淺談巖溶區域洞室泥槽段開挖支護施工

(中國水利水電第四工程局有限公司西南分局，成都，610091)

巖溶區域泥槽段洞室開挖、支護施工難度大，泥槽沉積物塌陷危害大且不可預見，安全風險高，解決巖溶區域泥槽段洞室開挖、支護施工安全，保證施工進度是巖溶區域泥槽段洞室開挖、支護施工的關鍵問題。

1 工程概況

三岔河水庫左岸灌漿平洞工程，左岸防滲帷幕全長約1231.104m，左岸共設計3條灌漿平洞，其中壩左0+069.72m～壩左0+108.274m、壩左0+608.338m～壩左0+816.144m為明挖段，其余均為洞身段，其中壩左0+816.144m～壩左1+231.104m為左岸3#灌漿平洞，洞長414.96m。洞室圍巖以Ⅲ類為主，少部分IV類圍巖。平洞襯砌段開挖斷面尺寸為3.1m×4.1m(寬×高)，無襯砌段開挖斷面尺寸為2.5m×3.8m(寬×高)，襯砌斷面為2.5m×3.5m(寬×高)，斷面形式為城門洞型，頂拱為標準半圓形。

2 水庫巖溶地質情況

本工程水庫左岸發育有低鄰谷，有下壩支溝、平山沖溝和魚梁河，低谷河床高程較水庫正常蓄水位低120m～300m。在庫區左岸水落洞槽谷，受水落洞斷層(F4)影響，水落洞槽谷巖溶發育，地表巖溶洼地、落水洞呈串珠狀發育，其發育方向與F4大體一致。庫區處于龍崗向斜的北端，小谷光斷層(F1)、尖坡斷層(F2)和長麻窩斷層(F3)從庫區下游通過，水落洞斷層(F4)從庫區水落洞槽谷通過。庫區巖層總體為單斜構造，巖層傾上游偏右岸。對本工程防滲影響較大的為F4斷層。水落洞斷層(F4)發育于庫區左岸水落洞槽谷，該斷層為平移斷層，地層斷距2m～6m，接觸面多閉合。

根據庫區巖溶水文地質調查資料分析，工程區域內以碳酸鹽白云巖為主，區內巖溶發育程度除了受巖性控制外，受斷層構造控制亦較明顯。據現場地質調查，區內巖溶發育形態多種多樣，特別是左岸水落洞范圍內巖溶較為發育。庫區巖溶形態主要表現為溶溝、溶洞、落水洞和一系列大小不一的巖溶洼地及漏斗。根據巖溶發育的區域和成因進行分類統計，落水洞3個、洼地46個，對應分布面積約22km2，面巖溶率約2個/km2～3個/km2。

3 泥槽段支護工藝原理

在巖溶地區洞室開挖施工，由于巖溶發育形態多種多樣，在開挖洞室之前，巖體處于應力平衡的初始應力狀態，洞室開挖后洞壁周邊失去原有巖體的約束，圍巖向內變形，圍巖的變形與破壞因巖性、巖體結構和初始應力狀態不同而異。洞室開挖后破壞了洞室四周原有的應力平衡狀態，使洞室四周一定范圍內的巖體中應力重新分布，當巖溶槽內的泥石沉積物打破四周巖石應力平衡時，泥夾石沉積物瞬間沖出，造成人員及設備傷害。

巖溶區域洞室泥槽段開挖支護施工工法利用超前導管(鋼花管)對泥槽段土層內部進行注漿固結，灌漿的壓力為0.3MPa～0.5MPa，可提高泥槽段淺層土層應力。待強度達到施工要求后，再采用“超前錨固鋼筋+鋼筋網片+鋼拱架”組合支撐系統的方法進行，塌方段超前鋼筋錨固間距按照20cm控制，且超前錨固鋼筋的一端與已加固完成后的鋼拱架連接，在垂直洞軸線方向采用φ25mm鋼筋連接形成整體受力網片，鋼筋網片制安后及時采用鋼拱架進行支撐加固，支撐加固完成后采用C20混凝土噴護封閉，從而形成一個穩定可靠的圍護結構，避免土體下滑坍塌，形成安全施工空間。泥槽段洞室開挖施工過程中采用人工配合機械開挖，開挖采用短進尺、強支護形式向洞內掘進，在掘進0.5m后及時進行鋼拱架支護，如遇大孤石采用鉆孔、小藥量解爆。以此循環開挖施工，直至泥槽段施工完成。此工法充分利用工地現有施工材料，施工速度快，操作簡單，安全性高，確保了巖溶區域泥槽段洞室開挖過程中的施工安全，控制泥槽段每次開挖進尺長度，支護系統跟進施工，及時封閉成環，使其與圍巖共同作用形成聯合支護體系。安全順利地完成泥槽段洞室開挖支護施工。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

巖溶區域洞室泥槽段開挖支護施工工藝流程：施工準備→測量放樣→掌子面C25混凝土噴護封閉→灌漿孔鉆孔→超前導孔泥槽淺層灌漿→循環鉆孔、灌漿→鋼拱架制安→超前錨固鋼筋制安→鋼拱架制安→錨桿制安→鋼筋網片制安→錨噴支護→下一循環，直至施工至完整巖面(如圖1)。

圖1 巖溶區域洞室泥槽段開挖支護施工工藝流程

4.2 操作要點

4.2.1 泥槽淺層灌漿施工

巖溶地區洞室開挖時遇到的泥槽，多為前期流動水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行化學溶蝕作用造成，泥槽中存在較多泥夾石沉積物，可灌性較差，為確保支護時頂部起到整體支撐作用，應先采用超前導管對泥槽外部淺層進行灌漿固結，提高粘結強度。在灌漿前應先進行掌子面噴護封閉，后沿洞穹頂120°范圍內的洞輪廓線造孔安裝超前導管，導管入巖部分采用全斷面花管形式布置，導管灌漿采用分序造孔灌注的方式進行，灌漿采用純壓式灌注，灌漿壓力為0.3MPa～0.5MPa。

(1)掌子面封閉：灌漿平洞泥槽頂拱塌方段采用C20噴混凝土對掌子面、洞壁四周進行封閉，噴混凝土厚度為20cm。

(2)造孔：采用YT-28手風鉆在塌方段頂拱土石渣層進行造孔，孔徑不小于40mm，孔深為3m～6m，孔間距20cm～30cm，造孔完成后安裝5～10根長3m～6m導管(φ32mm鋼花管)。

(3)灌漿：導管灌漿需在噴護混凝土達到70%設計強度后進行灌漿，灌漿前采用壓縮空氣進行沖洗，沖凈孔內巖粉、雜質。灌漿采用P.C32.5復合硅酸鹽水泥，灌漿壓力為0.3MPa～0.5MPa，灌漿采用純壓式灌漿，分兩序進行，灌漿順序自較低端開始向較高端推進灌漿。低處灌漿時，高處孔可用于排氣、排水。當高處孔排出濃漿后，可將低處灌漿孔口關閉，依此類推，直至結束。漿液的水灰比為 1、0.5兩級，一序孔可直接灌注 0.5級漿液，灌漿停止吸漿，延續灌注 10min 即可結束。

4.2.2 組合支撐系統施工

(1)在未進入泥槽段前，首先立設3～5榀Ⅰ22mm工字鋼鋼拱架支護，鋼拱架凈間距為50cm，橫向連接筋間距為50cm，每榀采用7組φ25mm，L=2.5m的錨桿加固。

(2)在已支護好的鋼拱架上開孔，手風鉆通過造好的孔進行超前錨固鋼筋制安，超前錨固鋼筋采用φ25mm、L=6m的鋼筋，一端穿過已加固好的鋼拱架，另一端錨固在泥槽中，采用鋼筋將超前錨固鋼筋與鋼拱架加固牢靠，開始掌子面渣體清運。渣體清運采用小型反鏟或裝載機，拉運時應減少對周圍巖體的擾動，當進尺50cm時，立即進行鋼拱架制安，鋼拱架頂部將超前錨固鋼筋支撐牢固，在垂直洞軸線方向采用φ25mm鋼筋與錨桿連接形成整體受力網。泥槽段范圍內鋼拱架支撐間距為30cm，連接鋼筋間距為30cm，當泥槽段開挖至原超前錨固鋼筋長度4m時，再利用支撐鋼拱架造孔，繼續制安超前錨固鋼筋，依次循環直至泥槽段開挖支護完成。

4.2.3 噴錨、支護

灌漿平洞泥槽塌方段外側2m左右巖面鋼拱架支護完成后，采用C20噴錨混凝土進行及時噴護封閉，噴護厚度12cm。

灌漿平洞泥槽塌方段開挖按照0.5m～1.0m分段進行，每段開挖組合支撐系統制安加固完成后及時進行C25混凝土(厚20cm)噴護封閉，噴護前預留排水孔，以此循環支護，直至塌方洞段施工完成。

4.2.4 泥槽塌方段開挖

泥槽段施工時，多為泥夾石渣體，施工時采用人工配合小型機械開挖，開挖采用短進尺、強支護形式向洞內掘進，在掘進0.5m～1.0m后及時進行鋼拱架支護，如遇大孤石采用鉆孔、小藥量解爆，以此循環開挖施工，直至塌方段施工完成。

5 質量控制

5.1 測量質量控制

(1)所有測量設備必須檢驗合格才能使用，控制測量采用全站儀做導線控制網，施工測量采用全站儀進行。測量作業由富有經驗的專業人員進行測量放線、復測。

(2)開挖斷面測量誤差不大于10cm，相對于中線的誤差不大于±5cm，斷面間距為5m，對起伏較大、變徑或轉彎段適當增加測繪斷面。

5.2 泥槽段開挖、支護質量控制

(1)泥槽段洞室開挖，必須嚴格按照設計圖紙斷面進行，斷面不得欠挖，嚴禁未支護野蠻開挖，須遵循短進尺，循環支護的方式。

(2)超前錨固鋼筋制安后，立即與鋼拱架連接加固，迅速制安鋼筋網片，成為一個受力整體。

(3)鋼拱架鎖腳錨桿注漿后，在砂漿凝固前，不得敲擊、碰撞和拉拔。

(4)超前錨固鋼筋施工時，必須嚴密注意地質變化，及時調整鉆進深度。

(5)噴射混凝土作業應分段分片依次進行，噴射順序自下而上，素混凝土一次噴射厚度應現場試驗確定，并報監理人批準；分層噴射時，后一層應在前一層混凝土終凝后進行，若終凝1h后再行噴射，應先用風水清洗噴層面。

(6)泥槽段開挖終止后，鋼拱架支護還需繼續制安至少2m范圍。

(7)施工時，必須按隱蔽工程要求做好相關記錄，在質檢人員和技術負責人驗收復核后方可進入下道工序施工。

(8)加強施工過程控制，嚴格按照已批準的施工方案、方法、工藝技術參數和指標進行嚴密的監督控制。

6 安全措施

巖溶區域泥槽段洞室開挖施工以人工配合機械挖掘為主，因此施工安全問題尤為重要。除應嚴格遵照隧道或地下工程相關技術安全規范與規程外，還應重點加強以下幾點安全工作：

(1)實行班前安全教育制度，做到“安全第一，預防為主”；

(2)嚴格按照安全技術操作規程進行操作，由技術部門負責人按工序進行技術交底，合理組織勞動力，明確分工；

(3)作業地段必須保證足夠的照明。各種電氣設備和輸電線路有專人進行檢查、維修、調整等工作。所有的動力線和設置都保持在最佳的絕緣和安全狀態；

(4)應根據地質條件，采取可靠的施工方法和技術措施保持洞壁的穩定；

(5)開挖工作平臺應加固穩定，做好安全支護施工，防止在施工中頂拱及洞壁滑動垮塌；

(6)挖出的土渣或石料及時運離洞內，不得堆放在灌漿平洞內；

(7)施工現場的一切電氣作業必須由持證電工操作，所有電器設備必須有可靠的漏電保護裝置；

(8)現場設專職安全員，在施工前和施工中進行認真檢查，發現問題及時處理；

(9)加強爆破作業人員的技術培訓和安全教育，爆破員持證上崗；

(10)做好地質超前預報，在鉆孔過程時，密切關注鉆進異常情況，如出現異常掉鉆、卡鉆、進尺突然加快等情況，及時上報。

7 結語

針對巖溶地區泥槽段安全風險大，處理時段較長的特點，本處理方法在三岔河水庫工程左岸巖溶區域灌漿平洞泥槽段洞室開挖的成功應用，為本工程的設計和施工提供了非常有價值的指導，保證了施工作業人員的安全，節約了工程成本，為實現安全施工、環境保護、控制工程成本、保證項目的按期完成起到了重要的作用，取得了較好的社會效益。可為類似地質條件的工程提供參考和經驗，在其它類似工程中予以借鑒和推廣應用，這具有較大的應用價值和社會效益。