隧道穿過特大特長地質斷層施工工藝探索

徐 茂 華， 鄭 元 凱， 何 林 智

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川 成都 611130)

1 概 況

拉哇水電站位于金沙江上游川藏河段，是金沙江上游13級開發方案中的第8級，屬一等大(Ⅰ)型工程，發電為主，總裝機容量2 000 MW，多年平均年發電量90.89億kWh(梯級聯合)。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、地下輸水發電系統等組成。⑧隧道位于西藏昌都市芒康縣，是電站⑧道路上的一座長隧道，設計為單洞雙向行車隧道，隧道建筑限界9.5 m×4.5 m。⑧道路起點接②道路隧道K2+430處，終點連接至泄洪放空洞進口平臺，⑧道路沿線地表多基巖裸露，出口段約100 m地表為崩坡積物。

2 圍巖開挖和支護參數調整

在常規隧道開挖過程中，嚴格按“新奧法”施工工藝，做到“超前地質探測、超前支護、短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、勤觀測、及時支護”。根據隧洞圍巖地質條件，Ⅲ類圍巖采用全斷面開挖施工，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用小導管超前支護和分臺階開挖的施工方法。初期支護應緊跟開挖掌子面，開挖一段、支護一段。每段開挖后，先噴3～5cm厚度的混凝土，封閉開挖面，然后，再根據設計支護類型，支立格柵鋼架支撐，布掛鋼筋網，錨固錨桿，最后噴混凝土。

根據⑧道路工程施工圖設計上相關設計要求，明確了Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖的開挖、支護參數：

Ⅲ級圍巖臨時洞段支護參數：初期支護采用10～12 cm厚C20噴射混凝土、φ6@25 cm×25 cm單層鋼筋網、C22砂漿錨桿(L=3 m)，環×縱間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；無二次襯砌。

Ⅳ級圍巖洞段支護參數：初期支護采用24 cm厚C20噴射混凝土、φ6@20 cm×20 cm單層鋼筋網、C22砂漿錨桿(L=3 m)，環×縱間距1 m×0.8 m(或1 m)，梅花形布置，H15.5 cm×15.5 cm格柵鋼架，間距80 cm或100 cm；二次襯砌采用厚50 cm C30混凝土、超前支護采用φ48 mm、@3.5 mm注漿小導管(L=4.5 m)，間距40 cm，頂拱110.5°范圍施工，縱向排距3.2 m或3 m，外插角12°。

Ⅴ級圍巖洞段支護參數：初期支護采用24 cm厚C20噴射混凝土、φ6@20 cm×20 cm單層鋼筋網、Φ25 mm中空注漿錨桿(L=4.5 m)，環×縱間距1 m×0.6 m(或0.8 m),梅花形布置，H15.5 cm×15.5 cm格柵鋼架、間距60 cm或80 cm；二次襯砌采用厚60 cm C30混凝土、超前支護采用φ48 mm×3.5 mm注漿小導管(L=4.5 m)，間距40 cm，頂拱110.5°范圍施工，縱向排距3 m或3.2 m，外插角12°。

在斷層帶中，隧道開挖采用環形預留核心土法結合三臺階七步開挖法施工，臺階步間距控制在1B～1.5B(B 為開挖跨度)，每次開挖進尺不大于0.5 m。預留核心土法三臺階開挖見圖1。

圖1 預留核心土法三臺階開挖示意圖

間距調整為0.3 m，拱架之間采用C22的縱向連接鋼筋，環向間距1 m，每榀鋼架布設16根C22、L=4.5 m的鎖腳錨桿，噴混凝土厚度調整為26 cm，其余參數不變。開挖過程中，每榀拱架應及時接至完整基巖上，或者在拱架底部設混凝土基礎，保證拱架結構穩定。

3 掌子面封閉及塌腔回填

在施工過程中，開挖至K0+709樁號時，出現塌方現象，由參建各方現場勘察后，發現該段圍巖穩定性較Ⅴ級圍巖差。針對這種情況，先對掌子面進行封閉后，進行塌腔回填。后續開挖施工，采用大管棚[1]“跟管鉆進”施工，順利跨越塌方段。

為防止在塌腔混凝土回填施工過程中混凝土漿液滲出渣體而影響渣體固結效果，同時便于觀察混凝土回填過程中渣體變形情況，對掌子面塌方渣體表面采用12 cm厚C20噴射混凝土進行封閉。在K0+709樁號位置設置堵頭模板，預埋排氣孔，采用C20一級配泵送混凝土進行塌腔回填，控制澆筑速度，防止二次坍塌。塌腔回填完成后，為保證回填質量，現場采用0.7∶1水泥漿(減水劑摻量1.2%)進行注漿，注漿順序從兩側邊墻向拱頂、從孔底到孔口，壓力為1 MPa。

4 管棚施工與小導管超前支護的比較

4.1 管棚施工

在⑧道路隧道K0+711.5～K0+713樁號段，設置截面尺寸為150 cm×50 cm導向墻(內設4榀I18工字鋼和導向管，C25混凝土結構)，混凝土澆筑完成等強72小時后開始管棚鉆孔施工。

管棚的施工流程為：施工準備→搭設鉆孔平臺→鉆機定位→鉆孔→清孔→下管→注漿[2]。

管棚設計參數為：20 m一個循環，環向間距40 cm，外插角3°，一環33根；管棚根部(靠近開挖掌子面)3 m采用R780高強地質管，其余采用DZ40高強地質管，管棚鋼管前部(靠導向墻側)7 m按照間距30 cm梅花形設置注漿孔(孔徑15 mm)，為增加管棚剛度，在管棚內設置4根C20鋼筋束，管棚注漿采用M30水泥漿液，同時在漿液中摻入1.2%的減水劑，注漿壓力為0.5～1 MPa，終壓為1 MPa。

由于塌方體為松散堆積體，管棚施工完畢，在塌方體開挖前，采用超前小導管對塌方渣體注漿膠結，避免開挖過程中塌方體發生二次坍塌。

管棚施工完成后，掌子面開挖采用預留核心土的方式，組織⑧道路隧道K0+711～K0+720塌腔體段的開挖施工。施工使用機械開挖，可減少不必要的爆破作業對塌腔體及周邊區域的圍巖擾動，并嚴格遵循周邊開挖一循環和拱架支護一循環，然后中部預留核心土的開挖施工組織方式。采用管棚超前支護安全并順利地跨過了⑧道路隧道塌腔體部位，保證了塌腔體部位的正常開挖、支護施工安全及成型洞室的結構穩定和安全。

4.2 小導管施工

由于大管棚施工時，掌子面開挖須暫停施工，待大管棚施工完成、灌漿強度達到要求后才能開始后續的開挖施工，采用管棚施工周期長，且費用高[3]。因此，在大管棚實施完成一個循環，并穿過塌方段后，采用超前小導管+超前錨桿的方式代替大管棚進行后續剩余Ⅴ類圍巖洞段的開挖施工。超前小導管具體參數如下：

(1)小導管采用Φ48 mm厚3.5 mm的無縫鋼管制作，按設計圖紙要求進行加工，長4.5 m，每環搭接長度1.5 m。

(2)在開挖和超前支護鉆孔過程中，若發現局部存在較大塊體結構，則采用雙層小導管超前支護(超前小導管的孔間距等相關參數保持不變)。

(3)在開挖和超前支護鉆孔過程中，揭露前方掌子面為巖石膠結性狀差(類似松散堆積體)，將小導管循環間距由設計的3 m調整為1.5 m，孔間距由設計的40 cm調整為25 cm。

超前支護施工參數調整后，采用小導管超前支護使開挖不停頓，支護及時跟進，在保證安全的前提下有序推進了隧道的開挖及支護施工。

5 施工過程中的監測輔助措施

正常開挖施工過程中，采用地質雷開展超前地質預報工作[4]，對開挖前的地質進行探測，確定開挖施工參數，保證開挖安全。

⑧道路隧道K0+709段塌方后，在開挖施工過程中，現場開展了凈空水平收斂量測[5]與全站儀相結合的方式，在現場設置固定檢測點，定期對檢測點數據進行復核，并將現場量測結果與理論預測值相比較，對初期支護的受力情況進行判斷。通過量測積累數據變形及收斂趨勢判斷施工對圍巖的影響程度，以決定對其采取何種保護措施。在初期支護順利完成后，及時安排仰拱及二襯施工以確保隧洞的長久安全。

6 結 語

實踐證明，隧道開挖施工應通過地質超前預報對開挖掌子面的圍巖條件進行勘查，并根據不同的圍巖條件選擇與地質條件相對應的開挖施工工藝。

實踐證明，大管棚的施工工藝適用于穿越跨度較大的塌腔體部位，能夠有效避免開挖穿越塌腔體部位時發生二次坍塌而影響到隧道結構穩定及施工安全。

超前小導管施工工藝適用于隧道圍巖相對均質的洞段，采用超前小導管注漿可對掌子面巖體進行注漿加固，能提高巖體的承載能力，從而提高開挖成型洞室的臨時結構穩定，保證有足夠的時間完成拱架及初期支護施工，保證開挖成型洞室結構穩定及施工安全。超前小導管施工能夠保證地下洞室開挖和支護施工的連續性，對承包人施工組織安排有利。但是，若遇到大跨度的斷層或粒徑較大的塊體，則應采取不同的超前支護措施。如遇到大跨度斷層則采取管棚支護的形式更為穩妥，如遇粒徑較大的塊體則可在超前小導管的基礎上輔以超前錨桿的方式跨越。

總之，不同的地質條件應采用不同超前支護參數，同時輔以超前地質預報和洞室圍巖變形監測等手段，方可保證地下洞室結構穩定及施工安全。