上果園隧洞后段變形段施工技術總結

姚國平，文 凱

（中鐵五局集團第一工程有限責任公司，湖南長沙 410117）

1 工程簡介

1.1 工程概況

云南省滇中引水工程由石鼓水源工程和輸水工程組成，其中輸水工程總長約664.236km，劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段6段。

大理Ⅰ段施工6標起止樁號DLⅠ91+206.00～DLⅠ112+429.00，全長21.223km，涉及的受水區有大理白族自治州洱源縣及大理市，沿線經鄧川、上關、雙廊等鄉鎮。本標段設置支洞0.657km/2 座，其中老馬槽隧洞1#施工支洞(長0.346km)。

上果園隧洞地質主要巖性為微新狀粗面安山巖夾凝灰巖層，巖石強度：粗面安山巖Rb一般50～60MPa，巖體完整性差，結構面平直粗糙充填巖屑，部分充泥；凝灰巖Rb一般5～15MPa，較破碎，結構面多平直光滑充泥；地下水狀態：預測洞內(裸洞)主要為線狀流水，凝灰巖洞段滲滴水；強度應力比一般大于2，凝灰巖洞段小于2。

隧洞基巖主要為二疊系玄武巖組第8 段(Pβ8)粗面安山巖夾凝灰巖，總體呈微新狀態，局部可能發育富水風化囊，囊內巖體破碎。巖流面走向與洞軸線總體成大夾角相交，巖流面緩傾為主，局部中傾，傾角一般20°～40°。粗面安山巖中裂隙發育，巖體總體較破碎，凝灰巖強度低，且遇水易軟化。該段圍巖主要Ⅳ類，部分Ⅲ1類和Ⅳ類，凝灰巖洞段一般為Ⅴ類，總體成洞條件較差、部分差，隧洞開挖過程中易在項拱產生掉塊塌方現象，尤其是凝灰巖出露與洞室頂拱時極易垮塌，此外，由于圍巖裂隙較發育，裂隙和巖流面可能組合形成易垮塌掉塊的隨機塊體。局部洞段粗面安山巖可能發育柱狀節理，開挖后圍巖易卸荷松弛，穩定性差。粗面安山巖總體富水且弱透水，而凝灰巖隔水，在隧洞開挖揭穿凝灰巖或富水風化囊時，則易發生突水突泥現象。

1.2 變形段

變形位置位于上果園隧洞DLⅠ094+430.1～DLⅠ094+418.1 左線拱部，2020 年12 月24 日凌晨4:30 左右掌子面出渣完成后出渣車司機發現洞內左線出現裂縫，至5：00 洞內值班人員發現拱部裂縫持續增大且鋼架出現整體下沉，為保證施工安全，及時撤出掌子面所有人員及設備；5：30 鋼架變形增大至1.5m 左右，且鋼架發生持續變形；6：00 鋼架下沉至2.0m 左右，DLⅠ094+430.1左線拱部內凝灰巖及散碎石塊溜出約15m3，見圖1。工區立即組織人員機械對掌子面及變形段采取反壓回填措施，防止再次出現拱部垮塌。該處隧洞埋深約320m，圍巖類別為Ⅴ類，根據現場揭露情況，左線巖性為玄武巖夾凝灰巖，右側為玄武巖，掌子面軸線處偏左為凝灰巖隔水層，滲水主要為右側玄武巖內的夾層及大量裂隙水，凝灰巖遇水變軟，巖石破碎，圍巖無自穩能力，右側及中線拱部有大面積滲流水，最大涌水量達到280m3/h。

2 人員及機械設備配置

2.1 人員配置

為滿足現場施工要求，項目部及工區管理人員配置，見表1，班組人員配置，見表2。

表1 項目部及工區人員配置表

表2 施工班組人員配置表

2.2 機械設備及材料配置

為滿足施工要求，應對施工中可能的突發情況，投入主要機械設備、材料，見表3。

表3 機械設備、材料投入表

3 超前支護措施

3.1 變形段

對現有初支斷面進行復測，對侵限段初支進行反壓回填，見圖2；掌子面采用C20 噴射混凝土封閉，掛?8@0.15m×0.15m 鋼筋網片，厚度0.2m。在左線垮塌及溜塌空腔內預埋3根?100mm鋼管，溜塌處前后2m處拱頂打設2 根?100mm 鋼管，待回填反壓至頂后噴砼封閉掌子面，采用車載泵泵送C20 混凝土至空腔填充滿。待混凝土初凝完畢后（間隔8h），在線左溜塌空腔處打設?42mm 小導管，間距0.3m，長度6m，排距3m，外傾45°～60°，采用單液漿（水泥凈漿）進行超前固結灌漿。施工過程中嚴格執行施工工藝，注漿初始壓力為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa。每孔的注漿壓力達到2.0MPa 時，繼續保持10min 以上后可以結束注漿。將空腔內空隙填充密實。

注漿完成后待漿液達到一定強度（間隔8h）重新開挖后進行換拱處理，換拱堅持一循環兩榀的原則（便于半剖工字鋼連接施工），拆裝要及時，拆除后保證30cm的預留變形量而后立即進行鋼拱架安裝，安裝完畢后線左鋼拱架采用?76mm鎖腳錨管，長度8m，縱向連接筋調整為半剖工字鋼。拱架安裝時由于拱腳為軟弱圍巖，易下沉，因此需采用I22工字鋼進行支墊。

待上述工作全部完成，并到達一定強度后，拱部180°范圍內采用徑向固結灌漿，灌漿深度6.0m，采用?42mm×3.5mm 小導管注漿，灌漿孔間排距1.5m，梅花型布置。灌漿過程中密切觀測初支面變形情況，出現異常及時增加臨時橫撐等加固措施。徑向固結灌漿結束后施作排水孔。

3.2 三臺階法施工

上臺階高度5.62m，中臺階高度3.16m，下臺階高度2.5m，見圖3。上臺階鋼架為三節A單元，中臺階為兩節B 單元，下臺階為兩節C 單元，底板為兩節D 單元。根據現場地質情況線右為玄武巖及粗面安山巖，巖體整體性較好，穩定性較好，換拱完成后先施工線右中臺階。為了不擾動線左變形段，開挖時采用弱爆破或者機械開挖。中臺階施工每循環2榀，鎖腳錨桿采用?25mm砂漿錨桿，長度6m。線右中臺階施工完成5m后再施工線左中臺階，由于線左變形較大因此線左開挖盡量不采用爆破，采用機械開挖。中臺階施工每循環2 榀，采用?76mm 鎖腳錨管，長度8m，縱向連接筋調整為半剖工字鋼。下臺階施工與中臺階施工一致。底板施工每循環6榀，采用簡易棧橋施工，開挖后及時進行支護封閉成環。為保證后續襯砌施工，下臺階施工完成后在下臺階增設排水孔，上臺階出水孔沒水后再進行止水灌漿。

4 排水措施

針對該變形段及凝灰巖風化囊的排水措施，需注意的幾個原則是：反壓體拱腳不過流、拱頂不受壓、掌子面不受壓，水流沖刷反壓體拱腳會造成拱腳失穩易發生二次變形，拱頂受壓存在拱架變形或崩垮的風險，掌子面受壓則可能造成更大的變形甚至涌水。

為解決這三個問題，先后在掌子面下方、拱頂、邊墻等部位鉆設了多個排水孔，見圖4、圖5；并在掌子面埋設多根?150mm 排水管引排掌子面流水，實施結果表明有效，掌子面超前管棚的水流由于下方的排水孔而停止流水，說明此段洞室的水是貫通的，可以將水完全向下方引排；同時對掌子面方向流出的少量滲水采用水溝引排，不讓水流沖刷反壓體拱腳；不過需注意的是，凝灰巖遇水變軟弱，極易塌孔，排水孔打設完成后應立即埋設排水管。下臺階施工完成后在下臺階增設排水孔，將水位降低，將水引入排水溝內。

5 施工中的注意事項

5.1 加強各項監測、觀測

除了加強常規（收斂、沉降、流量等）的監測外，對其可能涉及的隱患部位也要進行加強，如水質、噴射混凝土是否開裂等，尤其在進行施工時，拱部是否有異常聲響及水量水質的突變是施工觀測的重中之重。施工前、施工中、施工后的監控量測是變形段施工中的重點，是指導現場施工的一個重要參數。

5.2 資源準備充足

在處理地質災害時，時間就是生命、就是金錢，所以面對可能發生的地質災害，在前期就要將所可能需要的物資、設備準備齊全，比如沙袋、抽水泵、模板、網片、管棚、注漿小導管、潛孔鉆機、注漿機、輸送泵等等，不能等災害發生后，再去準備。

在施工過程中，在開挖將結束時噴射混凝土就必須到場準備，一是保證在開挖完成后立即噴射混凝土及時封閉開挖面，二是在鋼架安裝完成后及時進行噴射混凝土施工，以盡可能在短的時間內對開挖的臨空面進行支護封閉并承受圍巖的變形力。

5.3 變形段施工

（1）成立應急管理小組，加強預防突發事故的演練，確保對出現大變形甚至涌水等地質災害時能及時有效應對。

（2）施工步驟要明確，遵循先探后挖、先注后挖、先排后挖、及時支護原則。

（3）用電必須規范。現場值班人員及專職電工必須加強巡視檢查，對發現的隱患必須及時處理，確保用電安全。

（4）支護成環一段距離后，必須進行徑向固結灌漿施工，固結開挖面以外的巖層，確保施工安全，以防“關門”事故發生。（5）監測人員在洞內值班，及時進行監測，發現異常及時通知現場操作人員迅速撤離至安全位置。

6 施工總結及建議

（1）凝灰巖是由火山噴發后的火山灰而成，軟弱、破碎、無結構性，且具有隨機存在的特性，施工中遇到凝灰巖巖層時，發生地質災害的可能性大大增加；但當下常規的超前地質預報（TSP、TGS、地質雷達等）方法的可靠性并不高，所以超前探孔的重要性不言而喻，超前探孔能更直觀地了解前方的巖層結構，從而對施工可以更具有針對性。因此，必須加強超前探孔施工，并將其納入工序進行管理。

（2）對隧洞中凝灰巖風化囊的開挖，應做好監控量測、超前支護、排水孔、初期支護加強，最主要的是安全施工，不可盲目追求進度而大面積、大進尺開挖，必要時還應縮小開挖斷面以加快初支成環封閉時間。

（3）遇到因凝灰巖遇水膨脹而造成的鋼拱架變形應及時進行回填反壓，并及時對掌子面進行封閉，采用“超前固結灌漿+徑向注漿”的方法對變形段進行注漿加固處理。

（4）換拱過程中應實時監測，出現異常應及時撤出機械設備，保證施工安全。換拱前應先施工超前小導管等超前支護措施，防止因換拱造成的后續洞段的變形及垮塌。拱架拆除堅持“少用機械，人工拆除，不損連接”的原則，拱架拆除前應采用增加鎖腳錨桿及臨時連接筋的措施加強未變形拱架的支護，拆除過程中盡可能保證鋼架連接處的可靠性。

（5）對于軟弱圍巖換拱時對拱腳應采用混凝土塊或者型鋼進行支墊，為加強拱架整體性應增加連接筋數量或者換成半剖工字鋼等進行連接。鎖腳錨桿在支護中起到至關重要的作用，因此要對鎖腳錨桿進行加強，改為鎖腳錨管并加長，鎖腳錨管應深入基巖0.5～1.5m，并對鎖腳錨管進行注漿加固。

（6）變形段施工過程中不能操之過急，所有工序施工完成后必須待混凝土及水泥漿液達到一定強度后再進行下一循環的施工，進行下一循環施工的同時對已成型段進行徑向注漿加固。徑向注漿達到一定強度后再打設排水孔，避免水滲入凝灰巖層再次膨脹應力增加造成二次變形。