引洮二期工程总干16#隧洞软弱土岩段开挖支护技术浅析

张 飞，袁 超，雷 欢

（1.陕西省宝鸡市冯家山水库管理局，陕西 宝鸡 722402；2.西咸新区沣西新城碧水源环保科技有限公司，陕西 西咸新区 712046）

0 引言

随着国内大型跨区域调水工程建设的快速推进，地下水工建筑物的数量不断增加，使用范围越来越广，规模也越来越大。有些引水隧洞的长度已达10多千米，直径超过20 m。湿陷性黄土地区长距离软岩引水隧洞的建设将不可避免地遇到复杂的地质条件和大量的工程地质问题[1]。其中围岩稳定问题是最受关注的，它涉及到地下工程是否成洞和安全运行，用何种办法进行开挖支护及衬砌，直接影响到造价和工期。目前，我国隧洞在开挖方法的选择上以钻爆法、新奥法和盾构法为主，其中钻爆法开挖使用的最为广泛，主要是因其具有经济、实用、简单、灵活的优点，国内大部分的公路及铁路隧洞均采用该种方法施工[2]。然而钻爆法施工不可控因素较多、超欠挖控制技术要求高，炸药单耗量大，成本得不到有效控制，并且危险性也较高，在软岩隧洞开挖施工中显然钻爆法不是最优的开挖方式[3]。本文结合甘肃引洮二期工程总干渠2标段16#隧洞在开挖过程中运用小挖机带破碎锤开挖的施工经验，对开挖施工、测量控制、支护方案等技术进行探讨。

1 工程概况

1.1 概述

引洮供水二期工程总干2标段位于甘肃省陇西县通安驿镇杨家庄与黄蒿湾～拉坡底下之间，渠系桩号为总干4+850 m～10+667.84 m，标段渠线长5817.84 m,隧洞设计流量20.00 m3/s，加大流量22.5 m3/s，断面型式为三心圆，洞底比降1/1250，开挖断面宽×高=4.9 m×4.901 m，净断面宽×高=3.9 m×4.001 m，设计水深h=2.939 m，设计流速v=2.176 m/s。开挖断面见图1。

图1 引洮二期总干16#隧洞2标段开挖设计图（m）

1.2 工程地质条件

隧洞围岩属于极不稳定的Ⅴ类岩石，成份以粉砂质泥岩为主，夹泥质粉砂岩，呈泥质胶结状，岩性较弱，岩石极软，遇水易分解变形，失水干缩，易风化解体；自稳时间短，易变形，洞顶围岩易掉块，局部坍塌。其中8+652.8～8+718.4段跨天定高速马家山隧道，8+652.8～8+664.4段在天定高速下行线马家山隧道上方22.6 m处通过，8+707.1～8+718.4段在天定高速上行线马家山隧道上方22.1 m处通过。

2 施工方案的选择

2.1 隧洞开挖施工方法

隧洞按照“减少扰动、早期支护、加强观测、及时封闭”的原则组织施工，采用小型挖掘机（带破碎锤）开挖，遇浅埋段采用环形开挖留核心土法，即在洞顶先开挖弧形导坑，其次开挖下半部左右两侧，最后完成中间部位开挖，上部开挖后断面距洞顶1.8 m左右。较软围岩处采用小型挖掘机直接开挖，围岩坚硬处采用破碎锤开挖，人工修边。出碴采用装载机装碴，5 t自卸汽车拉运至渣场。临时支护紧跟开挖掌子面作业，确保施工安全，开挖循环进尺3 m，在饱和黄土洞段循环进尺采用1 m。

鉴于软岩隧洞开挖后围岩变形量大，在整个施工过程中需要加强超前地质预测、预报，加强围岩监控量测管理，本工程开挖时考虑到泥岩洞段与黄土洞段的地质差异，分别在洞顶预留了3 cm～5 cm的变形量，经过后期的监控量测，满足二次衬砌的断面尺寸要求。

2.2 隧洞开挖测量控制方法

该隧洞为长距离小断面隧洞开挖，洞内开挖、出渣过程中排烟时间较长，对每一循环的掌子面测量放线影响较大，为了在隧道掘进过程中加快测量速度，采用在洞内直线点拱顶及侧墙位置设置5台激光指向仪来指导开挖及支护，这5台激光指向仪分别布置在顶拱中间、上部弧段与中部弧段的连接处、中部弧段与直墙段的连接处。

激光指向仪的安装调整方法：激光指向仪安装在距离掌子面50 m处的钢拱架上，安装时先在预固定的位置处焊接Φ20钢筋段，长度20 cm，为了便于上下左右调节，焊接时要保持钢筋段与钢拱架垂直。调整时按照两点确定一条直线的原理，提前计算好5部激光指向仪发光光眼的坐标与开挖当前掌子面的坐标，使相同部位的坐标在一条直线上。为了降低测量误差，将全站仪架设在激光指向仪与当前开挖掌子面中部位置，按照计算好的坐标先将激光指向仪光眼上下调整到相应的高程位置，再用全站仪放样当前掌子面上同部位的坐标，然后左右调整激光指向仪照在掌子面上的光斑与全站仪红外线的光斑完全重合，调整完成后再用全站仪复测一遍，确认两点坐标无误后按照同样的方法调整其余的激光指向仪。为了便于开挖控制，所有激光指向仪要安装在距离开挖轮廓线25 cm处，激光指向仪每120 m移位一次（布置图见图2）。在施工中每周校核一次，可以达到控制误差在2 cm以内的效果，极大地节省了测量放线时间，提高了开挖及支护速度。

图2 激光指向仪布置图(m)

2.3 隧洞支护方案的选择

一次支护采用钢拱架喷锚支护，造孔依托自制的作业平台，采用YT-28手风钻造孔，锚杆采用Φ22 mm、L=2.5 m水泥基药卷系统锚杆，7Φ20或6Φ20梅花形间隔布置，排距1.0 m。喷射混凝土混合料在搅拌站集中拌制，自卸车运至工作面，顶拱、侧墙范围内喷层中部设Φ6.5@200 mm×200 mm钢筋网，喷C20砼厚150 mm。钢拱架在洞外综合加工厂分片制作，自卸车转运，现场人工拼装、安设。I16@0.6 m～1.0 m全封闭钢拱架施工时紧贴岩面架设，洞底部位钢拱架施工时在岩体内掏槽布设。施工过程中必要时顶拱180°范围内布设Φ42超前钢管管棚，环向间距300 mm，L=3000 mm。

2.3.1 水泥基药卷锚杆施工

水泥基药卷锚杆是用锚固药包代替注浆而直接给锚杆增加锚固力，因其使用方便、操作简单、能加快施工速度而被广泛使用。锚固药包是用干燥的粉状水泥砂浆及速凝剂按照一定的比例混合，为了方便使用，用特殊透水纸包装成圆条状，施工时直接在水中浸泡10 min～15 min，湿润后使用，其锚杆示意图见图3。施工时根据锚杆设计孔位、间距及开挖面岩石层理、节理发育情况，用红色自喷漆标出眼位，对层理及节理发育的部位，加密布设。

造孔时钻杆垂直于岩面，成孔后用高压风吹净孔中岩屑及细小岩块，将锚固药包浸泡到位，其外观判断为用手轻捏柔软均匀。在锚孔中放入时用孔径略粗于药包的PVC管将药包顶送入底部，然后缓慢抽出PVC管，每节药包均按此方法送入，直至送入数量满足要求。药包装入数量需计算确定。采用锤击与气动凿岩机相结合的方式将锚杆强制塞入锚孔中。

图3 水泥基药卷锚杆示意图

2.3.2 钢拱架施工方法

钢拱架采用I16工字钢制成，焊接板的焊接在安装钢拱架的施工现场进行。拼装时按照边墙→拱肩→顶拱→底拱封闭的施工顺序进行。在进行第一榀钢拱架安装之前，在需要安装钢拱架部位的边墙打锚固插筋，将边墙钢拱架与插筋相焊接牢固，完成拱肩的安装焊接后进行拱顶的安装，拱顶安装焊接完成后，立刻进行连接点的两侧联系板的焊接，完成以上各工序后进行下一榀钢拱架的安装焊接工作。完成第二榀钢拱架的安装和焊接后，进行两榀钢拱架间联系钢筋的焊接，联系钢筋在现场加工。底拱施工要及时跟进，每安装一榀同时封闭一榀，侧拱施工时充分考虑底拱施工，应加长15 cm。

2.3.3 φ42超前管棚（小导管）施工

1）超前小导管设计参数：①前导管规格：热轧钢花管，外径42 mm，壁厚3.5 mm；小导管L=3000 mm；②超前小导管环向间距300 mm；③倾角：外插角5°～10°，可根据实际情况调整；④注浆材料：水泥浆；⑤设置范围：拱部180°范围；⑥小导管纵向搭接长度1.0 m。

2）制作钢花管。将小导管前部做成圆锥状，在尾部焊接上铁箍，管壁钻梅花眼，间距10 cm～20 cm，直径6 mm～8 mm，尾部预留50 cm不钻孔，作为止浆段。小导管构造见图4。

图4 注浆小导管构造图

3）小导管安装。①测量放样，用红漆标记好设计的孔位，钻孔使用凿岩机，钻孔直径比小导管直径大2 cm为宜；②成孔后，将小导管穿过开挖面后方的钢拱架以外倾角的方向插入孔中，外部留30 cm搭在的钢拱架上，与钢拱架共同组成超前支护体系；③钻孔、安装应符合下列要求：钻孔方向要一致，直径与注浆管的管径要配套，以不大于5 cm为宜，采用吹管法清孔，安装采用引孔顶入法。

4）注浆。通过灌浆泵注入P.O42.5普通硅酸盐水泥浆。注浆前先在掌子面喷一层5 cm～10 cm厚的砼封闭围岩，阻止浆液渗出。将小导管内部碎屑冲洗干净，注浆由下至上进行。单孔注浆压力达到设计要求值时不能立即停止，保持压力继续注浆10 min，待进浆速度降低到初始速度的25%或注入的浆液已达到设计值的80%以上时停泵关球阀，最后清洁管路。注浆过程中认真填写注浆记录，随时分析和改善操作，注意观察当前掌子面的状态。注浆参数根据注浆试验结果及现场情况调整。注浆压力一般不超过0.3 MPa；浆液初凝时间1 min～2 min。

5）注浆异常现象处理。①发现串浆时及时堵塞串浆孔；②压力表突然升高，立即停机检查管路，排查是否堵管；③注浆量很大，压力升高不明显，重新调整浆液配合比，减少胶凝时间。2.3.4 喷射混凝土施工

本工程采用干喷施工工艺，选用PZ-5B型混凝土喷射机施工。混凝土干料搅拌均匀运至工作面后，人工上料至喷射机筛网内。喷混凝土时将喷射面分为5个区域，从下而上依次进行，先喷下部直墙段，再喷拱肩部位，最后完成拱顶喷砼。作业时，高压喷头与岩面垂直，两者距离保持在1 m左右，喷头运动轨迹应呈“S”形；先将岩面的凹处找平，再将喷头顺时针一圈一圈缓慢移动，后面的一圈要覆盖前面半圈，绕圈的直径约30 cm，分层喷射，每层厚度控制在5 cm左右，后一层需等到前一层混凝土终凝后进行。喷射过程中可以不断调整气压与水压，这样能够减少回弹量，确保喷射混凝土紧贴岩面。

喷砼结束后，及时将喷射砼表面清理干净，终凝2小时后开始喷雾化水养护，养护时间不少于7昼夜。气温低于5℃时，不喷水养护。当洞内空气湿度达到或超过85%时，允许自然养护。喷射混凝土厚度检验完成后，及时割除裸露在喷层表面的检测钢筋头，切割时保持与混凝土表面平整，且不得损伤混凝土表面。

3 坍塌洞段的处理措施

开挖过程中局部掉块的洞段，掘进进尺缩短为1 m，开挖采用分步台阶式开挖法，先开挖上部顶拱180°范围的台阶，对顶拱进行临时支护，再开挖中部台阶，最后完成下部直墙段的开挖。每次开挖完成后先素喷一层厚度5 cm厚的混凝土封闭围岩，待混凝土初凝后再进行钢拱架、挂钢筋网、喷砼施工。钢拱架的间距调整为每60 cm设一道，所有施工工序必须及时完成，保证施工安全。

4 结语

甘肃引洮二期总干2标16#隧洞在开挖施工过程中分别遇到围岩坍塌、渗水等不良地质灾害，施工难度大，开挖工期紧，现场通过合理设计开挖、支护方法，组织开挖工序，优化测量控制，获得了合理应对长距离小断面土质隧洞开挖支护的施工技术，保证了开挖过程中的施工安全，施工进度加快，施工成本降低。可供类似工程施工借鉴。