不良地質段超大斷面隧洞管棚支護施工技術

李國亞 賈平

中國水利水電第八工程局有限公司 湖南長沙 410004

1 工程概況

夾巖水利樞紐工程庫尾伏流工程位于大壩上游，貴州省赫章縣平山鄉六沖河河段，距大壩直線距離約40km，距畢節市約70km，距赫章縣約50km，平山至畢節和赫章有G326 國道及畢威高速通過，交通條件較好。庫尾伏流工程小天橋泄洪工程由2條泄洪隧洞組成，隧洞斷面均采用城門洞型斷面，斷面尺寸12×16.5m，頂拱中心角120°。泄洪隧洞為3 級建筑物，設計洪水標準為20年一遇，小天橋設計流量為1720m3/s。

小天橋段槽谷長約700m，最低處為河床，高程1278m，槽谷內最高處高程1364m，槽谷寬70～130m。已查明槽谷地形為古河床，小天橋伏流河段古河床槽谷內存在古崩塌堆積體，槽谷內普遍分布深厚覆蓋層，成分復雜，地表為坡積物及崩塌堆積物，成分為大塊石(巨石)及碎塊石等，結構松散。根據圍巖不同，開挖寬度12.76～14.0m，開挖高度16.87～18.3m。

2 不良地質洞段存在的主要問題

小天橋泄洪隧洞不良地質洞段主要為大塊石、巨塊石堆積體，其間充填碎塊石、粘土，局部存在大塊石架空、小空腔，洞頂垮塌嚴重，洞室不規則，洞頂及邊墻塊石為極不穩定狀態。比如在小天橋1#泄洪隧洞開挖至樁號0+403掌子面時，地質狀況均為松散塊狀堆積體大塊石，其間充填碎石粘土，因其形成年代久遠，有一定的重力固結及溶鈣物膠結，僅可短期自穩。從樁號0+403開始，根據設計現場查勘意見采用Ⅴ類圍巖雙層工字鋼開挖支護形式掘進至0+413.5時，洞頂出現垮塌，垮塌后空腔內均為大（巨）塊石，可見大塊石架空，局部見鈣化物膠結現象。在小天橋2#泄洪隧洞開挖至掌子面樁號0+356時，地質狀況同樣為松散塊石堆積體，其間充填碎石粘土，0+348～0+352按照設計現場勘察意見采用IV類偏差圍巖的方式進行支護，0+352～0+356段圍巖鑒定為Ⅴ類，0+356掌子面于2016年11月洞頂出現局部垮塌，垮塌后空腔內均為大（巨）塊石，可見大塊石架空現象，局部見鈣化物膠結現象，按照設計地質專家推測，隧洞已進入河槽崩塌堆積體范圍。

圖1 小天橋1#泄洪隧洞0+413.5m 塌方

圖2 小天橋2#泄洪隧洞0+356m掌子面圍巖

3 針對不良地質條件采取的監控措施

（1）通過對開挖出來的掌子面圍巖地質情況進行分析，采取測量監測的施工方法，對其安全穩定性進行監測；（2）通過采用掌子面地質素描手段，在初步設計提供的地質資料的基礎上進行實地調查核實，以確定隧洞的地層、巖性、巖層產狀；（3）通過和設計資料的對比、分析，為隧洞掘進提供地質情況預報。掌子面地質素描在隧洞開挖作業每一開挖循環后立即進行，根據掌子面暴露巖層的層理、節理、裂隙結構狀況、巖體軟硬程度等方法，判斷開挖前方的地質情況，若有異常情況，及時根據現場實際情況制定相應的處理措施。

4 針對不良地質洞段的開挖支護設計

頂拱及側墻噴射厚度20cm；鋼筋掛網采用HPB300級鋼筋，鋼筋直徑8mm，間排距20cm。系統錨桿采用水泥砂漿錨桿，桿件選用HRB400級螺紋鋼筋，錨桿直徑25mm，頂拱及側墻系統錨桿長6.0m，底板系統錨桿長4.5m/3.0m，長短錨桿間隔布置。鋼支撐采用I20b工字鋼，環向間距0.5m；每榀鋼拱架采用12對長6.0m、直徑Φ25的砂漿錨桿錨固；洞軸線分布鋼筋采用HRB400級螺紋鋼筋，錨桿直徑25mm，間距1.0m，與環向工字鋼點焊連接。超前錨桿支護采用水泥砂漿錨桿，桿件選用HRB400級螺紋鋼，錨桿直徑Φ32mm，錨桿長9.0m（深入巖體8.7m），環向間距5°（間距75cm），洞軸向排距7.5m，孔向與洞軸線夾角5°，搭接長度1.5m。超前管棚支護采用Φ108×6mm注漿大管棚，大管棚布置在隧洞頂拱120°范圍，鋼管間距40cm，每個循環段長度15m，搭接長度1.5m；外傾角5°；大管棚鋼管內設置4根HRB400級Φ16螺紋鋼組成的鋼筋束；鋼管選用高頻淬火無縫鋼管Φ108mm，壁厚6mm，每節長1.5m、3m，各節間采用絲扣連接；水泥砂漿注漿壓力初定為0.5～1Mpa，注漿量按150kg～200kg/m控制。

5 管棚施工方法

5.1 管棚工作室施工

不良地質洞段由于圍巖自穩性差，在管棚段施工前，確定管棚工作室位置尤為重要。在小天橋泄洪隧洞不良地質洞段管棚施工時，為便于架設鉆機，安設鋼管，管棚工作室斷面擴挖至設計開挖線以外1m，工作室長度4m。工作室段采用單層I20b鋼拱架支撐，間距0.5m，掛網、噴射20cm厚混凝土支護。

5.2 鉆孔施工

（1）鉆機就位。鉆機就位前，先將鉆機施工區域內的基礎進行夯實、平整，確保在鉆進過程中鉆機不發生傾斜、下沉或滑動。鉆機的底板采用水平尺或水準儀將其調平。鉆臂的仰角與設計仰角保持一致。鉆機采用JK580履帶式液壓鉆機。

（2）鉆進。施鉆時，鉆機大臂必須緊貼掌子面，以防止過大顫動，提高施鉆精度。鉆機開孔時鉆速宜低，鉆深最少100cm后轉入正常鉆速。施鉆過程中，由于不良地質段的長度不確定，因此在施鉆過程中鉆孔記錄要詳細。

5.3 管棚跟管施工

（1）跟管工藝：鉆頭推進時套管直接跟進，管棚一次成型，達到本節鋼管的最大行程，退鉆、接桿、接管后，繼續跟管鉆進直至達到孔深。

（2）接長管件材質滿足管棚受力的要求，相鄰管的接頭前后錯開，避免接頭在同一個斷面受力。

（3）封閉鋼管尾部先用麻布條封堵管棚鉆孔空隙，然后用環形楔環頂緊，最后用電焊將楔形環焊接在管棚上。

（4）跟鉆鉆進施工過程中，如出現鉆孔深度較深，受大塊石之間孔隙影響，鉆孔向下傾斜，跟管操作不了時，可及時采取先灌注水泥砂漿固結，達到一定強度后，再次跟管鉆進，保證鉆孔角度及深度。

5.4 鋼筋束施工

（1）鋼筋束采用4根縱向Φ16鋼筋制作，長度7.5m，與環向Φ6.5鋼筋焊接，環向鋼筋間距50cm。鋼筋籠半徑36.5mm。制作完成后，在鋼筋束首尾端各采用Φ6.5鋼筋焊接一個“十字”與鋼筋籠點焊，防止鋼筋束直接與無縫鋼筋接觸，保證注漿管路不堵塞及注漿效果良好。

（2）鋼筋束鋼筋選用無銹蝕、無油污、無鐵銹的鋼筋，鋼筋有銹蝕的使用前要除銹，除銹采取人工用鋼絲刷方法除去鋼筋表面的銹斑、銹漬。

（3）鋼筋束鋼筋選用平直、無局部彎折的鋼筋材料，對彎曲的鋼筋調直后使用。調直采用冷拉或調直機調直，冷拉法多用于箍筋的調直，采用冷拉法調直時應勻速慢拉，Ⅰ級鋼筋冷拉率不得大于2%，Ⅱ級鋼筋冷拉率不得大于1%。主筋端部彎折無法調直，采用無齒鋸切割[1]。

5.5 鋼筋束安裝

鋼筋束骨架在鋼筋加工廠整體制作加工成型。鋼筋束主筋接頭要錯開，在每一截面上接頭數量不得超過50%，按設計要求的鋼筋位置布置好箍筋，箍筋間距50cm。箍筋與主筋連接采用焊接。成型后的鋼筋束自檢合格后報監理工程師驗收，驗收合格后掛牌置于專用場地，采用下墊上蓋存放，妥善保護。鋼筋束采用20t自卸汽車運至施工現場，在工作面利用挖掘機吊放安裝。

5.6 注漿方式

注漿采取“控制性充填灌漿方式”，即單孔分3次間歇性灌漿，第1次注入純水泥漿（水灰比0.5：1，灰量以300kg控制），間歇20～30分后，進行第2次純水泥漿（水灰比0.5：1，灰量以300kg控制）注入，間歇20～30分后，進行第3次注漿，采用M30高流態水泥砂漿（灰量以300kg控制）且必須保證Φ108鋼花管內砂漿灌滿。

5.7 注漿

（1）安裝好有孔鋼花管、放入鋼筋籠后即對孔內注漿，漿液由ZJ-400高速制漿機拌制。

（2）采用注漿機將漿液注入管棚鋼花管內，注漿應滿足要求，若注漿量超限，未達到設計要求，應調整漿液濃度繼續注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍空隙充填飽滿。管棚注漿順序原則上遵循著“先兩側后中間”、“跳孔注漿”、“由稀到濃”的原則。注漿施工由兩端管棚鋼管開始注漿，跳孔進行注漿施工，向隧道拱頂鋼管方向推進，開始時注漿的漿液濃度稍低，逐漸加濃至設計濃度。有利于注漿的漿液向拱頂方向擴散。

6 結語

夾巖水利工程庫尾伏流工程小天橋泄洪隧洞洞室開挖支護是在地質條件復雜、古崩塌堆積體中成功實施的范例。不良地質洞段開挖通過采用“短進尺、弱爆破、強支護、勤監測、多循環”的施工工藝，保證了隧洞開挖的正常進行；通過增加超前管棚支護，有效解決了古崩塌堆積體不良地質洞段的塌方、掉塊等問題，保證了洞室開挖的施工安全和洞室穩定；本文對超大斷面洞室不良地質開挖、支護的施工技術和經驗總結，可為今后類似不良地質條件下的隧洞開挖、支護施工提供一定的參考和借鑒。