洞的监控量测，登高作业多、工作时间受限、施工干扰大。为确保施工安全、保证施工进度，采用了全站仪围岩收敛监测方法。隧洞初期支护后收敛监测确定为每50m左右为一监测断面。每个监测断面布设5个监测点（5点6线）。

围岩收敛监测主要内容是量测各点间的相对距离，为了便于观测，把观测仪器置于收敛量测断面前后3m范围内按要求把仪器整平，不用设站、不用后视就可以用免棱镜直接按其顺序分别观测各个收敛布置点，进行收敛量测的数据采集。然后把采集的收敛量测数据换算成各点间的相对距离就可以进行围岩收敛情况分析。

4 洞内自动排水技术

砼喷护前，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，防止被喷射砼包裹夹心。盲管用？准10cm橡胶管将岩层孔隙水导出洞外或临时排水沟。洞内抽水分为两块，第一为洞内水汇集，集水坑（每200m设置一处）汇集过滤到抽水坑，然后由抽水坑汇集到移动水箱，第二为洞外排水，即从移动水箱向洞外排放，其中移动水箱一般情况下距离掌子面200m左右。简易自动抽水装置设置在抽水坑及移动水箱之中，其自动抽水原理相同，利用开关及浮球进行控制，当水位低于浮球标高时，抽水开关由于浮球重力作用自动断开，停止抽水，当水位超过浮球标高时，浮球由于水的浮力漂浮于水平面上，抽水开关由于没有了浮球重力自动合拢，开始抽水。

5 二次衬砌先施作边顶拱技术

二次衬砌采用全液压钢模衬砌台车施工，先浇筑衬砌边顶拱后仰拱，其施工工艺流程见图6。

通过实践，隧洞衬砌先浇筑边顶拱技术是可行的，边顶拱砼施工完毕后，集中由内往洞口方向施做仰拱砼，由于隧洞主洞中间设有一条施工支洞，这样就便于4个工作面同时展开仰拱砼施工，解决了衬砌施工与隧洞开挖相互干扰的问题，加快了施工进度。

6 效果验证

采用迈式管棚超前支护施工并采用化学浆液固结围岩，保证了围岩开挖的自稳能力，同时减小了水渗漏，极大的提高了工作效率。

采用台阶法弧形开挖预留核心土施工极大的减小的开挖空间，减弱的对周边岩体的扰动，保证了开挖的稳定性，至该隧洞贯通时止未发生初支变形等现象。

结合监控量测数据、绘制数据曲线、对比数据、分析误差或原因、总结施工，用科学数据指导施工，保证了隧洞的正常施工。

7 结束语

在极软岩隧洞施工中，选择合理的超前支护、开挖方式，再辅以有效的治水和监控量测等措施，通过在施工中不断总结、创新，在新奥法施工原理的指导下，在富水、砂卵石及泥岩复杂地层条件下，进行洞挖支护施工是可行的。

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