东山供水工程土石交界段隧洞施工技术

谷艳春

（山西东山供水工程有限公司 山西太原 030002）

1 工程概况

东山供水工程施工五标9#隧洞总长约2 273 m（桩号YD7+205.92～YD9+478.86），为无压输水隧洞，采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度300～400 mm，设计纵坡为1/2 700。其中桩号YD7+615.71～YD9+275.05 段为土洞段，断面形式为马蹄形，衬砌成型后断面为R1=2R2=3.0 m，桩号YD7+205.92～YD7+615.71和YD9+275.05～YD9+478.86 段为岩石洞段，断面为城门洞型，衬砌成型后尺寸为2.6 m×3.069 m。

2 交叉段地质情况

2.1 地质描述

根据招标文件及后期补充勘探资料地质描述：交界处土质围岩在上部，石质围岩在下部，围岩厚度0～17 m。隧洞上部土质围岩为第四系下更新统灰黑色淤泥质含砂低液限黏土、级配不良砂层、卵石混合土层、低液限黏土层等构成的水平层状且互层的混合土层，湿-饱和，呈软塑状态，松散，洞顶及洞身主要以级配不良砂层为主；下部石质围岩为三叠系中统二马营组第二亚组灰绿色砂岩夹紫红色泥岩，围岩厚度0～5.4 m，岩体较破碎，完整性较差。地下水水位位于洞顶以上，存在渗水或线状流水问题，易产生塌方，围岩极不稳定，应加强支护。

2.2 地质灾害分析

土石分界段上部为含水丰富的不良砂层、砂卵石层；下部岩体较破碎、风化严重，往往为风化严重或强风化带，土石分界处会形成水流通道，因此在土石交界处进行开挖施工时，存在突发性涌水、涌泥、坍塌和塌方等地质灾害的可能。

3 施工工艺说明

整个土石分界施工分为三个区域：土质洞段加强区、土石交界区、岩石洞段加强区，两个加强区的长度为10 m，交界区的长度根据现场开挖情况而定。土石交界分区见图1。

图1 土石交界段开挖支护分区示意图

根据土石交界处土层和岩石的产状，结合土洞段开挖支护施工方案，土石交界处土质洞段加强区及土石交界区采用“分台阶、预留核心土和预留保护层”的方法施工；岩石洞段加强区采取“全断面、浅孔、楔形掏槽、周边光面爆破”的浅孔松动爆破方法。

为保证后期施工的通行能力，土石交界段加强区开挖支护完成后，无法立即跟进混凝土衬砌。为减少该段不良地质条件带来的沉降影响、减弱岩石洞段爆破施工对土石交界区和土质洞段加强区的震动影响，增加土石交界区和土质洞段加强区的稳定性，土石交界区和土质洞段加强区支护采取双层14#工字钢拱架支撑，同时为满足断面净空要求，增大开挖断面，双层钢拱架布置开挖见图2。

图2 土石交界段双层拱架开挖支护布置图（单位：mm）

3.1 土质洞段加强区及土石交界区开挖支护施工方法

土质洞段加强区范围为YD7+615.71 ～YD7+625.71 和YD9+265.05～YD9+275.05，土石交界区范围根据现场开挖揭示的掌子面情况确定。结合土石交界区“土在上，石在下”的特点，土质洞段加强区及土石交界区采取相同的超前支护方法。土质洞段加强区及土石交界区的开挖支护施工方法和参数如下。

3.1.1 超前支护

采用双排小导管进行超前支护，沿顶拱开挖边线布置两排Φ42，δ3.0，L=2.0 m 的超前小导管，环向间距为20～40 cm，外插角度10～15°。在外侧一排超前小导管中，在顶拱位置布置3～5 根L=5.0 m 的小导管，主要起到超前勘探和引排地下水的作用。超前支护详见图3。

图3 土质洞段加强区及土石交界段超前支护布置图

3.1.2 开挖施工方法

1）土质洞段加强区

超前支护完成后，加强区采用“分上下台阶、预留核心土和预留保护层”的方法施工。上部台阶开挖时，先采用久保田挖机将开挖边线内侧30 cm 和核心土之间的土体，然后人工用风镐挖除保护层至设计断面，开挖进尺为0.5 m，开挖完成后立即跟进支护，方可进行下一循环的施工；下部台阶开挖施工方法与上半部类似，上下台阶之间距离控制在2～3 m；底板采用久保田挖机按设计断面进行开挖，开挖完成后立即安装底梁，使钢拱架闭合。

2）土石交界区

（1）上部土方开挖

上半部土方开挖，采用“预留核心土和预留保护层”的方法进行，施工工艺与土质洞段加强区相同，开挖支护完成后，方可进行下一循环的施工；在开挖过程中，若遇到石质围岩可采用破碎锤进行锤击破碎开挖，局部结合孤石破解爆破进行。

（2）下部石方开挖

下半部石方开挖，采用破碎锤进行破碎开挖并结合局部采用孤石破解爆破开挖，上下台阶之间距离控制在2～3 m；底板开挖采用久保田挖机进行开挖，直至满足设计要求。

孤石破解爆破的使用使用条件，在开挖过程中，先采用久保田挖机进行破碎和风化岩体的清除，然后采用破碎锤锤击开挖，对于破碎无法完成的岩体，进行孤石破解爆破进行开挖。

（3）孤石破解爆破参数

根据孤石的大小，布置钻孔孔位沿设计开挖线方向和垂直洞轴线方向，采用YT-28 手风钻进行钻孔，孔径为42 mm，每次钻孔数量小于等于3 孔，钻孔孔深度应满足孔底距离设计开挖线5～10 cm。装药量按照线装药密度控制即装药量小于等于100 g/m（根据经验暂取值）。

3.1.3 系统支护

根据本工程土质隧洞开挖施工经验，土石交界处土质隧洞加强区及土石交界区采用双I14#工字钢+钢筋网片+C20 喷混凝土进行系统支护，支护参数具体如下：

1）双I14 工字钢拱架支护，间距0.5 m，为保证其整体性及稳定性，内外层工字钢间隔焊接，相邻两榀工字钢之间采用10 根Φ25 连接钢筋进行连接（局部可根据围岩情况进行加强）；

2）挂Φ8@150 mm×150 mm 钢筋网，并与连接钢筋和工字钢焊接；

3）Φ25，L=2.0 m 锁脚锚杆，每榀安装8 根，分别布置在两侧起拱点和底脚处；

4）C20 系统喷混凝土，厚度29 cm，掌子面素喷混凝土封闭，厚度5～10 cm；

5）底板布置I14 工字钢底梁使钢拱架闭合，并回填24 cm 厚的C20 混凝土（土石交界区回填厚度为15 cm）。

3.2 岩石洞段加强区开挖支护施工方法

为确保土质隧洞加强区和土石交界区的工程安全，特设定土石交界处岩石洞段加强区，由于土洞与岩洞开挖体型不一致，考虑该区域混凝土衬砌体型是渐变的，即从马蹄型向城门洞型过渡，为了保证后期混凝土衬砌厚度，加强区的开挖断面按照土洞断面爆破参数进行控制，通过测量布孔，调整钻孔孔位，实现顶拱上抬、两边墙收缩和底板加宽的转变。该区域主要是指全断面为石质围岩，但隧洞顶部岩石覆盖层较薄，该区域开挖支护施工方法和施工参数如下。

3.2.1 超前支护

超前支护采用单排小导管进行，具体施工参数为：沿顶拱开挖边线布置一排Φ42，δ3.0，L=2.0 m 的超前小导管，环向间距为20～40 cm，外插角度在10～15°。超前支护布置图详见图4。

图4 岩石洞段加强区超前支护布置图

3.2.2 岩石洞段加强区的开挖

岩石隧洞段加强区的开挖采用浅孔松动爆破的方法进行开挖，施工方法为“全断面、浅孔、楔形掏槽、周边光面爆破”，每循环开挖进尺为0.5 m。

在掌子面附近搭设组合排架作为钻爆施工平台，采用20 m3空压机供风，3 把YT-28 手风钻进行掌子面钻孔作业，利用钻架工作平台，人工装乳化炸药，装药前对炮孔进行吹洗，确保装药到位。

掏槽孔、崩落孔和底孔采用Φ32 mm 乳化炸药，连续装药结构，非电微差爆破。光爆孔采用Φ32 mm乳化炸药，间隔装药，药卷与导爆索竹片捆绑，20 cm线状间隔不耦合装药，非电雷管引爆导爆索起爆。采用塑料导爆管簇式联线，分段起爆，电雷管引爆。起爆顺序为：掏槽孔→辅助孔、崩落孔→光爆孔周边孔→底板孔。

爆破孔位布置图见图5。

图5 岩石隧洞加强区孔位布置图

3.2.3 系统支护

土石交界处岩石隧洞加强区采用单层I14 工字钢+网片+C20 喷混凝土进行系统支护，支护参数具体如下：

1）I14 工字钢间距0.5 m，工字钢之间采用10 根Φ25 连接钢筋进行连接；

2）挂Φ8@150 mm×150 mm 钢筋网，并与连接钢筋和工字钢焊接；

3）Φ25，L=2.0 m 锁脚锚杆，每榀安装8 根，分别布置在两侧起拱点和底脚处；

4）C20 系统喷混凝土，厚度15 cm；

5）底板布置I14 工字钢底梁，并回填15 cm 厚的C20 混凝土。

3.2.4 加强区结束标准

在土石交界处岩石隧洞加强区施工过程中，通过在顶拱打钻探孔，并结合超前小导管和拱脚锁脚锚杆施工的方式，判断岩石隧洞顶部岩层的厚度：当隧洞顶部岩层厚度不小于开挖洞径，方可认为石质洞段加强区结束，进入正常岩石隧洞开挖支护施工。

4 地质灾害预防措施

本段隧洞岩石洞段风化严重，节理裂隙发育，岩体较破碎，完整性较差，不能自稳；土质洞段土体主要由含砂低液限粘土、细沙层、粉砂层、砂卵石层等组成，土体在自然状态下有一定的自稳能力，在施工扰动及水流的作用下，极易出现坍塌、塌方、涌泥涌砂等地质灾害。为保证施工安全，减少地质灾害的发生，施工中，采取了以下措施。

1）加强超前勘探措施

根据地质勘探资料，结合超前支护，适当增长超前小导管的长度，根据小导管的施工情况，结合施工经验和渗水量对前方未施工段的地质情况进行判断，根据判定结果进行开挖。

2）加强超前支护措施

在施工过程中，根据掌子面暴露岩石或土体结构情况，对局部较差处可加密超前小导管，对于稳定性非常差的洞段，可采用1∶1 纯水泥浆进行灌浆固结处理后，再进行开挖。

3）加强技术保证措施

在进行石分界处开挖施工前，技术人员先对施工人员和现场管理人员进行技术交底，对施工步骤和施工方案进行详细讲解，让每一个施工人员充分理解并掌握施工方法。

在土石交界区域施工时，应尽量少用或不用爆破施工，对必须进行爆破的部位，应由技术人员根据爆破位置进行现场布孔，并严格控制炸药的使用量，减少爆破对周边土质结构的震动破坏。

5 小结

根据隧洞地质条件变化，对土石交界段划分不同施工区域并采取了不同的开挖支护措施，有效降低了岩石洞段爆破开挖施工对土石交界区及相邻土洞段的施工扰动，避免了该地质不良段由于施工扰动引起涌泥、塌方的危险，取得了较好的效果。