龙门供水工程穿沟浅埋隧洞段施工方案

2018-10-22王增国

山西水利科技 2018年2期

王增国

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

1 龙门供水工程穿沟浅埋隧洞工程状况

柏叶口水库龙门供水工程输水隧洞净长9393 m，设计纵坡为1/1500，设计洞身为城门洞型，开挖轮廓尺寸2.5 m×2.8 m，输水隧洞沿线下穿5条沟道，设置2条支洞，布置6个作业面进行开挖。其中下穿桩号6+380～6+440 地段的“加子沟”和桩号 8+130～8+175地段的“黄泥沟”，沟底宽度均为10～15 m左右，洞顶覆盖层厚度分别为4.1 m和3.5 m，沟底均常年有水。经勘探竖井判断，加子沟和黄泥沟内地层岩性为第四系坡洪积（Q4pdl）碎石混合土，厚1～3 m，其下为P2sh紫红色泥岩，裂隙发育程度较大，基岩强风化层厚4～6 m。两沟道内由于风化、卸荷作用，岩体完整性差，围岩工程地质分类均为Ⅴ类，透水率较大，围岩难于自稳，造成边墙、拱顶极易坍塌变形，时间效应明显，可产生较大的变形破坏和断层裂隙情况。

2 施工方案的确定

根据加子沟和黄泥沟的水文、地质及地形条件，隧洞开挖方案初步拟定选取“超前锚杆钢拱架联合支护洞挖方案”和“新增开挖工作面明挖方案”从多个方面进行类比选优。优选出安全经济的隧洞开挖方案。

两条沟道内底部宽度均仅为10～15 m之间，其中“加子沟”内常年水流量在0.004～0.07 m3/s之间，5年一遇非汛期洪水2.7 m3/s，5年一遇汛期洪水54 m3/s；“黄泥沟”内常年水流量在0.008～0.09 m3/s之间，5年一遇非汛期洪水3.2 m3/s，5年一遇汛期洪水71 m3/s。如采用新增工作面明挖法施工，防洪土石围堰修筑占地较宽，堵塞泄洪通道；如遇超标准洪水，极易冲垮围堰堵塞基坑，淤泥倒灌进输水隧洞，造成不必要的安全事故和经济损失。大开挖施工方案汛期必须停止施工且须封闭洞口，各类安全隐患极大。而洞挖方案基本不考虑洪水侵扰，隧洞开挖后只需做好安全防护即可，节省大量费用。

采用明挖方案施工，工作场地极其狭窄，“加子沟”开挖深度约6.9 m，“黄泥沟”开挖深度约6.3 m，即使采用地质允许最小边坡开挖，顶口最小开挖宽度也有11 m。由于两条沟道内常年有水，必须进行导流，必须采用半幅施工方法。沟内导流造成的渗水极易造成边坡坍塌，造成两侧围堰安全受到威胁。

新增2个工作面明挖方案，需要修建大量的临时辅助设施，如临时施工道路、施工用水、用电、隧洞通风、临时工棚、混凝土搅拌站，渣场占地等。各项协调工作难度很大，而新增的施工扰动对当地生态植被影响很大，生态恢复时间较长，增加不少额外费用，且数据不能准确估算。

全断面明挖施工后，在任何洞段进行混凝土二次衬砌，都会由于空间问题导致其它洞挖工程无法施工，只能长期敞口放置等待其他洞挖工程完工才能进行混凝土衬砌。同时由于隧洞口温度变化差异大，冬季2个隧洞洞口衬砌质量无法保证只能停工或者采用防冻剂等额外技术措施，增加施工费用。采用洞挖方案，隧洞口以内150 m后整体温度变化不大，混凝土冬季衬砌质量可以不停工且质量得到保证；隧洞内不安排其他施工，干扰小，施工进度快。

从投资情况看，采用“超前锚杆钢拱架联合支护方案”要消耗锚杆、钢拱架、混凝土喷护、石方洞挖和回填灌浆、钢筋混凝土衬砌等，经测算投资约90万元。采用“新增开挖工作面明挖方案”需考虑工棚、导流围堰、临时道路、施工用水和电、石槽开挖及回填、混凝土喷护、锚杆、钢筋混凝土衬砌等（不包含新增临时征地费用），经测算投资约180万元。

从工期要求、安全性和工程投资等各角度综合对比分析看，明挖方案各个指标劣势比较明显，因此采用洞挖方案进行施工。在洞挖施工过程中依据地质预报，对岩石较为破碎、掉块较多、渗水量大的地段采用“超前锚杆结合钢拱架支护洞挖方案”，可以缩短工期且投资较小。

3 施工方案

3.1 施工方案的整体思路

由于两条沟道内隧洞顶部覆盖层地质条件太差，施工非常困难，诸多不利因素会给隧洞开挖和衬砌带来严重的安全隐患，必须采取特别的安全支护措施，综合考虑各种条件后的施工方案如下：

隧洞桩号6+380～6+440段和8+130～8+175段共105 m的施工均参照“Ⅴ”类围岩开挖设计图纸进行断面开挖和喷护，采用40 cm厚混凝土全断面衬砌并回填灌浆处理。配备足够的排水设备，当洞内地下水突然变大时，立即进行超前探水并放水引排。洞内涌水量过大时必须先灌浆封堵止水，后进行支护。

根据地质预报情况，在较破碎的洞段，开挖过程中及时采用超前锚杆支护系统或随机锚杆、挂网钢筋喷护；渗水严重段，岩石较为破碎地段采取超前锚杆注浆处理措施。接近两沟段上下游10 m时为保证安全即按照“Ⅴ”类围岩支护措施进行施工，每一爆破循环完成后，立即对软弱岩层面初喷混凝土进行封闭，形成5～10 cm薄壁柔性支护，以利于围岩暂时稳定。待混凝土初喷完成后立即施工系统锚杆或随机锚杆，确保围岩不出现松动危害，随后施工钢筋网和终喷混凝土，使围岩彻底封闭。在极容易冒顶、岩体极破碎洞段利用预先制作的钢拱架支护，后期混凝土浇筑时不拆除支护钢拱架。

3.2 “超前锚杆”施工方案

采用超前锚杆以锚杆长度作为控制长度使一定区域成为一个整体形成模拟挡土墙，背后土压力采用挡土墙来抵挡，以达到超前支护的效果，施工流程如下：准备工作——钢拱架支护（顶部打孔）——钻孔——超前锚杆安装——钻爆后开挖——喷护混凝土——支护钢拱架——下一循环。

施工中如遇见洞壁可能出现破碎带的迹象，立即沿隧洞开挖轮廓线进行钻孔，要求孔深大于循环进尺1 m（循环进尺本设计为3 m），超前锚杆长4 m，搭接长度1 m，环向间距为3根/m，纵向每2榀格栅布置一环，外插角为 10°～15°。在拱部 120°范围内设 Φ25CD反循环注浆锚杆，采用1∶1水泥浆液注浆；其他位置设Φ22砂浆锚杆，采用M20水泥砂浆。

按设计要求定出锚杆孔的位置，孔位允许偏差为±150 mm；锚杆孔深允许偏差为±50 mm。当隧洞内岩层结构面出露明显时，锚杆孔宜与岩面主要结构面垂直。岩面外露锚杆长度不得大于喷护层厚度。富水地段应先导出孔内存水或另行钻孔在附近，如遇成孔困难地段可采用自钻式锚杆。

持风钻钻孔至设计深度后用高压风或水清洗孔体，将锚杆孔中的阻塞异物清除干净。为保证锚杆和水泥浆液紧密结合，使用前应矫直锚杆和清除污锈并使其保持湿润。沿孔轴线将锚杆以慢速推入孔内；如推入孔内阻力较大，用锤子在尾端轻轻打入。外露的锚杆长度以能够安装垫板螺栓和止浆塞为宜，将止浆塞通过锚杆外露端打入孔口10 cm左右，随后安装垫板和螺母时不宜上紧。

KBY50/70注浆泵及其零件在锚杆注浆前需保证齐备和正常。采用水或风检查灌浆孔体通畅与否，在孔口返水或返风满足要求后，迅速将泵用快速接头和注浆管及锚杆连接好，并配制浆液，使和易性及水灰比符合设计要求，开动泵注浆，整个过程应一次完成不能停顿。

进浆采用锚杆体内的中通管，中通管外钻孔壁排气回浆方式注浆，水泥浆水灰比0.4～0.5；注浆压力：0.2～0.5 MPa。完成注浆的标准为：在注浆压力达到0.5 MPa，且注浆量亦达到设计要求时，停止注浆；当注浆压力达到0.5 MPa且在注浆时间不低于20 min，进浆量仍达不到注浆量时，亦可结束注浆，锚杆孔的浆液必须保证注满。注浆质量合格后立即封堵锚杆头。

完成一根锚杆后，注浆软管必须立即卸下并安装至下根锚杆进行注浆。注浆结束后，安装垫板、拧紧螺帽、固定杆体。注浆示意图见图1。

图1 注浆示意图

施工时先使用YT-28风动凿岩机钻孔至设计深度，采用风压清孔，人工为主机械配合安装锚杆。单根锚杆长3 m，且应达到平直、表面无裂纹和损伤、油污、颗粒状或片状老锈。

预先制作加工的砂浆锚杆强度不得低于M20，质量要求如下：水灰比宜为0.39～0.45，砂灰比宜为1∶1～1∶2，砂的粒径不宜大于2.4 mm。具体配合比根据施工时的现场试验确定，一次拌合的砂浆必须在初凝前用完。

注浆管插至距孔底5～8 cm处停止深入，在水泥砂浆灌入时均匀缓慢拔出，随后立即将杆体快速插入，插入的杆体长度不得少于设计长度的95%。若杆体插入后孔口处砂浆无流出，立即将杆体拔出重新注浆。注浆孔口压力不大于0.4 MPa，注浆管路在注浆开始或中途暂停超过30 min时必须用水润滑。

灌注砂浆锚杆孔内的砂浆必须饱满密实，锚杆垫板必须与孔口混凝土紧密接触，安装锚杆垫板需在锚杆达到要求的抗拔力后才能，不得随意敲击安设后的锚杆，锚杆终端不得悬挂重物在填充砂浆终凝前。

钻孔时利用风动凿岩机，孔内岩屑采用高压风清除；注浆采用注浆泵注入孔内，停止注浆为锚杆孔体积的2/3被注满时。及时将加工好的锚杆体95%以上插入孔内，并立即安装锚杆垫板。

为保证锚杆垫板基面比较平整，工序上初喷混凝土完成后再进行锚杆施工，上紧垫板螺母必须等待水泥砂浆达到一定强度后，其他要求与超前锚杆相同。

3.3 “钢拱架支护”施工方案

采用14#工字钢制作钢拱架。每榀钢拱架支护包括顶拱和两侧立柱根据断面尺寸和钢拱架重量分段加工，采用连接板焊接或肋板对接保持各段之间的连接，焊接均采用骑缝焊接。特殊地段加设钢拱架底部架设水平底梁，两榀拱架仰拱之间采用C20混凝土填平。

在洞壁与钢拱架之间设2 m长Φ25锁脚锚杆，锚杆布设方向沿径向或水平向向下倾斜；遇到特别软弱岩体及松散体，可用Φ42锁脚锚管代替锚杆，锚杆或锚管的根数不少于8根；每榀钢拱架之间的连接采用Φ25纵向联系筋，联系筋沿断面均匀布设，根数不少于7根。

为保证安全，钢拱架延伸至两侧较好岩体中，延伸长度不小于2 m，钢拱架安装间距根据隧洞地质条件调整保持在0.5～1.0 m。铺设钢拱架部位的岩体严格按设计要求的轮廓线开挖，以保证实际开挖轮廓线紧贴开挖面安装钢拱架，围岩与钢拱架之间的空隙立即用C20喷射混凝土填充。如空隙较大，可在钢拱架上焊接Φ25钢筋并支撑于岩面，随后分批次喷混凝土至填充饱满。对于更大的掉块等塌方空腔体依据实际情况特殊处理。

钢拱架安装后立即布设Φ6@100钢筋网并喷射C20混凝土，喷射混凝土厚度120 mm。钢拱架、锚杆和喷射混凝土中的钢筋网均相互连接牢固，以增强钢拱架的稳定性；钢筋网沿开挖面铺设，与岩面距离宜为30～50 mm，相邻铺设的钢筋网搭接长度不小于200 mm，搭接时纵横钢筋网应对应。

每榀钢拱架拼装后具有整体性且接头牢固可靠，保持每榀钢拱架在同一平面上，柱脚许置于完整的基础面上，由于隧洞开挖底板不平，钢拱架柱脚要加焊钢垫板以使受力均匀，垫板与开挖底板之间需用C25混凝土作为垫墩，平面尺寸300 mm×300 mm。钢拱架标准横断面图见图2。

图2 钢拱架标准横断图

3.4 施工观测

在隧洞开挖过程中，由于沟道地面距离隧洞顶部较近且沟道内有基流等不利安全影响因素，沟道内隧洞上部的地表沉降观测时需每隔10 m一个断面，每个断面内设置3个沉降观测点，并在地表隧洞界限外5 m也设置沉降观测点，每天观测不少于2次。同时在各洞段顶部地面四周设置警戒线，施工期间该区域不允许闲杂人员出入。施工至两浅埋段前，必须加强超前水平分析探孔地质工作，施工中严格按照“超前锚、弱爆破、短开挖、早支护、快封闭、勤测量”要求并同时设置钢拱架。隧洞内围岩的监控量测每天要保证不少于3次，且设置监控量测断面时间距不得大于5 m，同时及时分析量测数据，对不利的地质条件及时作出判断。