李國東

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

隧洞支洞進口開挖設計與施工

李國東

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

大伙房輸水工程（一期）隧洞全長 85.32 km，沿線分布的 16 條支洞位于不同的地質地段和地表環(huán)境，采取不同的設計支護參數(shù)和不同開挖形式，對工程的進度、安全性和經濟性有著較大的影響。此工程采用明洞套拱施工，有效完成了 3 種不同地質條件的進洞施工，為類似工程條件的項目提供參考。

大伙房輸水工程；隧洞邊坡；開挖

1 工程概況與地質描述

遼寧大伙房輸水工程是目前世界上單線線路最長、TBM 單機掘進最長的輸水隧洞。整個隧洞全長 85.32 km，直徑 8.0 m，其中附屬工程（臨時和永久支洞）有 16 條施工支洞。整個隧洞中的 58.74 km 為 3 臺開敞式全斷面掘進機施工，單臺 TBM 掘進長度為 20 km 左右，而且每臺 TBM施工需 2~3 條支洞，相臨兩支洞間間距為 10 km 左右。工程總施工工期為 5.5 年，全線施工工期最為緊張的就屬TBM 1標段。

此工程所在區(qū)域為溫帶季風型大陸性氣候，冬季嚴寒、干燥，夏季溫熱、多雨，氣溫變化幅度較大，全年 6~8 月為雨季，10 月至來年的的 4 月（約半年）為冰凍季節(jié)，全年最佳戶外施工為 3個來月。3條支洞洞口位于河流邊上，每年8月份為洪水爆發(fā)期。

10號支洞洞臉邊坡較緩，地表植被發(fā)育，表層為厚30～50 cm 的腐植土，以下為坡積碎石土，厚度 8m 左右，下部為全強風化正長斑巖。碎石土中碎石成分主要為正長斑巖，粒徑大小不均勻，一般碎塊小于 40 cm，含量 50%左右；呈全強風化狀態(tài)，礦物成分完全變質，巖石破碎，呈碎裂結構，完整性極差，含水量較高。10 號支洞無規(guī)模較大斷層（構造）通過，但地層節(jié)理組數(shù)較多，節(jié)理間距一般較大，節(jié)理張開度較小，絕大多數(shù)閉合，節(jié)理面平直光滑～平直粗糙。

11 號支洞洞臉邊坡較陡，植被發(fā)育，邊坡上覆蓋有坡積物，厚度 0.5~1.0 m。基巖為太古代混合巖(M 1)，強風化~弱風化，中硬。邊坡巖石裂隙發(fā)育，組數(shù)較多，多數(shù)節(jié)理張開度較大，節(jié)理面平直光滑~平直粗糙，充填風化巖屑。巖體呈碎裂結構，整體強度不足，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。整條支洞所穿過的巖石為太古界混合巖，其弱風化巖飽和單軸抗壓強度為 36～63 MPa，微風化巖為60～80 MPa；洞線與節(jié)理裂隙多近直交，且密度較小。

12 號支洞洞臉邊坡陡峭，基巖裸露，巖性為白堊系小嶺組角礫熔巖、凝灰質砂巖，弱風化~強風化，中硬。洞口前有 2~3 m 的碎塊石土，碎塊石成份是凝灰質砂巖。邊坡表層風化卸荷，邊坡頂部存在 4 處危巖體，體積 10~20 m3。邊坡主要發(fā)育有長大裂隙 8條，其中 6條裂隙產狀為NW 300°SW(或 NE) ∠72~87°；2 條裂隙產狀為 NE60°SE∠60~70°。邊坡部位節(jié)理發(fā)育，微張~張開，巖屑或泥質充填，巖體破碎，整體強度不足。

支洞進洞開挖支護施工的工程特點及主要施工難點：

1）支洞施工工期緊。10 號支洞長 1 580 m，為保證設備按期進洞，必須月進尺達 166 m；11 號支洞考慮擴大洞室、投料孔等施工的影響，對于斜井施工月進尺達 100 m；12 號支洞長 2.6 km，由于考慮 TBM 設備交貨期推遲的影響，為趕工平均月進尺將達 100 m。

2）此工程支洞施工環(huán)保要求高。為了避免洞口大開挖施工，減少土方開挖量，保護山林植被，避免破壞生態(tài)環(huán)境，從安全美觀實用，經濟合理方面考慮，各個支洞口采用直接強行進洞的暗挖施工方案。

3）各個洞口地質條件復雜，技術要求高，施工工藝要求嚴格，安全問題必須引起足夠重視。10 號支洞為土質邊坡，為兩山頭間巖石風化坡積而成，地勢為緩坡；11 號支洞屬土石混合邊坡，坡體稍陡，植被不甚茂密，進口邊坡上部為強風化砂卵石地層，坡腳即見強風化巖石；12 號支洞屬巖石邊坡，坡體極陡，邊坡不穩(wěn)定塊體塌滑和小型塊體松動掉塊出現(xiàn)可能性較大。3個洞口邊坡安全穩(wěn)定問題非常突出。

2 邊坡破壞分析

此工程3個支洞洞口開挖涉及到兩個方面的穩(wěn)定問題：一是邊坡開挖穩(wěn)定問題，二是因洞口段進洞開挖過程中隧洞周邊的變形或坍塌引起洞口邊坡穩(wěn)定性問題。其進洞開挖過程中引起邊坡破壞形式為洞口滑坡、開挖掌子面塌方和滯后掌子面洞口段塌方，不同地質情況的邊坡破壞形式對應不同的應力作用機理。

1）土質邊坡：開挖方式選用人工配合機械。坡體內富含地下水，其自穩(wěn)能力和整體穩(wěn)定性較差，進洞開挖過程中受上覆土體自重應力和滲透水壓力作用下形成下沉或開裂變形，最后形成隧洞洞壁的坍塌和邊坡失穩(wěn)。

2）土石混合邊坡：開挖方式選用人工鉆爆和機械開挖方式相結。地下水受地表降雨影響較大，其邊坡自穩(wěn)能力相對土質邊坡較強，但受開挖方式和施工機械影響較大。進洞開挖過程中圍巖主要受上覆土體自重應力和滲透水壓力作用，在巖體內滑裂面或土巖結合面滑動破壞。

3）巖石邊坡：開挖方式一般選用人工鉆爆，開挖過程中對圍巖擾動較大，不注意也很容易引起滑坡或坍塌。開挖過程中圍巖主要受上覆土體自重應力、構造應力和裂隙水壓力作用下，沿巖體內部節(jié)理滑裂面滑動破壞。

根據邊坡開挖的環(huán)保、經濟技術以及安全方面等的考慮，最后確定的開挖支護原則采用“早進洞、少明挖；強支護、短進尺；保安全、勤觀測”十八字方針，最終確保各個支洞施工的順利進行。

3 工程設計與施工

根據以上分析，3個洞口的地質條件不盡相同，開挖方式不同，洞口邊坡破壞方式不同，洞口支護處理方式也不同。但無論何種邊坡支護及開挖形式，施工過程中始終要合理運用新奧法施工原理，進行信息化施工。

3.1 支洞口位置選擇

支洞洞口位置的選擇是否合理，關系到施工難度、工期長短、工程造價、施工安全性和后期的維護等。因此應重點考慮以下幾個方面的問題：

1）支洞洞口應盡量避開不利地質構造，如坡腳坡積物較厚、兩山頭交匯處、地下水位豐富地段等，否則，將會增加作用于臨時或永久支護結構上的圍巖壓力和外水壓力；或隧洞兩邊坡積物厚度嚴重不均造成嚴重偏壓等情況。

2）支洞洞口離主洞距離盡量短（建議不要長于 2 km），坡度盡量不要超過 12%，且每隔 200~250 m 設置一個緩平臺。

3）支洞口應能布置安放臨時施工設施的平臺。

4）支洞口高程應考慮防洪標準要求。

5）支洞口與外界的交通聯(lián)系方式。

3.2 洞口邊坡開挖設計與施工

對于坡積砂礫石土層邊坡支護設計采用 φ20，L＝2 000 mm，間距 1 200 mm 錨桿，掛 φ8@200×200 的鋼筋網、噴100 mm 厚 C 20 混凝土；坡面根據滲水情況設置 L＝2 000 mm 的塑料排水管；坡頂合適位置設置截水溝；邊坡開挖采用 1:0.75 放坡；對于中等風化巖石邊坡采用 φ20，L＝2 000 mm，間距 2 000mm 錨桿，掛 φ8@200×200 的鋼筋網、噴100 mm 厚 C20 混凝土；錨桿間距可根據巖層節(jié)理面作適當?shù)恼{整；開挖施工前將坡頂危巖處理掉；對于巖塊較破碎（大小不超過 40 cm 的巖石占絕大多數(shù)） 時采用 1∶0.6 進行放坡；若一般塊巖石超過2 m 且節(jié)理發(fā)育時盡量不破壞自然邊坡的穩(wěn)定性，只進行危巖處理后再噴錨支護施工；對于高邊坡應進行地質分析后再決定是否采用預應力錨索或柔性防護網進行支護。

坡積礫石土邊坡開挖原則采用“分部開挖、邊挖邊護”。每層開挖高度為 2 m 左右，先用反鏟開挖，在接近設計邊坡 0.5~1 m 時改用人工修坡，盡量不人為破壞坡體的自然穩(wěn)定性。修坡后先初噴 30~50mm 厚混凝土，然后掛網，并施工排水孔，再二次噴射混凝土至設計厚度。噴混凝土終凝3 d后進行下部開挖。中等風化巖石邊坡開挖原則采用“新奧法”原理進行施工，即“短進尺、弱爆破、強支護、勤觀測”。

3.3 支洞口開挖鎖口設計與施工

根據洞口邊坡開挖的失穩(wěn)破壞模式適當調整洞口開挖的鎖口支護方式。此工程各支洞口都處于地質條件比較差的地段，為了保證邊坡和隧洞開挖的施工安全和穩(wěn)定性，各個支洞開挖施工都采取了“洞口鎖口”的支護方式，并貫徹執(zhí)行“先護坡鎖口、后強行進洞”的原則進行施工。

對于 10 號支洞，洞口段附近約 45 m 為松散的坡積物，且含水量較高。為加快施工進度，保證施工安全，在洞口外設置2 m長的混凝土套拱（即明洞段）。套拱內設置三榀 H180 鋼支撐，并在套拱周邊設置導向用孔口管，為下步的超長管棚施工作準備?；炷撂坠笆┕r基礎必須座在中等風化基巖上，混凝土澆注可以采取支模板背部人工澆注或迎面噴射混凝土方式，且進口處位置必須設置一榀鋼支撐并澆注在混凝土內。待混凝土套拱形成3 d后開始下步開挖。

11號支洞由于上半部是松散的坡積物、下半部是節(jié)理基巖，結合洞門的設計在在洞口外設置 2 m 長的混凝土套拱（即明洞段），套拱內設置三榀 H 180 鋼支撐，相臨鋼支撐之間用 φ22@100 鋼筋連接，然后噴射厚 300 mm 的 C25混凝土進行臨時支護。進口端鋼支撐外沿用小導管管棚加強支護，小導管為長 2m 的 φ42 鋼管。

12號支洞為節(jié)理發(fā)育的陡峭山坡，進洞開挖初期以坡體蠕動、坡面危巖滾落為主，在洞口位置設置 1 m 長的混凝土套拱，套拱內設置兩榀 H 180 鋼支撐，鋼支撐上部設置 φ22 錨桿超前支護，錨桿長 L＝3 500mm，間距 400mm，外插角 10°。待洞口鎖口結構形成后再進行隧洞開挖。

3.4 洞口隧洞開挖支護設計與施工

洞口段及Ⅳ類圍巖段開挖采用“正臺階上下分層法”施工。對于砂礫石層或極破碎巖石采用機械開挖掌子面，并預留“核心土”。待上臺階開挖清理完并支護拱腳以上的鋼格柵，拱腳施工 2~4 根 φ22 長 2.5 m 鎖腳錨桿，再開始施工下臺階。對于不易用機械清除的巖石，采用小藥卷松動爆破。Ⅳ類圍巖采用光面爆破。鋼拱架底座下臥到基巖面，挖不到基巖面的部位采用擴大基礎替代。每循環(huán)進尺控制在 50~100 cm。洞室開挖根據“新奧法”原則進行信息化施工，即“短進尺，弱爆破，強支護，勤觀測”的原則施工。

1）10 號支洞由于洞口段附近約 45 m 為松散的坡積物（含粘土較多），且含水量較高。為加快后期施工進度，并保證施工安全，在原鎖口套拱預留管內開始施工超長管棚。

套拱預留管的施工：在施工鎖口套拱時注意調整套拱工字鋼底座高程，使預留管延長線和隧洞軸線間的夾角控制在 1%~2%；環(huán)向間距位置在隧洞頂部 5@500，其余控制在間距 800~1 000 mm。工字鋼拱架周焊接?127 預留管，長度隨坡面距離進行調整。在鋼拱架內側將背負式模板固定在拱架或預留管上，進行混凝土澆注?；炷翉姸?C25，厚 300 mm?；炷翉姸冗_到 70%時，拆模進行下道工序的施工。

超長管棚的施工：為加快進度，用2臺空壓機驅動MK-5型水平鉆機進行成孔，施工方式由兩邊向中間進行。注意施工前要將鉆機施工平臺搭建牢固，以免施工過程中鉆進方向偏離或卡鉆。成孔過程中應注意控制施工速度，避免塌孔，取鉆桿時注意堵孔埋桿事故發(fā)生。成孔完后安裝 108 鋼管，根據鉆孔地質情況決定是否需灌漿處理。

開挖支護施工：洞口段 20 m 左右為松散砂礫石坡積土，H 180@800~1 200 鋼支撐 、φ22@1 000 拉筋連接 、掛φ8@150×150 鋼筋網、噴 C25 混凝土厚 150 mm；另 25 m為 H160@1 000~1 200 鋼格柵支撐、掛 φ8@150×150 鋼筋網、噴 C 25 混凝土厚 150 mm。開挖施工過程中發(fā)現(xiàn)有小量塌方時，沿鋼支撐周邊插設鋼插板，封閉巖面、防止坍塌。鋼插板厚度為 3 mm，尺寸根據現(xiàn)場情況確定。

固結灌漿處理：洞口段由于地下水豐富，洞壁滲水嚴重，多次凍融會破壞臨時支護，故應做防滲固結灌漿處理，處理后以洞壁不滴水為標準。灌漿處理注意控制灌漿壓力，避免壓壞鋼格柵，此時應加強鋼格柵變形監(jiān)控測量。

2）11 號支洞洞口段為 V 類圍巖，開挖施工采用光面爆破，開挖進尺控制在 1 m 左右；洞口段至內 20m 施作H160@1 000 鋼格柵支護。滲水地段需經過防滲灌漿處理。

3）12 號支洞洞口 15 m 為Ⅳ類圍巖以上，前 4 m 采用H 160@800 鋼支撐支護，環(huán)向 φ22@1 000 拉筋連接，邊墻調整為 2m 間距。后 11m 采用 H160@1 000 鋼格柵支護，拉筋系統(tǒng)設計不變。在洞口段開挖下一循環(huán)時，應在鋼支撐上部施工 φ22 錨桿超前支護。錨桿長 L＝35 00mm，間距300 mm，外插角 5°。滲水地段需經過防滲灌漿處理。

上述鋼支撐或鋼格柵斷面大小應預留 5 cm 的變形量。

4 結論

1）隧洞進洞開挖破壞是地質條件、開挖方式和支護方式等綜合因素的結果，無論忽視哪一個環(huán)節(jié)或因素都會帶來災難性后果。有條件的項目部應加強分析計算軟件在隧洞開挖施工應用。

2）隧洞進洞開挖一定要采取信息化施工：設計前應充分了解地質條件和環(huán)境情況，施工過程中加強地質條件和變形的觀測，通過觀測分析結果不斷調整設計參數(shù)，達到優(yōu)化設計施工方案，并確保開挖施工的順利進行。

3）根據“新奧法”原理確定此工程進洞段施工原則是“早進洞、少明挖；強支護、短進尺；保安全、勤觀測”。

4）隧洞開挖時結合洞門的設計方案確定合適的洞口鎖口方式（此工程采用明洞套拱方式），既保證隧洞開挖過程中的施工安全，又節(jié)約工程造價，值得在地質條件復雜地段采納。

［1］馮衛(wèi)星，況勇，陳建軍著.隧道坍方案例分析［M］.成都：西南交通大學出版社，2002.

［2］SL386-2007，水利工程邊坡設計規(guī)范［S］.

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2013-04-16