杜 衛(wèi)

( 江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌330000)

1 工程概況

某水庫總庫容為3 000 萬m3，該工程主要由大壩、溢洪道、新建輸水隧洞、壩下游涵管和壩后電站廠房所組成。隧洞沿洞軸線工程地質(zhì)圍巖多樣，弱風(fēng)化以及強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖均有。該水庫的隧洞采用新奧法施工，施工中采取變形預(yù)測，通過對圍巖支護(hù)體系的穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測和評價(jià)，為初期支護(hù)和二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整提供依據(jù)，從而達(dá)到確保施工及結(jié)構(gòu)安全、指導(dǎo)施工順序、便利施工管理的目的。

2 隧洞掘進(jìn)變形監(jiān)測

在隧道快速掘進(jìn)過程中要準(zhǔn)確地進(jìn)行隧洞的變形預(yù)測，采取地質(zhì)預(yù)報(bào)以及變形監(jiān)測是關(guān)鍵。對于地質(zhì)條件復(fù)雜或重點(diǎn)地段，除作開挖工作面地質(zhì)素描外，還應(yīng)做地質(zhì)展示圖;同時(shí)采取施工地質(zhì)預(yù)測，為隧道開挖工作面前方一定長度范圍內(nèi)的圍巖工程地質(zhì)和水位地質(zhì)條件，作分析推斷和評估工作。

在隧洞快速掘進(jìn)施工中，對于地質(zhì)條件復(fù)雜應(yīng)特別加強(qiáng)量測工作，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)測。隧洞變形預(yù)測分為必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目兩類，其中圍巖及支護(hù)狀態(tài)觀察、拱頂下沉、周邊位移、凈空收斂變形、以及明挖段的坡面穩(wěn)定、地表下沉量測為必測項(xiàng)目。選測項(xiàng)目主要有圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)量測、以及底板隆起量測等。

2.1 隧洞凈空收斂預(yù)測

隧洞凈空收斂預(yù)測是最基本的變形預(yù)測項(xiàng)目之一，工程實(shí)踐表明在隧洞開挖后，為盡早獲得圍巖開挖后初始階段的變形動(dòng)態(tài)，應(yīng)盡快埋設(shè)測點(diǎn)。埋設(shè)測點(diǎn)時(shí)，先在測點(diǎn)處用人工挖孔或鑿巖機(jī)開挖孔徑為40 ～80 mm，深為25 mm的孔。在孔中填滿水泥砂漿后插入收斂預(yù)埋件，盡量使兩預(yù)埋件軸線在基線方向上，并使預(yù)埋件銷孔軸線處于鉛垂位置，上好保護(hù)帽，待砂漿凝固后即可量測，量測測點(diǎn)應(yīng)牢固可靠，易于識別并妥善保護(hù)。采取激光隧道限界檢測儀進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，初始讀數(shù)應(yīng)在隧洞開挖后12 h讀取，最遲不得超過24 h，而且在下一循環(huán)開挖前，必須完成初期變形值的記取。

2.2 拱頂下沉預(yù)測

拱頂下沉主要用于確認(rèn)隧洞掘進(jìn)過程中圍巖的穩(wěn)定性。為了獲得準(zhǔn)確的拱頂下沉預(yù)測數(shù)據(jù)，在每個(gè)量測斷面的拱頂中心埋設(shè)一自制的鋼筋預(yù)埋件。埋設(shè)前，先用小型鉆機(jī)在待測部位成孔，然后將預(yù)埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量測。拱頂下沉和周邊位移測點(diǎn)布置見圖1所示。鑒于拱頂下沉預(yù)測反映著圍巖的穩(wěn)定性，因此其監(jiān)測頻率要求相當(dāng)重要，結(jié)合工程實(shí)踐，筆者總結(jié)了拱頂下沉及周邊位移量測頻率見表1。

圖1 拱頂下沉和周邊位移測點(diǎn)布置圖

表1 拱頂下沉及凈空位移量測頻率表

2.3 地表下沉預(yù)測

地表下沉埋設(shè)基點(diǎn)的位置相當(dāng)重要，其影響著下沉的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，基點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)在隧道開挖縱橫向各(3 ～5) 倍洞徑外的區(qū)域，埋設(shè)5個(gè)基點(diǎn)，以便互相校核，參照標(biāo)準(zhǔn)水準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)，所有基點(diǎn)應(yīng)和附近水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測取得原始高程。在測點(diǎn)位置挖長、寬、深均為200mm 的坑，然后放入地表測點(diǎn)預(yù)埋件( 自制) ，測點(diǎn)一般采用φ20 ～30 mm、@200 ～300 mm的平圓頭鋼筋制成。測點(diǎn)四周用混凝土填實(shí)，待混凝土固結(jié)后即可量測。

對隧洞地表下沉的監(jiān)測應(yīng)在儀器檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行，且避免在測站和標(biāo)尺有振動(dòng)時(shí)進(jìn)行; 盡量選擇在每一天同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行觀測;觀測堅(jiān)持四固定原則，即:施測人員固定，測站位置固定，測量延續(xù)時(shí)間固定，施測順序固定，且應(yīng)每隔30 d用精密水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行基點(diǎn)與水準(zhǔn)點(diǎn)的聯(lián)測，其誤差不得超過±0.5■n mm( n 為測站數(shù)) 。為了預(yù)測地表的下沉情況，根據(jù)初始的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制時(shí)間－位移與距離－位移圖，曲線正常則說明位移隨施工的進(jìn)行漸趨穩(wěn)定。如果出現(xiàn)反常，出現(xiàn)反彎點(diǎn)，說明地表下沉出現(xiàn)點(diǎn)驟增加現(xiàn)象，表明圍巖和支護(hù)已呈不穩(wěn)狀況，應(yīng)立即采取措施。

2.4 圍巖內(nèi)部位移預(yù)測

圍巖內(nèi)部位移變形反映了隧道圍巖的徑向位移分布和松弛區(qū)域范圍，而且其還可為獲得決定錨桿長度的判斷提供原始資料。在預(yù)定量測部位，用特制直徑140 mm鉆頭，鉆一深40 cm的鉆孔，然后再在此鉆孔內(nèi)鉆一同心的直徑為48 mm的小孔，孔深由試驗(yàn)要求確定，鉆孔要求平直，并用水沖洗干凈。矯直鋼絲，并截成預(yù)定長度，將鋼絲連接在鉆孔錨頭上。把錨頭末端插入安裝桿，然后將錨頭推進(jìn)到預(yù)定深度，在操作時(shí)要注意定向，避免安裝桿旋轉(zhuǎn)，千萬不能將安裝桿后退，以免安裝桿和錨頭脫落。緊固錨頭，若用楔形彈簧式錨頭，則用30 ～50 kg力拉鋼絲，如果錨頭不滑動(dòng)，即可認(rèn)為錨頭已經(jīng)鎖緊;若用壓縮木錨頭，則等待壓縮木吸水膨脹后，亦用30～50 kg力拉鋼絲，若拉不動(dòng)，則可認(rèn)為錨頭已經(jīng)緊固。

把與各錨頭連接的鋼絲分別穿過測筒上的各個(gè)導(dǎo)桿，并把測筒的上筒用固定螺絲、木楔及水泥砂漿固定在孔內(nèi)，然后拉緊鋼絲，并用螺母夾緊在各個(gè)導(dǎo)桿上，這時(shí)要注意調(diào)整導(dǎo)桿距離，使之有15 mm的伸長量。把下筒與上筒相接，并用木楔塞緊，若是電測下筒，還需仔細(xì)安裝，調(diào)整電感式位移傳感器的量程，并引出電纜，蓋上蓋板。當(dāng)試驗(yàn)點(diǎn)離開挖面很近時(shí)，必須采取防護(hù)措施，以防止爆破飛石損壞電纜及測筒。開始初讀數(shù)( 如果用百分表測讀，應(yīng)每次打開蓋板) 。為了有效地確保讀數(shù)的穩(wěn)定性，第一次讀數(shù)的建立應(yīng)≥24 h。開始階段，每天應(yīng)至少進(jìn)行一次測度測讀，隨著開挖面的遠(yuǎn)離，測讀間隔時(shí)間可以酌情延長。將鉆孔伸縮計(jì)測筒上的電感式位移傳感器與數(shù)字位移計(jì)連接，并打開位移計(jì)電源開關(guān)，即可進(jìn)行讀數(shù)。然后根據(jù)實(shí)際位移與讀數(shù)的標(biāo)定數(shù)字回歸方程，即可算出鉆孔伸縮計(jì)4個(gè)測點(diǎn)的實(shí)際位移變形。

3 隧洞掘進(jìn)支護(hù)方案優(yōu)化

對隧洞采取支護(hù)是保證安全施工和快速掘進(jìn)的關(guān)鍵，在掘進(jìn)實(shí)施中通過采取超前地質(zhì)探報(bào)技術(shù)，制訂切實(shí)可行的支護(hù)施工方案，同時(shí)隨時(shí)觀察和監(jiān)測有無異常，仔細(xì)研究巖體和地下水變化規(guī)律，不斷優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案。

為了確保支護(hù)的可靠性，隧洞掘進(jìn)施工應(yīng)當(dāng)采取勤觀測、短開挖、強(qiáng)支護(hù)。在施工過程中，隨時(shí)觀察和量測現(xiàn)場工程地質(zhì)及水文地質(zhì)變化情況，研究變異規(guī)律，優(yōu)化支護(hù)方案;同時(shí)對于巖性不良地段，嚴(yán)格控制進(jìn)尺，緊跟作業(yè)面一次支護(hù)快速襯砌，多打孔，少裝藥，放小炮，保證斷面規(guī)整，為初期支護(hù)創(chuàng)造條件。及時(shí)支護(hù)是消除塌方的重要手段，強(qiáng)支護(hù)是預(yù)防塌方的主要措施，施工中利用小導(dǎo)管注漿、長管棚、格柵拱等進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)。選取不同的隧洞支護(hù)方案將對隧洞開挖效果的以及安全性產(chǎn)生直接影響，為此應(yīng)當(dāng)根據(jù)隧洞掘進(jìn)的特點(diǎn)，對本工程預(yù)計(jì)可能發(fā)生的塌方情況，提出以下4 種支護(hù)方案，以進(jìn)一步優(yōu)化本隧洞支護(hù)方案。

1) 裂隙擴(kuò)張?jiān)斐傻男∷街ёo(hù)方案。此類塌方多發(fā)生在輕微風(fēng)化或裂隙較密集的圍巖中，主要是由于開挖和支護(hù)方法不當(dāng)造成，常發(fā)生在爆破后的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，雖然塌方數(shù)量不大，但威脅工作面的施工安全，為此對于這種情況下，支護(hù)施工方案適宜采取加強(qiáng)錨噴法。這種支護(hù)方案可通過先清理巖面，然后安裝錨桿并掛鋼筋網(wǎng)，最后噴混凝土;也可以采取錨索支護(hù)。

2) 塌方體窄長的小塌方支護(hù)方案。此類塌方多發(fā)生在斷層破碎帶較窄且兩側(cè)巖體比較完整的地段，施工中可采用挑梁法安裝鋼支撐，然后對塌方處錨噴，挑梁法指將型鋼穿過臨時(shí)架立支撐的頂梁直抵掌子面，形成一排挑梁，在挑梁上架設(shè)水垛，填塞洞穴。

3) 中等塌方支護(hù)方案。這種類型的塌方量較大，塌方范圍在10 m左右，多發(fā)生在兩條相鄰、傾向相對的斷層帶或兩種巖層交接帶。在塌方之前，常有掉塊現(xiàn)象，其頻率及塊度隨爆破振動(dòng)烈度、振動(dòng)頻率和地下水活動(dòng)強(qiáng)度的增加而提高。在塌方后，常有較穩(wěn)定的頂板，發(fā)生繼續(xù)塌方的可能性不大，為此工程實(shí)踐表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案適宜采用錨噴法、插筋排架法、護(hù)頂法、管棚法等處理。其中插筋排架支護(hù)方案就是緊貼掌子面架設(shè)鋼支撐，在頂拱設(shè)計(jì)開挖線以外按一定角度(3° ～10°) 鉆孔，安裝鋼筋支架形成掌子面超前支護(hù)，在鋼筋支架保護(hù)下塌方體出渣，最后噴混凝土支護(hù)。

4) 大塌方支護(hù)方案。該類塌方在100 m3以上，塌穴高度在10 m以上，當(dāng)洞頂巖層較薄時(shí)，易發(fā)生冒頂。處理措施為:若塌方堵塞整個(gè)隧洞，且對塌方規(guī)模和規(guī)律還不了解，可采用錨噴法，管棚法等多種處理措施; 當(dāng)塌方段埋藏較淺或地質(zhì)條件較為復(fù)雜時(shí)，從洞內(nèi)處理難以保障安全，較優(yōu)的支護(hù)方案可采用灌漿法和環(huán)行導(dǎo)洞法綜合處理。其中，環(huán)行導(dǎo)洞法支護(hù)方案采取由下而上開挖導(dǎo)洞群并回填混凝土，完成邊墻頂拱環(huán)形支護(hù)結(jié)構(gòu)( 亦可結(jié)合建筑物作為永久襯砌) 。

但事實(shí)上，對于隧洞掘進(jìn)過程中，地質(zhì)條件可能出現(xiàn)復(fù)雜多變，預(yù)定的隧洞支護(hù)方案也無一定模式，具體要視現(xiàn)場情況研究決定，因此優(yōu)化支護(hù)方案是相當(dāng)有必要。

4 結(jié) 語

隧洞的變形預(yù)測以及支護(hù)是有效保證安全施工和快速掘進(jìn)的關(guān)鍵，因此施工人員必須從思想上引起足夠重視，施工前根據(jù)設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)勘探資料，實(shí)施超前地質(zhì)探報(bào)技術(shù)，制訂切實(shí)可行的施工方案;同時(shí)在隧洞掘進(jìn)過程中，隨時(shí)監(jiān)測以研究巖體和地下水變化規(guī)律，不斷優(yōu)化原支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

［1］李吉祥，蔣曙萍. 山區(qū)軟巖大跨度隧道變形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測及其工程應(yīng)用［J］. 交通財(cái)會(huì)，2003(02) :22－23.

［2］劉步存. 雪峰山隧道施工地質(zhì)勘察技術(shù)研究［M］. 北京: 人民交通出版社，2000.

［3］郭海星. 高地應(yīng)力條件下隧道大變形的機(jī)制、預(yù)測及防治研究［D］. 西安:長安大學(xué)，2006.