新疆某地下隧洞不良地质段施工技术研究

新疆某地下隧洞不良地质段施工技术研究

李强

中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041

【摘 要】本文主要阐述在地下隧洞不良地质段采用一种安全可靠、经济合理的施工方法，使之适用于地下隧洞不良地质段施工，为同类工程提供参考借鉴。

【关键词】隧洞；不良地质；施工技术

0 引言

在新疆某地下隧洞工程施工过程中，由于围岩破碎或存在弱膨胀性等，易发生塌方、掉块及变形等，施工安全风险大、效率低，为了确保安全、快速施工，采用一种适用地下隧洞不良地质段的施工工艺方法。

1 概述

新疆某输水工程某标隧洞总长为18.2km，主要包括TBM施工段（15.632km）及钻爆法施工段(2.568km)。钻爆法施工段断面形式为城门洞型，隧洞尺寸为宽6.94m×高6.84m；在施工至KS270+900桩号，开挖揭露围岩岩性以二叠系砂质泥岩为主，夹少量砂砾岩，发育一条断层，断层面上有揉皱现象。该处地层界线以断层接触，呈碎块，碎块表面多有黑褐色揉皱光亮镜面，且有明显擦痕，岩体强度低，粘合力较差，开挖后垮塌严重。

2 施工工艺措施

2.1施工方法

根据“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护、勤量测”的施工原则，采取“上下台阶分层”法及预留核心土法相结合的开挖方式，机械人工开挖为主，爆破开挖为辅措施。

2.2超前地质预报

主要采用激发极化超前地质预报、地震波超前地质预报相结合的超前地质预报，探明掌子面前方具体的地质围岩及富水情况；采用超前钻孔对超前地质预报进行复核验证。

1）激发极化超前地质预报

激发极化探测方法是电法勘探的一个重要分支，以围岩和含水地质构造的电性参数差异为物理基础。通过在掌子面布置一定数量的电极，在掌子面上布置测量电极和供电电极，同时在边墙上布置多圈供电电极。探测时，供电电极供入直流电（A、B电极），测量电极（M、N电极）测量两个电极间的电势差，从而计算出视电阻率剖面。本工程探测采用CEI综合电法仪，通过1根多芯电缆连接供电电极与测量电极，另外通过1根多芯电缆连接电极B和N，测量时电极接触掌子面并保证电极与掌子面良好耦合。超前探测掌子面前方30m范围富水情况，对掌子面前方涌水进行分析、判断，为隧洞开挖支护施工提供施工分析依据。

2）地震波超前地质预报

地震探测技术的基本原理在于当地震波遇到波阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号投射进入前方介质。波阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。地震的震源和检波器采用分布式的立体布置方式。工作过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到采集主机，完成地震波数据采集。

采用SAP地震超前探测设备超前探测掌子面前方100m的地质情况，对隧洞开挖支护施工提供施工分析判断依据。

3）超前钻孔探测

在物探探测手段确认前方无大的危险情况下，坚持进行短探孔探测。短探孔采用隧洞钻孔设备（YT-28钻机），在每循环爆破钻孔时，利用其中的一部分孔（原则上在掌子面周边布置5～7个孔即可），钻孔深度5m。

2.3开挖施工程序及方法

1）上台阶施工

开挖前先沿顶拱进行注浆小导管施工；然后机械辅助人工开挖上台阶岩石，台阶总长度不能大于5m；每个循环完成后安全排险，素喷混凝土封闭岩面，上半部钢拱架安装、挂网、锚杆及喷混凝土施工。

2）下台阶施工

若围岩破碎需要实施超前小导管时，按照上台阶的方法实施超前小导管；采用机械辅助人工开挖下台阶部位，且分左右半幅两次进行开挖，半幅开挖之后及时进行支护，支护施工完后再进行另半幅开挖及支护施工；每个循环完成后安全排险素喷混凝土封闭岩面，下半部钢拱架接腿安装，钢支撑底脚各施工单根锁脚砂浆锚杆（L=4.5m，入岩深度不小于4.2m），立即安装Φ8钢筋网@200×200mm；钢支撑底部伸入底部开挖面25cm，考虑围岩较破碎，为了保证钢支撑底脚稳固，每榀钢支撑底部均焊接同规格钢支撑横撑，沿钢支撑底脚浇筑C30拱架条形基础混凝土，宽度30cm，浇筑高度为底板两侧平面顶面高程，注意高程的控制，以免影响后续衬砌混凝土施工；复喷C30混凝土至设计厚度。

2.4 支护技术参数及施工方法

1）超前小导管施工

超前小导管采用热轧无缝钢管制作,环向间距根据围岩自稳情况确定，但不大于30cm,实施范围根据现场实际开挖揭露地质围岩情况进行超前小导管实施；

小导管距后端1m范围内不钻孔，其余管段按梅花型钻设布置对穿溢浆小孔，孔间距为20～3cm，孔眼直径为φ6～8mm；

钻孔应顺直；

小导管外露端长度一般为30cm，尾部与钢架焊接成一体，连接孔口阀门和管路，小导管插入钻孔后应做好封孔处理；

为减少注浆形成对围岩进一步软化，一般以水泥砂浆为主。

2）砂浆锚杆

采用L=4.5m的锁脚（锁定）锚杆，当钢支撑架设后必须及时施做锁脚（锁定）锚杆，每榀钢支撑实施锁脚（锁定）锚杆不少于5点，其中两侧边墙底脚、起拱及拱顶部位各设置1点，尽量由相邻的系统锚杆代替，端部弯制成“L”型，入岩深度不小于4.2m，“L”型短边与钢拱架搭接采用双面满焊，以增强一次支护的整体性；

系统砂浆锚杆（L=4.5m，入岩4.4m），间、排距1.0m，矩形布置；

上台阶施工时，由于受空间限制，顶拱范围砂浆锚杆无法实施，因此顶拱实施3根长3.0m的锁定锚杆，顶拱砂浆锚杆在喷混凝土前采用预埋PVC管或钢筋桩等做好标记，后续进行补打。

3）钢支撑

根据现场开挖方法，分台阶安装钢支撑，先进行上半部钢拱架安装，榀距0.8～1.0m，左右侧各施工单根锁脚（锁定）砂浆锚杆，L=4.5m，由于受上台阶分层高度的影响，无法实施长度4.5m的锁定锚杆，因此，顶拱实施3根长3.0m的锁定锚杆；待下半部开挖完成后安全素喷C30混凝土3～5cm，立即进行下半部钢拱架接腿安装，左右侧各施工单根锁脚砂浆锚杆，L=4.5m。

钢支撑伸入底部开挖面25cm，并清除底部杂物及虚渣后，每榀钢支撑底部均焊接同规格钢支撑横撑，并浇筑整体C30拱架条形基础混凝土，浇筑厚度25cm，浇筑宽度30cm，根据现场实际情况实施。

钢拱架背后不得存在空洞，在塌腔部位应沿钢拱架外缘根据塌腔规模架设副拱、拱上拱或短钢支撑（规格同钢拱架），与岩面顶紧。

应加强对钢拱架腹板范围内喷砼质量的检查，当喷砼不饱满时应采取人工补喷或灌浆填充等加固措施。

4）挂网钢筋及喷混凝土

开挖后，沿开挖面先喷混凝土封闭，再铺挂钢筋网，并与锚杆或者锚筋连接牢固，最后分2次至3次施喷达到设计喷护厚度。

根据开挖实际情况，若存在较大塌腔时，先靠近岩面挂设1层钢筋网，并喷一层混凝土；待钢支撑安装完成后在其背面再安装一层钢筋网，再次进行喷混凝土施工，形成一个拱圈，以便后续进行空腔回填施工。

3 异常情况处理

3.1超前导管弯折或锚固段塌落

1）将小导管环向间距减小，加密布设，两排小导管搭接长度加长。

2）在小导管施工完成后，在小导管内安插1根与小导管长度相同的钢筋，以增强超前小导管的刚度，增加其棚护作用。

3）缩短开挖进尺，减小钢支撑安装间距。

4）若采取以上措施仍无法控制掌子面的稳定时，采取超前固结加固处理。

3.2锚杆无法成孔

1）在喷混凝土前，必须在无法实施系统锚杆部位预埋PVC管或者采用钢筋桩等做好标记，采用埋藏式锚杆；

2）若喷混凝土后进行补打时，出现卡钻、塌孔等致使无法实施时，将砂浆锚杆调整为自进式锚杆；

3）以上措施均无法满足要求时，考虑在需要补打系统锚杆的部位先采用引孔顶入法实施小导管，同时在小导管内安装锚杆。

3.3收敛变形超标

1）及时进行支护参数调整；

2）若采取支护参数调整仍无法控制围岩变形，暂停掌子面开挖支护施工；

3）采用水平及竖向工字钢将已安装的每榀钢支撑进行对称加固，以限制其变形；

4）对应已安装每榀钢支撑立柱之间及时进行底部水平钢支撑安装，并用纵向连接筋连接，钢支撑中间布置砂浆锚杆，并及时封闭浇筑混凝土形成拱圈；

5）在原系统锚杆的基础上，在两排系统锚杆中间补打埋藏式锚杆；

6）若变形仍未得到有效控制，及时进行衬砌混凝土施工。

3.4塌方掉块处理

1）塌腔深度小于30cm

在塌腔小于30cm部位，一次支护按照上述方案，塌腔部位采用分层喷混凝土确保钢支撑与喷混凝土密贴。

2）塌腔深度在30～100cm

塌腔在30～10cm之间时，先初喷，紧贴喷砼面挂φ8@200×200mm钢筋网片（根据需要），网片与该段锚杆焊接牢靠，随后在超挖部位将设计钢支撑安装到位，根据钢支撑与超挖后岩面的距离，现场实测长度并在综合加工厂加工短钢支撑，将短钢支撑一端通过钢板（15×15cm，厚1cm）焊接在原设计钢支撑上，另外一端同样采用钢板（15×15cm，厚1cm）顶在岩面。喷混凝土前提前预埋Φ50～Φ75注浆管及排气管，距离岩面5～10cm，并采用编织袋将管口堵塞，以防止喷混凝土时将管口堵塞。

及时按照要求进行塌腔回填施工，采用水泥砂浆进行回填处理，回填灌浆压力不大于0.1MPa；若塌腔深度大于0.5m，采用分层多次进行回填施工。

3）塌腔深度大于100cm时

在塌腔深度大于100cm时，先初喷，紧贴喷砼面挂φ8@200×200mm钢筋网片，网片与该段锚杆焊接牢靠，随后在超挖部位将设计钢支撑安装到位，根据钢支撑与超挖后岩面的距离，现场实测长度并在综合加工厂加工短钢支撑，将短钢支撑一端通过钢板（15×15cm，厚1cm）焊接在原设计钢支撑上，另外一端同样采用钢板（15×15cm，厚1cm）顶在岩面。喷混凝土前提前预埋Φ50～Φ75注浆管及回填轻质混凝土管，距离岩面5～10cm，并采用编织袋将管口堵塞，以防止喷混凝土时将管口堵塞。

待喷混凝土凝固后及时对岩体塌腔部位进行处理。先采用水泥砂浆进行回填处理，厚度1.0m左右，回填灌浆压力不大于0.1Mpa，采用分层多次进行砂浆回填施工，每次回填厚度不大于0.5m；待砂浆回填施工完成后，重新进行清孔并采用轻质混凝土进行回填。

4 施工效果评价

本工程该不良地质段长为220m，通过采用上述施工工艺方法及异常情况下的处理措施，安全快速的完成了该不良地质段施工，月施工进度达60m，且较好的保证了施工过程中安全及施工工期。

5 结束语

在地下隧洞不良地质段采取“上下台阶分层”法及预留核心土法相结合的开挖方式，机械人工开挖为主，爆破开挖为辅措施；同时加强支护并做好安全监测工作，适用地下隧洞不良地质段施工。

参考文献：

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