马蹄山输水隧洞超前支护施工工法比选

乔瑞森

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概括

1.1 工程地质

马蹄山输水隧洞5号支洞桩号5号改支0+315.5—5号改支0+321.5土洞段，围岩为第四系中更新统洪积饱和软塑状粉土，处于地下水位之下。该土层饱和、软塑状，具有大孔隙比、高压缩性、高灵敏度、低渗透性低强度的特点。易产生显著的触变性、蠕变性和明显的结构性，软土一旦受到扰动，土的强度显著降低，甚至呈现流泥状态，属于高灵敏度土。

山体内原本处于平衡状态的土体，随着隧洞的开挖形成一侧临空状态，应力释放，产生了由围岩未开挖段四周向中心的挤压应力，当挤压应力超过围岩强度时，即产生较大的工程地质塑性变形，饱和软塑状粉土的强度极低，故这种挤压造成的变形破坏非常突出。

1.2 施工情况

针对软土层，前期采取的超前管棚支护的管棚管、立柱、钢拱架全部被压弯折，洞壁裂缝破坏，隧洞下沉。这种饱和软塑状粉土可能引起隧洞严重的破坏，加大了施工难度和施工安全风险。

从2019年8月初至2019年11月5日历时85 d，累计进尺12.5 m（5号改支0+303-5号支0-0+315.5），施工过程中掌子面多次涌泥塌方，采用顶拱超前小导管与超前直径108管棚支护等方法均以失败告终，其中“5号改支0+307.7—5号改支0+315.5”段顶拱范围内采用直径108管棚，超前灌浆支护后出现下沉，造成此段已支护完的初支全部拆除并重新扩大支护。

2019年11月10 日，“5号改支0+307.7—5号改支0+315.5”此段管棚下沉已经处理完毕，至掌子面桩号“5号改支0+315.5”处，经地质预判前方地质情况还比较复杂。针对前方地质情况确定了超前处理方案，在原管棚施工方案基础之上进行注浆加固洞周围岩。严格按照技术要求实施，确保注浆加固质量和效果。

2 超前注浆工法

5号支洞是施工二标段的“咽喉”，能否顺利贯通是标段能否顺利完工的重要条件。因此鉴于目前地质情况的复杂性，根据地质超前预报卡（编号002），并结合以往类似施工经验，拟采取以下三种施工方案。

2.1 超前水平注浆法

超前水平注浆范围：5号支洞，桩号“5号改支0+315.5—5号改支0+321.5”。

超前水平注浆的主要意图，是在隧洞外围形成一道止水层，同时加固开挖面周围及开挖中间土体，阻止地下水进入隧洞开挖范围内，及解决前期开挖过程中间土体塌方涌泥现象，使开挖在无水或少水的状态下开挖，既能保证隧洞施工安全又能避免因地下水流失造成地表沉降。

2.1.1 人员准备

选派技术水平高、操作熟练的测量人员，进行放线定位测量及对工程的轴线进行复核、检查等测量工作。

2.1.2 机械设备安排

ZML多功能履带式钻机、双液注浆机、拌合机、斗车、30装载机。

2.1.3 材料准备

主要使用材料：普通硅酸盐P.O42.5水泥、水玻

2.1.4施工工序

（1）掌子面施工

为防止注浆时地下水涌出及跑浆，在掌子面施做1 m厚的C 25混凝土止浆墙，凝固48 h后开始钻孔。

（2）钻孔

采用ZML多功能履带式钻机钻进成孔，按照注浆孔示意图钻孔，注浆孔采用全断面梅花形布置，钻孔的误差控制在1%以内，钻孔按先外圈，后内圈的顺序进行，钻孔时，严格作好钻孔记录，记录内容包括孔号、进尺、起讫时间。钻孔完毕后安装1.2 m长，直径108管作为注浆导向管（孔口外漏20 cm、保证后续钻孔角度），外圈导向管角度控制在3°。导向管外端头焊接直径108的法兰片，保证注浆过程中不漏浆。

（3）注浆

①注浆方式：在封闭止浆墙达到一定的强度后，在注浆孔内插入注浆芯管，进行前进式分段注浆。

②注浆材料及注浆参数：

注浆材料采用普通硅酸盐水泥（P.O 42.5）-水玻璃（水玻璃浓度:35 Be′）双液浆。水泥浆与水玻璃浆液比1∶（0.5～0.6）（根据现场情况进行调整）；

缓凝剂掺量：水泥用量的2%；

注浆终压：5～8 MPa；扩散半径：1.0 m；

孔口钢管直径108 mm；超前钻孔直径100 mm；

注浆方式：钻杆前进式分段注浆，每孔每次注浆长度1 m，每孔注浆长度6 m。

③注浆孔梅花形布置，共布置30根，具体布置见图1。注浆管采用φ42，壁厚4 mm的钙塑聚丙烯管，连接双液注浆机和注浆孔。

图1 隧洞超前水平注浆孔位布置图

④注浆采用前进式注浆，注浆完成一循环后，导向管内注满了双液浆，下一循环用钻机从注浆导向管重新打孔，此次打孔深度超过上一次注浆深度1 m，后续的依此类推。

⑤注浆顺序按“由外到内，由下到上，间隔跳孔”的原则进行。

（4）注浆结束标准和注浆效果评定

注浆结束标准

①注浆压力逐步提高，当达到压力值5～8 MPa稳压后，并继续注浆2 min，即可结束该孔注浆；

②注浆结束时的进浆量，一般在10～20 L/min以下；单孔注浆结束后，应用直径42阀门进行封闭注浆孔。

2.1.5 开挖

开挖土体之前拆除1 m厚的止浆墙进，观察注浆效果，掌子面没有渗水、浆液扩散均匀、围岩土体密实，满足这三个条件后，再进行开挖，开挖后支护参数采用原设计。施工至6 m后，再进行超前地质预判，根据预判情况确定超前支护形式。

2.2 密布管棚灌浆超前支护法

采用管棚施工，需要提前预留管棚扩大室（预留管棚扩大室理由：管棚机长度2～3 m，每节管棚3 m，管棚施工外插角度5°）。但是目前此段无施做管棚扩大室的空间，需要把已支护6 m段的12榀拱架进行拆除，拆除一榀支护一榀，重新支护的拱架左右两侧扩大30 cm，顶部提高50 cm，如图2。

图2 隧洞超前水平注浆孔纵剖面

管棚扩大室施工完毕后，用C 20喷射混凝土封闭掌子面（作用：防止管棚注浆过程中漏浆、跑浆），厚度30 cm。

全断面直径108密布管棚灌浆支护的管棚施工参数：单根长9 m、间距10 cm，数量107根、外插角度5°、管棚中间插入管棚钢筋笼（三根25钢筋）、浆液比1∶1，注浆材料P.O 42.5水泥、注浆初始压力0.5 MPa、注浆压力及浆液比根据现场进行调整。

管棚施工完毕待凝固后，开始正常的施工。但是考虑前段地质情况复杂，此段钢拱架断面尺寸加大紧贴管棚，拱架间距由50 cm调整为30 cm，挂网钢筋由单层调整为双层，喷混厚度由18 cm调整为30 cm，底板挤压块石，块石上面放20 mm钢板，增加整体受力。在拱架施工至管棚6 m位置时做超前预判，根据地质情况确定超前支护形式。

2.3 水平旋喷桩法

水平旋喷桩布置形式：全断面布置。采用专用设备进行超高压注浆。根据通过以往其它工程类似施工经验，全断面旋喷桩6 m的施工周期，需要45 d时间，每延米造价约30万元。

3 方案比选

3.1 安全性

（1）密布管棚灌浆超前支护，通过前期环距40 cm管棚。施工经验表明，密布管棚灌浆支护安全性一般。

（2）超前水平注浆，对于软-流塑土层，由于地层透水性差，超前水平注浆通过施加较高压力在地层中产生劈裂缝隙，浆液在高压下挤进劈裂缝隙，从而改善地层的可注性，达到注浆加固的目的，对后续的施工起到很好的安全保护作用。

（3）水平旋喷桩，通过以往类似工程经验，安全性能好。

三方案从安全性比较，水平旋喷桩最好，超前水平注浆次之，密布管棚灌浆支护一般。

3.2 工期

（1）密布管棚灌浆超前支护：长度9 m，有效长度6 m，工期需18天。

（2）超前水平注浆：施做6 m，工期需20 d。

（3）水平旋喷桩：施做6 m，工期需45 d。

三方案从工期比较，同长度下，水平旋喷桩工期最长、超前水平注浆和密布管棚灌浆超前支护工期相近，均比水平旋喷桩省近一半时间。

3.3 经济性

3.3.1 水平旋喷桩

水平旋喷桩6 m，根据类似工程经验，每延米造价约30万元左右。

3.3.2 密布管棚灌浆支护

密布管棚灌浆支护每延米预估造价（施做9 m、有效长度6 m），见表1。

表1 密布管棚灌浆支护每延米预估造价

3.3.3 超前水平注浆支护

超前水平注浆单米预估（施做长度6 m），综合造价见表2。

表2 超前水平注浆单米预估综合造价明细表

3.4 方案确定

通过三个方案的对比，虽然水平旋喷桩方案安全性最好，但是费用高，工期长，本次不采用；超前水平注浆与密布管棚灌浆支护方案相比较，虽然每延米费用略高于密布管棚灌浆支护，但是安全方面高于密布管棚灌浆支护，从安全角度考虑推荐采用超前水平注浆支护，综合比较见表3。

表3 综合性能对比表

4 结论

通过本文的分析论证，针对大同市天阳盆地地下水置换工程输水隧洞的施工难点、重点，提出了以下解决办法：

（1）施工支洞倾角较大，对于出渣及材料运输难度大，再加上主洞隧洞断面较小施工干扰较大，为确保施工工期，应合理安排施工工序消减施工干扰。

（2）针对施工中洞内排水问题，施工中根据实际情况，采取以引、排为主，截、堵为辅的方法综合进行排水，支洞排水采用梯级排水的方法。

（3）遇到塌方地段采用超前水平注浆支护，该方案实施后，能有效的提高隧洞工期、确保施工安全，加快施工进度，提高应有效益。