不良地質洞段主支交匯處施工技術

寇文博

（中國水利水電第五工程局有限公司第一分局，四川 成都 610066）

1 工程概況

1.1 工程概述

大巍頭山輸水隧洞工程作為臺州市引水工程9 段輸水隧洞工程的一部分，起點為茅畬鄉東北側的上書苑附近山體，沿山體向東布置，依次穿過百家尖、小毛田后在上寥村西側出洞。輸水隧洞總長輸水隧洞主洞長6.62 km（大洞0+000 m～大洞6+620 m），為馬蹄形，設計斷面為3 m×4.5 m（寬×高）。寺前鄭村西側布置一條施工支洞，長度為0.64 km，縱坡為5%。寺前鄭施工支洞設計洞長640 m，與主洞交匯點樁號為東4+306 m，設計斷面為5.3 m×5.2 m （寬×高）的城門型。洞身為反坡，坡度為5%，洞口與主洞高差為29 m。

主支交匯處自寺支0+586 m開始隧洞地質情況變差、圍巖破碎已按V類支護形式。至寺支0+635 樁號后隧洞圍巖情況繼續變差，圍巖破碎成強風化狀態，并伴有滲水。以衛星地圖查看隧洞位于該處凌云水庫上游入庫沖溝底部。

1.2 工程地質

該處位于F103 斷層影響區域，F103 斷層N53°～70°E走向，唐山王—嶺里斷裂的中段與北東端，在北東端局部為第四系掩蓋，北東端傾角近于直立，擠壓破碎帶寬20 m左右，于樁號4+400 處從大巍頭山腹部穿過，斷裂兩側侏羅系上統諸暨組a段巖石普遍硅化。根據現場開挖實際揭露圍巖地質情況揭露該處的圍巖為凝灰質粉砂巖，破碎成強風化狀態，并伴有滲水，圍巖存在遇水軟化現象[1]。

1.3 施工區周邊環境條件

根據衛星地圖及現場查看該主支交匯處地表為凌云水庫入庫3條沖溝交匯處。根據施工現場推斷該處為F103 斷層（N53°～70°E）邊緣段及該處沖溝底部不利切割交叉處。詳見圖1主支交匯處地形圖。

2 總體施工方案

由于該處圍巖破碎，膠結差，同時伴有滲水。斷層帶為強風化粉狀巖，個體粒徑小、相互間黏結差、巖質軟穩定性極差，不具備主支交匯條件。若重新選擇主支交匯地點必將影響施工進度，為保證臺州引水工程施工順利進行，在業主、設計、監理、施工單位多次現場察勘后確定小導洞+加強支護等措施。為保證施工安全，利用超前小導管注漿進行超前預固結施工。預先穩定前方巖體，再進行開挖施工。

總體施工方案:采用導洞先行→導洞橫向拱架支護→導洞縱向拱架支護→割除橫向拱架拱腳→進行主洞方向開挖支護及相應的超前支護相結合的思路。總體開挖支護順序為：寺前Ⅰ區開挖支護→Ⅰ區開挖支護→Ⅱ區開挖支護→Ⅲ區開挖支護→寺前Ⅱ區開挖支護。開挖施工順序見圖1主支交匯處施工程序圖。

圖1 主支交匯處施工程序圖

2.1 寺前鄭施工支洞段施工

寺前鄭施工支洞段目前已開挖至樁號寺支0+635 m段，I16 拱架支護至0+632 m處，原設計施工思路為在寺支0+632 m處做為下游段轉彎起點，寺支0+635 m處作為上游轉彎起點。由于地質圍巖發生變化，根據設計圖紙自寺支0+627 m開始進行隧洞下游轉彎，相應的支護拱架變為I20 a且支護形式發生變化。

為保證主支交匯處能夠及時進行施工，并保證施工安全。計劃自寺支0+627～寺支0+632 m處I16 工字鋼支護暫不處理。等到主支交匯處開挖支護完成后再進行該處擴挖及鋼拱架支撐拆除更換施工。目前在寺支0+630 m處開始按照設計圖轉彎半徑及擴挖尺寸進行開挖，并按照設計圖進行支護施工。

2.2 Ⅰ區開挖支護

寺前鄭施工支洞最后三榀I20 a加強鋼拱架，施工完成后，利用超前小導管灌漿進行超前預固結。預固結完成后在水泥漿液與周圍巖石土體達到設計強度后再進行Ⅰ區開挖支護。主支交匯處開挖支護見圖2 主支交匯處開挖支護圖。

圖2 主支交匯處開挖支護圖

Ⅰ區開挖支護按照設計圖紙要求進行輪廓尺寸控制，頂拱中心位置由5.2 m逐漸增加至6.2 m并于主洞內側邊墻連接。兩側由頂拱中心逐漸降低至5.2 m高程，保證開挖輪廓線平順。隧洞開挖過程中嚴格控制單循環開挖尺寸，采用預留核心土的開挖方式，對于軟弱圍巖盡量采用挖機+破碎錘進行開挖；挖機開挖困難地段采用小藥量短進度（單循環進度不大于0.5 m，地質結構復雜時應進一步縮短進尺長度），弱爆破的施工方式，減小對圍巖的擾動。開挖完成后及時進行相應的支護，支護完成后方可進行下一循環施工。依次開挖支護至主洞邊墻處后，進行下層I20 a鋼支撐支護施工間排距為0.75 m。下層鋼拱架為異形拱架，拱架左側與支腿連接，預測與寺前鄭施工支洞最后三榀加強鋼拱架的頂拱拱架相連接。連接采用20 mm厚的連接鋼板+等邊角鋼+高強螺栓連接。

2.3 Ⅱ區開挖支護

Ⅱ區開挖支護分為上下游依次施工，禁止同時進行上下游兩側拱架支腿進行施工。首先進行Ⅱ區上游施工，首先拆除上游上層鋼拱架支護的支腿，然后進行主洞上游開挖施工。隧洞開挖過程中嚴格控制單循環開挖尺寸，對于軟弱圍巖盡量采用挖機+破碎錘進行開挖；挖機開挖困難地段采用小藥量短進度（單循環開挖尺寸不大于0.5 m，地質結構復雜時應進一步縮短進尺長度），弱爆破的施工方式，減小對圍巖的擾動。開挖完成后及時進行支撐拱架安裝相應的支護，支護完成后方可進行下一循環施工。下層鋼拱架為異形拱架，拱架左側與支腿連接，預測與寺前鄭施工支洞最后三榀加強鋼拱架的頂拱拱架相連接。連接采用20 mm厚的連接鋼板+等邊角鋼+高強螺栓連接。主洞上游完成開挖支護后進行主洞下游開挖支護施工[2]。

2.4 Ⅲ區開挖支護

Ⅲ區開挖支護分為上下游依次施工，一側開挖支護期間對另一側掌子面進行噴20 cm混凝土后進行封閉。開挖過程中嚴格控制開挖進尺，對于軟弱圍巖盡量采用挖機+破碎錘進行開挖；挖機開挖困難地段采用小藥量短進度（單循環進度不大于0.5 m，地質結構復雜時應進一步縮短進尺長度），弱爆破的施工方式，減小對圍巖的擾動。開挖完成后及時進行支撐拱架安裝相應的支護，支護完成后方可進行下一循環施工。通過測量放線嚴格控制每榀拱架的位置及尺寸，拱架伴隨著轉彎逐榀確定加工拱架尺寸。單側開挖完成后，再進行另一次開挖支護施工。

2.5 寺前Ⅰ區開挖支護

Ⅲ區開挖支護完成后，再進行寺前Ⅱ區擴挖施工。原支護鋼拱架利用破碎錘和人工氣割拆除，逐榀進行，切割拆除后，按照設計轉彎半徑尺寸進行擴挖，擴挖到設計尺寸后立即進行I20 a鋼拱架支護施工。并按照設計圖進行錨噴支護。

2.6 施工監測

設專職監測人員在開挖過程中進行監測，量測結果及時提交監理。遇到圍巖變形較大時，增加測讀頻次，及時通報監理，并采取加固措施。

3 施工工藝

3.1 開挖施工工藝

本處隧洞圍巖主要是Ⅴ類偏差圍巖，巖石性能較軟，裂隙密集發育，巖石強風化，穩定性差，給施工帶來一定挑戰。施工中根據地質條件和現場實際情況，采取預留核心土開挖的方法同時加強超前支護推進的方法，加強測量監測的頻率。隧洞開挖嚴格按“新奧法”工藝施工，開挖鉆爆按照“強支護、短進尺、弱爆破、少擾動，快封閉，勤量測”的原則施工，開挖支護順序為：①→②→③→④。

（1）預留核心土開挖

主支交匯處圍巖破碎，膠結差，同時伴有滲水。斷層帶為強風化粉狀巖，個體粒徑小、相互間黏結差、巖質軟穩定性差。掌子面開挖前首先頂拱部位進行超前支護施工，結合該處圍巖地質情況采用超前小導管進行超前支護。超前支護完成后進行周邊斷面開挖施工，每個循環按照拱架間距控制0.6 m左右，以保證掌子面圍巖穩定不坍塌。首先進行掌子面上半部②區域開挖頂部距離核心土頂部1.5 m左右，開挖完成后利用核心土頂部作為施工平臺進行拱頂部位工字鋼支護及噴錨支護。支護完成后在進行兩側邊墻③施工，邊墻距離核心土邊緣1.0 m左右，以利于SY60 C小型挖機開挖施工，開挖一側完成后立即進行工字鋼拱腳施工與頂拱工字鋼連接牢固，再進行利用另一側拱腳施工，以保證工字鋼支撐形成穩定的受力體系，防止邊墻及拱頂坍塌。頂拱及邊墻完成4～5個開挖支護循環后，挖機的開挖距離到達極限再進行預留中間核心土④開挖。

每個循環開挖后需立即進行初期支護，做到“早封閉，強支護”。每個循環內的開挖區塊完成后立即進行錨噴支護，主要施工順序為：初噴混凝土（5 cm）→鋼筋網施工→鋼支撐（I20 a）拱架施工→?25鎖腳錨桿施工→復噴混凝土（15 cm）→系統錨桿施工→EX29 N漲殼式預應力中空注漿錨桿施工。

圖3 預留核心土開挖示意圖

3.2 超前小導管施工工藝

（1）小導管制作規格

小導管制作安裝采用支護采用熱軋無縫鋼管制作，單根長度為3.0 m，環向間隔距離40 cm，每排14 根小導管?？v向間隔距離為1.5 m。超前小導管與鋼支撐組合使用，兩排小導管搭接長度約為2 m。小導管前端利用小導管尖頭機將小導管加工成錐形，管身采用沖孔機鉆出注漿孔采用梅花型布置，孔徑Φ8 mm，孔間距15 cm；小導管尾部長度外露噴錨面不小于100 cm，并焊接Φ8 mm的鋼筋作為加勁箍，作為不鉆孔的止漿段。

（2）施工工藝

①小導管鉆孔安裝

通過測量放樣在開挖掌子面上標記出小導管孔位，核心土頂部做為小導管鉆孔施工作業平臺，鉆孔采用YT28 手風鉆，13 m3螺桿式空壓機供風，鉆孔直徑比鋼管直徑大5 mm。鉆孔完成后，孔內采用高壓風或者高壓水進行清洗，沖洗干凈孔內鉆渣以保證孔深。在鋼支撐腹板中部切割出圓孔，孔徑比小導管直徑大于2 mm。小導管穿過鋼架，利用手風鉆的沖擊力將小導管頂入孔內，鉆入長度不小于鋼管長度的90%，檢查管內有無鉆渣或異物，如有則利用高壓風將鋼管內的砂石吹出，安裝完成小導管后用塑膠泥封堵周圍裂隙和小導管孔口，小導管的外插角為10°～15°，避免與隧洞巖層面平行，并根據掌子面產狀實際情況作適當調整，但外插角不得小于10°。

②小導管注漿

小導管注漿前首先進行壓水試驗，通過壓水試驗及設備試運行檢查機械設備、管路連接是否能夠正常工作，確保注漿過程中不出現因管路、設備原因造成的注漿暫停。小導管注漿采用水泥漿液，有地下水出露的地方采用水泥、水玻璃雙漿注入。水泥漿液采用快速攪拌機制漿，將速凝劑與水同時加入水泥攪拌機內攪拌，嚴格按照設計配合比加水完成后繼續攪拌1 min，最后加入42.5 普通硅酸鹽水泥并攪拌3 min。小導管注漿壓力為0.5 MPa，注漿過程及時通過注漿壓力表進行觀測將孔口最高壓力嚴格控制在允許范圍內，以防壓裂開挖面，確定注漿壓力并選用合格的止漿塞滿足注漿壓力要求。小導管注漿采用定量注漿，注漿量達到設計注漿量或注漿壓力達到設計終壓時結束注漿。

3.3 EX29 N漲殼式預應力中空注漿錨桿施工工藝

漲殼式預應力中空注漿錨桿主要用于地質條件較差的圍巖永久系統支護或超前預支護施工；在巖層水平層理，節理裂隙開夾泥或地下水發育場合，可通過漲殼錨桿迅速形成支護力，通過施加足夠的預應力來控制圍巖變形，保持其穩定。

施工順序為：錨桿孔通氣檢查→風鉆鉆孔→錨桿插桿→預緊桿體→安裝止漿塞、墊板、螺母→張拉→注漿。

采用YT-28 手風鉆鉆孔，為使鉆孔平直并且鉆徑精確，使用Φ50 mm十字鉆頭鉆孔，鉆孔完成后需徹底清孔。然后將安裝有漲殼錨頭的桿體插入孔的底部。用專用工具用力預緊桿體，使漲殼錨頭在錨孔中充分漲開，施加力量直到扭不動為止。注漿，施加預應力達到80 kN后，進行注漿，保證注漿施工質量是永久支護錨桿耐久性的關鍵。

4 總結

寺前施工支洞與主洞交匯段長度共為28 m，分為7 塊開挖施工，施工過程中嚴格采取“進尺短、爆破弱、支護強、封閉快”等開挖支護理念進行施工，取得了成功。

主支交匯段施工是支洞與主洞的重難點，施工過程中須高度重視不良地質條件下的隧洞主支交匯段的施工。要從思想上重視，貼合施工現場隧洞巖層產狀、風化程度制定相應的開挖支護方案。精心組織，按照方案嚴格實施是確保施工安全順利實施的關鍵。