牛栏江——滇池补水工程土质隧洞施工

刘　聪

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都　610066)

牛栏江
——滇池补水工程土质隧洞施工

刘聪

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都610066)

摘要：根据牛栏江——滇池补水工程大五山隧洞出口约700 m的土洞施工条件，探索出了一套适合浅埋、有机质粘土、粘土夹细砂和泥炭土、砂卵砾石层等不良施工条件下的中小型隧洞施工技术，对同类工程施工具有指导意义。

关键词：软弱；浅埋；封闭成环；强支护；施工技术；牛栏江——滇池补水工程；土质隧洞

1工程概况

牛栏江——滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，主要由德泽水库水源枢纽工程、干河提水泵站工程及泵站至昆明(盘龙江)的输水线路工程组成，大五山隧洞位于输水线路的末端。大五山隧洞桩号35+313～36+019段为第四系地层，隧洞前550 m段主要为有机质粘土、粘土夹粉细砂和泥炭土等，呈软塑～可塑状；后150 m段主要为粘土、砂卵砾石层，局部夹炭质粘土，卵砾石为泥质胶结，呈可塑～硬塑状；全段洞顶板位于地下水位线下12～18 m，洞内以渗、滴水为主，局部有线状流水，隧洞埋深为19～30 m。

隧洞地面为已关闭的大型砖瓦制作厂及砖瓦土料开采区，隧洞与正在施工的昆明市绕城公路西北段九龙湾立交桥交叉，桥梁桩基边缘与隧洞边缘最小距离为5.5 m，桩基底标高比隧洞底板低约32 m，隧洞埋深为23 m左右；立交桥匝道与隧洞交叉，隧洞埋深为18 m左右，交叉段施工处于同一时期。隧洞设计开挖断面为5.4 m(宽)×5.2 m(高)的城门洞型，设计建议开挖后及时加强支护并采用边挖边衬砌的施工方法。

2隧洞施工的主要难点

(1)浅埋隧洞的地表有水流通过且附近的水塘有渗水冒出，加上地层软弱且经过打井、取土烧砖等作业，推测洞内渗水或股状流水出现的次数较多；(2)浅埋隧洞地表有高速公路正在施工，与洞挖作业呈上下同时施工的局面；(3)隧洞35+538～35+584段从昆明北市区高速公路桥墩桩基中间穿过，隧洞边距桩基边最小距离为5.5 m，可能出现隧洞塌方或导致桥桩的承载力不够而发生公共安全事故；(4)隧洞如采取边开挖、边衬砌的施工顺序，不利于施工组织。

3所采用的施工方法

大五山隧洞出口段桩号35+313～36+019段近700 m的特殊不良地质洞段所采用的施工综合方案：(1)在地表和洞内设置测量观测点，监测地面及洞内的变形情况； (2)采用大小管棚相结合的超前支护措施，预防洞内塌方的发生；(3)洞内开挖采取人工结合机械开挖，根据情况采取全断面开挖、台阶法开挖或短台阶+环形开挖预留核心土的方法；(4)洞内出渣采用挖机挖装、农用车运输方案；(5)对于渗水量较大或股状流水洞段，先素喷混凝土封闭开挖揭露面，然后及时进行隧洞支护；对于无水洞段，可不单独进行围岩封闭的喷射混凝土工序，直接进行后续的隧洞支护。(6)采取先开挖后衬砌的方案，即在该洞段开挖支护全部完成后再进行混凝土衬砌。

3.1开挖方法

对于渗水量较少或无水的土体洞段，洞内开挖采用人工配合挖机开挖，采取全断面开挖或台阶法开挖，每循环进尺1 m左右。开挖采用PC200挖机开挖，人工用铁镐辅助修面，有渗水时及时喷C20混凝土封闭开挖面。

对于渗水量较大或有股状流水的洞段，洞内开挖采用人工开挖，采取短台阶+环形开挖预留核心土的方法，台阶长度一般为5 m左右，每次循环进尺0.5 m。先开挖顶拱环形部分，在保证人工操作空间的情况下，尽量多留顶拱段的核心土。在顶拱开挖支护长度到5 m左右后开始进行直墙段的开挖，先进行一侧的直墙段开挖支护，再进行另一侧的直墙段开挖支护，交替进行。短台阶+环形开挖预留核心土的人工分部开挖方式见图1。

3.2出渣方法

图1　短台阶+环形开挖预留核心土开挖示意图

洞内出渣采用挖机挖装5 t农用车运输至渣场的方法。当直墙段开挖出渣遭遇出渣车无法至指定位置装载时，采用块石换填后将车倒至挖机跟前装渣。洞内每150 m左右设一倒车洞，倒车洞避开渗水量较大或股状流水的洞段。

3.3支护方法

隧洞开挖前，需采用大管棚或小管棚进行超前支护。对于粘土、泥炭土及砂卵砾石层洞段，其地层具有一定的强度，采用φ91的大管棚，该类洞段采用常规的支护方法，其施工参数见表1、图2；对于粘土夹粉细砂或砂土互层洞段，渗水量较大或出现股状流水，采用φ108的大管棚，该类洞段采用封闭成环的强支护方法，其施工参数见表2、图3。在大管棚支护的中后段，由于隧洞顶拱的开挖面与大管棚间的三角体增厚，此时仍需施工超前小管棚。

(1)超前管棚。

φ91大管棚超前支护时，采用螺旋钻机(100B型潜孔钻进行改装，钻杆采用螺旋钻杆，钻头采用三叶钻头)钻φ100、长15 m的孔，向孔内插入φ91无缝钢管，注入0.5∶1的纯水泥浆；采用φ108大管棚进行超前支护时，渗水量较大，需用地质钻采用无水法钻φ110、长12 m的孔，孔内插入φ108无缝钢管，并向孔内插入3φ22、长12 m的螺纹钢筋，然后向孔内注入0.5∶1的纯水泥浆。

采用大管棚支护的中后段，开挖前还需采用φ48的无缝钢管进行超前支护，采用手风钻钻φ60、长5 m的孔，孔内插入φ48的无缝钢管，向孔内注入0.5∶1的纯水泥浆。

管棚钻孔斜向上5°～10°，将超前管棚前端做成锥形并在管棚上钻直径1 cm的小孔，间距30 cm左右。

表1　常规支护参数表

(2)喷混凝土。

在洞外拌制C20 混凝土，农用车运输至洞内，现场人工加速凝剂，调节喷枪的风压和水量，尽量减少回弹量，呈螺旋式从下往上喷射混凝土，分层喷至设计厚度。

图2　常规支护示意图

序号名称间距/m备注1顶拱φ108超前大管棚0.4每循环31根2顶拱φ48超前小管棚0.25每循环49根3素喷C10混凝土,厚10cm每延米3.9m34顶拱和边墙的φ22连接筋0.5每循环28根5φ6.5钢筋网0.2×0.2每延m35.5kg6I20钢支撑0.5每榀545.2kg7[25槽钢每延米54.9kg8网喷C20混凝土每延米3.3m39L=4m的φ25锁脚锚杆0.65每榀8根10厚30cm的块石换填每延米1.71m3

图3　封闭成环支护示意图

(3)钢支撑。

利用前段钢筋网片搭接钢筋网片并支立工字钢(在渗水量较大洞段，需在两侧工字钢底脚垫25#槽钢)，接长连接筋临时固定工字钢，打锁脚锚杆加固工字钢，然后喷混凝土至设计厚度。对于需支护封闭成环的洞段，两侧工字钢需伸入底板，在底板用工字钢顶紧两侧工字钢，然后喷混凝土至设计厚度。

(4)块石换填。

在渗水量较大的洞段需进行块石换填，以确保开挖、装渣的机械和车辆能到达掌子面，进而保证施工的顺利进行。

(5)底板混凝土。

对于封闭成环洞段，每循环及时在底板浇筑C20混凝土，厚30 cm，并在混凝土中加入早强剂，缩短待强时间，为尽快进入下一循环施工提供条件；对渗水量较少或不渗水洞段，每10 m左右在底板分段浇筑C20素混凝土。

3.4过桥段施工方法

通过提前与桥梁建设方进行沟通，在可能的前提下尽量加大跨隧洞处的桥梁跨度，加大隧洞与桩基的距离，同时加大摩擦桩桩基的直径或增加其深度，增加桥梁的安全系数；其次，在过桥段增设勘探孔3个，用地质钻钻孔取芯至隧洞底板5 m处，探明隧洞穿过段围岩为可塑状有机质粘土，因地制宜地采取了大小管棚相结合、短进尺、及时封闭、强支护和加强变形观测的综合处理措施，同时加强了洞内测量放线工作，确保了过桥段的隧洞安全通过桥梁桩基。

3.5过路段施工方法

针对地面有高速公路路基施工的洞段，加强同相关施工单位的联系，在公路进行碾压工序时暂停洞内的开挖工序；在必须进行支护作业时加强隧洞监测，同时对该段采取管棚超前支护和支护封闭成环的强支护方案。

3.6底板基础为粉细砂时的处理方法

对于隧洞底板以下为粉细砂的洞段，由于施工机械经常往返和施工用水的影响，基础容易泥化，对该类洞段需采取支护封闭成环的施工方法，先进行边顶拱支护，再进行底板支护。进行边墙支护时，需对两侧墙的底板范围进行槽挖，钢支撑深入底板以下30 cm，并在钢支撑底脚纵向上垫槽钢。边顶拱支护完毕，立即进行底板施工，先进行底板开挖，再填入块石，采用挖机碾压，然后焊接工字钢并与侧墙工字钢相接，随后浇混凝土并振捣密实。

3.7混凝土衬砌施工方法

在隧洞开挖完成后进行隧洞混凝土衬砌，先底拱，后边顶拱。钢筋采用自制简易台车安装，在洞外钢筋加工厂制作，8 t平板运输车运输至作业面，人工搬运至仓内绑扎。混凝土衬砌采用钢模台车或组合小钢模台车两种衬砌方案，即直线洞段采用钢模台车衬砌，底拱和转弯洞段采用组合小钢模衬砌。HZS60拌和站拌制混凝土，5 m3混凝土罐车水平运输至洞内，HBT60混凝土泵垂直入仓，利用挂在台车或组合小钢模上的附着式振捣器振捣密实。

4施工期的安全监测

地表监测主要通过肉眼观察，安排专职安全员每天对地表进行巡查，查看地表是否有裂缝和沉陷；采用全站仪监测时，主要是检查测量点是否下沉或位移，监测地表是否整体下沉或偏移。洞内监测主要是进行收敛监测，每5 m设一个观测断面，在洞顶中心线设置沉降观测点，在距离底板1.5 m高处设置两条基线进行周边收敛观测；洞顶沉降观测用数字水准仪进行测量，周边收敛观测用收敛仪进行测量；施工初期每天测量1次，逐渐减少至频次为每3 d 1次、每7 d 1次、每月1次。

若洞内发生沉降、收敛等变形，则根据情况采取增加连接筋、锁脚锚杆、临时钢支撑(边墙或底板)等补强措施，或者进行永久混凝土衬砌。

5结语

经过对牛栏江——滇池补水工程大五山隧洞出口段桩号35+313～36+019段近700 m的软弱地质洞段进行认真分析和不断总结，终于探索出了一套适合相应地质条件的中小隧洞施工技术，最终提前1个月完成了该洞段的施工任务。经过总结，笔者有以下几点体会：(1)针对软弱不良地质洞段，采取常规的开挖支护方案通过精细化施工是行之有效的；(2)针对软弱不良地质洞段，根据隧洞实际情况，只要适时采取强支护方案是完全可以采取先洞挖完成再进行隧洞衬砌的方案，不但能加快施工进度，而且还能减少施工投入；(3)采用螺旋钻机(φ100B潜孔钻改装)进行长大管棚施工，适用于无水或水量较小的软弱围岩洞段，有利于加快施工进度；在水量较大的软弱围岩洞段，采用长大管棚进行超前支护是很有必要的；(4)在软弱围岩地质条件下采用人工配合机械开挖，有利于加快施工进度；(5)在渗水量较大的软弱围岩洞段，采用封闭成环的加强支护方案是适宜的；(6)顶拱预留5～10 cm的沉降变形量是必要的，能够避免支护因地质原因变形出现支护侵占隧洞衬砌断面的情况。

收稿日期:2016-04-06

中图分类号:TV554;TV52;TV51

文献标识码:B

文章编号:1001-2184(2016)03-0022-04

作者简介:

刘聪(1972-)，男，重庆云阳人，项目总工程师，高级工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)