黄河沟防洪工程2#隧洞开挖与支护施工

2018-06-21，，

长江工程职业技术学院学报 2018年2期

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(湖北省漳河工程管理局，湖北荆门 448156)

1 概述

黄河沟位于湖北省宣恩县县城境内，集水面积4.75km2，流程长3.8km。黄河沟流域集水面积小，但坡降大(1/100)，出口断面狭窄，且多被房屋、桥梁等建筑物侵占。受地形、降水与行洪障碍等因素的影响，黄河沟两岸经常出现山洪灾害，给当地企事业单位和人民群众的生产、生活造成了极大的不便，也影响了县城的规划与发展。经有关部门批准，拟定在黄河沟左岸开凿隧洞形成新的行洪通道，洪水绕过中心城区，从新建的行洪通道安全排泄到下游河段。其中2#隧洞设计流量65.2m3/s(P=2%)、坡降1/200,尺寸为472m×3.8m×4.7m(长×宽×高)。其地质条件非常复杂，施工方案多变，综述如下。

2 隧洞开挖与支护工程施工

2.1 工程区地质条件

工程区为第五级剥夷面受构造控制的山涧谷地地貌，地层为第三叠系中统巴东组第四段(T2b4)红色粉砂质泥岩，其风化严重、断层破碎带复杂、裂隙发育、强度较低、稳定性差，且水中浸泡后易分解成碎块。按岩石硬度划分，进、出口段为Ⅴ类围岩，中部为Ⅲ-Ⅳ类围岩。依据设计单位提供的风险隧道围岩类别判定通知单，一般情况下，10m左右范围内就会出现不同类别的围岩段。

2.2 隧洞开挖施工

(1)一般地段施工方法。

主要是根据地质条件、断面尺寸、结构形式、机械配备、周围环境、综合经济效益等因素而确定[1]，见表1。

表1 隧洞开挖施工方法

(2)断层、破碎地段施工方法

①当隧洞轴线接近于垂直构造线方向时，断层规模较小，破碎带不宽，含水量较小时，主要采取开挖后及时支护技术[2]。

②当隧洞轴线斜交或平行构造线方向时，则隧洞穿过破碎带的长度增加，并有强大侧压力，则采取加强拱墙衬砌，及时封闭的措施。

③当破碎带的宽度较大、破坏程度严重、破碎带的填充物情况复杂且有较多地下水时，采取在隧洞一侧开挖调查导坑，调查导坑穿过断层带后，再转入正洞施工，并及时封闭[3]。

④当断层带内填充软塑状的断层泥或较松散的颗粒时，采取先拱后墙施工技术。

⑤当断层地段出现大量涌水，采取排堵结合的施工措施。

⑥当断层带地下水是由地表水补给时，在地表设置截排系统引排；当断层带是承压水时，在每个掘进循环中向前进方向钻凿不少于2个超前钻孔，其深度在4m以上，以探明地下水的情况，同时准备足够的抽水设备。

⑦在断层带施工时，各工序之间的时间尽量缩短，并尽快衬砌封闭，减少岩层暴露时间和地压增大；开挖作业时，严格控制炮眼数量、深度及装药量，尽量减少爆破对围岩的扰动。

⑧断层地段的支护坚持“宁强勿弱”的原则[4]。

(3)突泥、突水、涌水地段施工方法

① 地质分析法：一是对设计图纸标示的地质情况与开挖面揭示的岩层构造情况相互印证，并对前方地质情况进行预测分析[5]。二是超前水平钻孔，每循环孔深为30m，两循环钻孔重叠5m，孔径φ75mm；现场记录包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化等；及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石类型，并选择代表性岩芯整理保存。

②突泥地段处置。沿开挖面周边架设钢管和型钢为支撑骨架，用喷射混凝土将其封闭；然后清除流出的泥夹石，再次加厚混凝土喷射层，并在超前方向安装6m长的注浆管，压注水泥～水玻璃浆液，最后采用灌浆等方法处理空洞。

③突水、涌水地段处置。主要采取超前帷幕注浆。当隧洞开挖或地质预报没有发现明显的溶洞管道，而开挖面又出现较大的涌水量时(单点出水量>3m3/h)采用帷幕注浆堵水。注浆材料主要采用42.5普通硅酸盐水泥为液浆，注浆加固圈范围为开挖线外5m内，注浆孔沿隧洞周边开挖轮廓线双排布置，孔距30～50cm，采用钻孔检查法检查灌浆效果。

(4)爆破与开挖。

受地质条件的影响，爆破方案多变。对于Ⅲ类围岩，隧洞开挖采用数码雷管微差起爆方式控制爆破光面爆破和预裂爆破技术；对于Ⅳ类、Ⅴ类围岩，采用数码雷管微差爆破技术，可达到降振等作用；对于破碎带，则采用啄木鸟机械开挖。光面与数码雷管微差爆破的主要参数通过试验确定；在施工中根据地质的变化及时修正爆破参数；炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联接，均由经过考核合格的炮工负责，并严格按爆破图的规定操作。地质变化情况由设计代表现场签认。

隧洞开挖严格按施工图纸所标明的设计开挖线进行放线，不允许任何型式的欠挖，平均径向超挖值，平洞不大于20cm，不良地质条件地段的容许超挖值由设计、业主、监理、施工单位共同确定。

(5)测量监控

①根据隧洞的地质条件，围岩特点，设计要求，主要的测量监控项目见表2。

②隧洞开挖与支护时，及时埋入观测仪器或锚固件。

表2 2#隧洞测量监控项目

③洞内拱顶下沉与水平收敛测量点布置在同一断面内，断面间距为5m。测量频率依据开挖后的时间、测点距开挖面的距离以及设计要求进行。

④取得测量数据后，将同一断面的各种测量数据互相印证，确认测量结果的可靠性；对位移等物理量随时间变化的时态曲线进行回归处理，监视时态曲线的变化规律；利用电子计算机进行数据处理，分析围岩变形的空间分布规律，了解围岩的稳定性特征[6]。

⑤通过对测量结果的分析，对围岩稳定状态，施工方法和安全措施情况进行评判，将评判结果反馈到设计和施工中，及时调整施工方法和设计参数[7]。

2.3 隧洞支护工程施工

(1)支护工程施工

①洞口边坡支护。洞口边仰坡按1:1或1:1.5开挖完成后，先喷射厚5cm的C25混凝土，再按设计要求布孔、钻孔、打锚杆、灌浆、挂网、锚喷支护施工。锚杆进入中风化岩体长度3m、强风化岩体长度7m、土质边坡9m，间距1.5m,水平倾角10°～15°，杆体为φ25的螺纹钢筋；挂网钢筋φ10mm，间距300mm；锚喷混凝土厚度10cm，等级为C25；排水沟混凝土等级为C20。

②超前支护施工。采用超前管棚施工技术，主要工序为搭设钻孔平台、安装钻机、钻孔、清孔、验孔、安装管棚钢管、注浆、清孔、填充水泥砂浆等。钢管采用热轧无缝钢管，Φ108mm，壁厚6mm，每节长3m或6m,钢管两端加工成外丝扣；拱部环向间距40cm，边墙间距80cm，仰角1°～2°；径向误差小于20cm，环向误差小于10cm；每一断面上钢管接头数量不超过50%，相邻钢管的接头错开1m以上。

③钢拱架支护施工。对于Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段，采用16或20a工字钢拱架支护，拱架间距0.6～1.0m(视地质条件确定)；拱顶超前小导管灌浆，小导管中心间距40cm,管长3～6m，尾部与工字钢焊接；洞顶、洞壁喷C25混凝土，厚度10～15cm；两榀钢拱架间采用φ16mm钢筋焊接，间距500mm。

钢拱架支护安装后，施工单位对破碎软弱地带的围岩稳定进行监测，遇有危险情况，及时增强钢支撑或采取其他加强措施[8]。

④钢筋网施工。在喷射混凝土前布设钢筋网，钢筋网间距150～300mm，直径φ8～10mm。

⑤喷射混凝土施工。水泥选用42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用坚硬、耐久的粗、中砂，细度模数宜大于2.5，含水量控制在5%～7%；粗骨料采用坚硬、耐久碎石，粒径不大于15mm；速凝剂掺量通过现场试验确定，初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min；水泥和速凝剂质量误差±2%，砂、石骨料质量误差±3%；按有关规定进行喷射混凝土工艺质量和抗压强度试验，达到要求并经监理方批准后用于喷射混凝土施工。锚喷组合施工中主要按《水利水电工程锚喷支护技术规范》(SL377-2007)规定的参数执行。

⑥养护。喷射混凝土终凝2h后开始喷水养护，养护时间一般工程不少于7d，重要部位工程不少于14d，气温低于5℃，不得喷水养护。

(2)混凝土衬砌施工

①分段施工。按设计伸缩缝及项目划分情况分段、分块浇筑混凝土，即每段混凝土分两次浇筑，先浇筑底板，再浇筑两侧边墙与顶拱段。

②安装调试台车。铺设枕木、轨道，安装、调试衬砌钢模台车，轨道中心线与隧道中心线偏差控制在±1cm以内，并保证台车平稳[9]。

③模板工程。钢模台车依据2#隧洞尺寸设计与制造，长度为6m，模板为大块整体式钢模，表面平整、光洁。钢模台车两端头挡头模板采用木模，木模上钻孔穿设衬砌纵向连接钢筋，以利于下一循环相连接。

④钢筋工程。钢筋在加工厂内进行加工，加工时按照设计图纸和技术规范，对钢筋配料、加工，加工后的钢筋分型号、分部位堆放整齐。并根据施工进度安排及时运到现场安装。

现场安装钢筋时，根据设计图纸，测量并放样中线、高程等控制点，预埋锚筋，布设钢筋网骨架，再铺设分布钢筋。钢筋采用人工绑扎，绑扎时使用铁丝和电焊加固。

⑤止水与变形缝施工。止水设施的型式、尺寸、埋设位置和材料的品种规格按施工图纸的规定和技术要求实施，变形缝使用止水铜片，厚0.8mm，宽300mm。

⑥混凝土浇筑施工。底板混凝土采用泵送入仓，插入式振捣器振捣，样架控制收仓面，人工配合收平、抹面。边墙、顶拱衬砌采用混凝土搅拌车运往洞内，混凝土输送泵入仓，插入式振捣棒振捣。附着式混凝土振捣器辅助振捣，确保均匀振捣，混凝土成型后内实外光。混凝土自模板高口灌入，由下而上，对称分层，先边墙后顶拱浇筑，浇筑至顶拱时，使用封拱器在压力下封拱。在混凝土浇筑过程中，观察模板、支架、钢筋、预埋件的情况，若发现有变形、移位时，及时采取措施进行处理[10]。

⑦拆模。混凝土强度达到2.5MPa时拆模。

⑧混凝土养护。及时洒水养护，混凝土养护期按规范的规定执行。