水工隧洞初衬下沉底板错台处置方法

叶瑞彬 吴锐敏

(深圳市金河建设集团有限公司，广东 深圳 518049)

1 工程概况

1.1 工程简介

黄沙坑水库工程隧洞施工C3合同段，范围为K4+481～K9+823.56，设计纵坡1‰。为满足施工要求，在桩号K6+091.98处设施工斜支洞，支洞长360m。为解决高程408.0m以下的龙坑、新厝、岩里等雪峰灌片耕地的灌溉需求，结合施工考虑，在主洞洞岭拐弯出设一长1.341km的施工支洞，在支洞出口设灌溉放水口，采用DN600锥阀控制。隧洞出口采用明管埋设至水厂，明管长100m连接至供水厂前池，并在水厂前池出口处设一个DN800锥阀控制。

黄沙坑水库隧洞工程施工C3合同段地质条件复杂，隧洞围岩的岩性有白云质灰岩、砂岩、泥岩，地质构造主要有北西向和近东西向断裂及层面裂隙，且溶隙、溶洞发育。隧洞处于地下水位以下，地下水活动明显，且存在喀斯特水，受多重不利因素组合影响，围岩不稳定—极不稳定占主导地位。

1.2 设计情况

C3标段隧洞为无压隧洞，主洞设计长度为5342.58m，灌溉支洞长1341m，主洞开挖断面为2.6m×2.8m(宽×高)城门洞形。隧洞开挖采用新奥法全断面爆破，初衬支护形式分为4个类型：ⓐⅠ、Ⅱ类围岩不支护；ⓑⅢ类围岩初衬为喷射C30混凝土80mm厚；ⓒⅣ类围岩初衬采用I16工字钢拱架+挂网+锚喷C25混凝土50mm；ⓓⅤ类围岩初衬采用φ42超前小导管+I18工字拱架+挂网+锚喷C25混凝土50mm，设计Ⅴ类围岩开挖初衬断面见图1。

图1 Ⅴ类围岩开挖初衬断面 (单位：mm)

2 施工情况

隧洞开挖分为三个工区分头施工，主洞从大桩号开始往小桩号掘进，在施工至K9+175段时发现，在已完成初衬的K9+656～K9+590喷射混凝土有开裂及掉块先兆，底板地面明显下沉造成隧洞地面出现错台。项目部立即停止施工，并组织技术人员会同参建单位进行隧洞勘测素描，经测量发现K9+656～K9+590段初期衬砌出现收敛变形，左侧洞身右倾5°，拱顶累积下沉180mm，隧洞地面错台，有下沉现象，高差达到220mm，洞顶初衬喷射混凝土出现贯穿性裂缝。

3 原因分析

隧洞前期施工洞段主要为主洞和支洞的出口段，隧洞地质以土质，Ⅳ类、Ⅴ类围岩为主，K9+656～K9+590段以粉质黏土、砂岩、泥岩、软岩为主，且覆盖层薄，围岩分布地带发育溶沟、溶槽、溶洞，富水性较好，断裂构造发育，工程地质复杂。水工隧洞受洞径小、洞段长的局限，普遍为边开挖边做初期支护衬砌，未能及时进行二次衬砌，因此隧洞受外部因素影响长期发生蠕变导致隧洞初期衬砌破坏时有发生。

a.因K9+656～K9+590距出口段不远，属典型的浅埋隧洞，洞中渗水、涌泥现象比较严重，流经此处往洞外排水，且近期连续下了1个月的雨，粉质黏土吸水后土体自重增加，使得泥岩黏聚力下降甚至消失，产生较大的变形力，破坏土体稳定性，使其自稳性变差，支护抗力不足。

b.根据泥岩自身的特性，归类为Ⅴ类围岩，该段含部分碎石性黏土，土体松散，自稳能力差，承载能力小，在内部黏聚力和岩体之间摩擦系数小、支撑力不够的情况下，极易出现局部压力增大，产生挤压力，造成土体变形，隧洞下沉。

c.泥、砂岩，呈散体状，稳定性极差，遇地下水冲刷极易带走不稳定的松软物质形成空洞，受地下水影响而软化、泥化，并且膨胀作用减小结构面摩阻力，从而导致初衬结构失效。

d.分析原设计开挖初衬方式，优点是节省工期和成本，但是对于极端地质、地质条件复杂、富地下水的暗挖段，由于没有施作仰拱封闭成环，容易因隧洞底板地面扰动、变形而影响隧洞的自稳能力和支撑力，造成隧洞下沉变形甚至坍塌的病害。

4 处理方案

通过对隧洞下沉变形、底板错台原因进行分析，总结出影响初衬稳定的各项因素分别为地下水影响、围岩影响和支护方式影响等。由于下沉是多种原因造成的，所以制定了如下综合处理的技术方案。

4.1 排水治水处理

隧洞病害处理必须坚持“先治水再治塌”的原则。由原因分析可以看出，地下水造成的典型地质恶化对引起初衬下沉、底板错台起到较大的作用，因为不良地质段围岩具有软弱破碎、承载力低、稳定性差、变形量大及遇水崩解等特点，所以首要条件是对隧洞的地下水进行处理。处理应遵循“宜疏不宜堵”的原则，采用“小堵大疏、堵排结合、先固后堵”的手段。盲目地对大出水点进行封堵，往往会造成该区段及周边的地下水位及压力迅速升高，从而可能导致其他部位出水量、出水压力增大以及围岩失稳。隧洞的渗水、漏水、涌水处理，应根据出水压力和水量进行分类判断处理，制定有针对性的排水治水措施方案，不可盲目采用单一处理手段。

a.对于涌水带泥的出水部位，应填入由土工布包裹的砂石过滤料，在保证排水通道畅通的情况下阻止泥砂流失，并埋设引流排水管，将水引入隧洞排水系统，待二衬完成及回填灌浆后方能封堵拆除。

b.对于出水压力大(出水量大)的部位，采用带阀门的排水管用钢筋网及混凝土安装固定以便控制水流的方向，并在出水点周围做固结灌浆处理，二衬施工时关闭闸阀将其填埋在边墙背后的混凝土中。

c.对于无压力的小渗漏水处理，可先观察漏水处周围1m范围内是否有滴水点、湿润点，若无以上现象可判定为周围岩层无薄弱部位，可以采用封堵措施，布置灌浆孔直接注入水泥-水玻璃双浆液封堵。

d.改变隧洞排水方式。隧洞排水方式由原“排水明沟自流出洞”改为“设置集水井、布设水泵和排水管分级接力强排”方式，减少地下水在洞内渗流时间，从而减少水对隧洞主体初衬结构的冲刷及破坏。

4.2 加密钢拱架

加密工字钢拱架，使拱架的间距变小，从而增强支护的刚性。由原设计的2.0m/榀变更为0.5m/榀，并在工字钢拱架底部增设工字钢横撑，形成闭环。施工顺序为：以2m为一环，采用风镐人工凿除初衬喷射混凝土；当原有初衬中使用钢筋网片连接时，须用气割切断钢筋，严禁使用手持砂轮机切割钢筋；根据洞径轴线剔除变形突出的土体后安装加密工字钢拱架。当原来已安装的拱架变形过大需拆除时，必须先安装代替钢拱再拆除原工字钢拱架，新装、更换过程要确认隧洞变形沉降稳定、清理拱顶及周围松散岩体后才能施工，并严格按照短进尺2.0m/段分批实施，过程要控制，不能一次性大拆大改以防止出现坍塌，确保施工过程安全。

4.3 增加锁脚锚杆

锁脚锚杆垂直于拱脚岩壁穿过软弱、不稳定的岩体，锚固在深层稳定的岩体中，既起到悬吊钢拱架作用，也能挤压土体形成压缩区，使岩体的整体性和承载能力得到提高。在工字钢拱架上打入锁脚锚杆能使工字钢拱架支护更加稳定，避免出现掉拱、拱脚收敛等问题，在每榀工字钢拱架上打入锁脚锚杆，锚杆与水平方向最佳夹角为15°。锚杆采用φ22钢筋，长度3.0m，7根为一组。锁脚锚杆采用上下分层、左右对称的方式布置，从工字钢中间钻孔穿入。

4.4 施作仰拱

仰拱结构是为了优化衬砌拱部支护结构受力情况而在隧洞底部设置的使整个衬砌结构组合成一个闭合圆环的反向拱形支护结构，是隧洞支护体系的重要组成部分之一。一方面仰拱结构能够将上部衬砌结构传递来的隧洞上部的围岩压力以及隧洞路面荷载有效传递到下部围岩，另一方面其还能够有效抵抗隧道下部地层产生的向上的反力抵抗下部围岩的上鼓。而且仰拱与衬砌上部结构结合成整体，使隧洞衬砌结构能够封闭成环，提高了结构的稳定性。

在隧洞底板原工字钢拱架底部采用风镐开挖成弧形仰拱，最深处的深度为500mm，仰拱两端支托在工字钢拱架下方，用C15混凝土填筑，见图2。修筑仰拱后与初期衬砌封闭成环，既提升支护结构的刚度及承载能力，也约束隧洞周边围岩位移，抑制隧洞底板的土体隆起，控制隧洞围岩塑性区发展，增强支护结构的受力性能，使隧洞受力更加均匀、合理。

图2 隧洞增加仰拱做法

4.5 布设注浆小导管

在封闭拱架的拱部180°范围内，环向布设注浆小导管。小导管采用φ42×4mm钢管，单根长度为6.0m，在钢管上每隔100mm钻φ6注浆孔，注浆孔呈梅花状布置。小导管的分布如下：环向间距为300mm，纵向排距为2.0m。注浆小导管钻孔安装须按水平倾斜度15°来安装，安装完成后注入水泥浆液与水玻璃浆双液注浆，比例为1 ∶0.8。小导管加工及做法大样见图3。

图3 注浆小导管加工及做法大样

4.6 加设钢筋网片喷混凝土

为加强工字钢拱架的整体作用，工字钢拱架与工字钢拱架之间设置钢筋网片连接，安装材料规格、参数要求为：纵向采用22mm钢筋，间距200mm焊接固定于工字钢拱架上；环向采用12mm钢筋，间距200mm绑扎固定；预埋回填灌浆管，灌浆管必须焊接固定，并在端口用碎布塞紧，预防初衬喷射混凝土造成堵塞。

钢筋网片安装固定后便可进行混凝土喷射，喷射分为两次进行，混凝土为C25细石混凝土，厚度为初喷50mm厚，二次喷180mm厚。

4.7 处理效果

通过使用上述多种综合改进措施，形成隧洞综合处理大样，见图4。进行处理后的隧洞段经过6个月变形监测，洞墙累计变形不超过2mm，拱顶下沉累计3mm，拱底累计下沉3mm，隧洞结构无裂缝、无渗水现象，隧洞趋于稳定，安全可靠。有了这一段的处理经验，后面未开挖段遇到类似围岩，都采用此支护开挖方式，没有再出现此类病害。

图4 隧洞综合处理大样图 (单位：mm)

5 结 语

通过黄沙坑水库输水隧洞施工C3合同段在遇Ⅴ类围岩极端不良地质施工过程初衬下沉和底板错台原因的分析，采取针对性的处理措施，提出采有改变排水方式、加密工字钢拱架、增加锁脚锚杆、施作仰拱、布设注浆小导管、加设钢筋网片喷射混凝土等综合处理方法来限制土体变形和处理隧洞底板下沉、错台，可为类似工程提供借鉴。