楊 磊

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

水工隧洞工程，是在巖(土)體中修建隧洞,主要用于完成引水、泄水和導(dǎo)流等任務(wù),目前我國(guó)已建成的各類水工隧洞總長(zhǎng)超過(guò)1萬(wàn)km，在建總長(zhǎng)超過(guò)3000km[1-5]。相對(duì)于其他露天開(kāi)挖工程而言,緩傾斜巖層隧洞施工具有施工范圍狹小、工序復(fù)雜、干擾因素多、施工條件差、投入成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn),其施工方法取決于工程所在地的地質(zhì)狀況、斷面設(shè)計(jì)、施工器械、工期要求和技術(shù)水平等[6-8]。作為水利工程建設(shè)的重要組成部分,隧洞工程的施工質(zhì)量直接影響到水利工程的整體質(zhì)量[9-12],因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇施工技術(shù)和施工工藝,嚴(yán)把工程建設(shè)質(zhì)量關(guān),提高隧洞的安全性和穩(wěn)定性,從而促進(jìn)水利事業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

香爐山隧洞洞線長(zhǎng)63.43km，布置多條施工支洞進(jìn)行施工，施工支洞主要解決香爐山隧洞不良地質(zhì)處理、施工運(yùn)輸、通風(fēng)、排水問(wèn)題，并兼顧相應(yīng)段地質(zhì)勘探工作的需要，在運(yùn)行期還作為檢修通道或補(bǔ)氣通道。

香爐山2號(hào)施工斜井進(jìn)口位于白漢場(chǎng)壩子西側(cè)對(duì)民房影響較小的吾都克溝邊，洞底與主洞(香爐山隧洞，下同)交接處位于龍?bào)础獑毯髷嗔?F10)上游處，且與斷層走向成較大夾角。2號(hào)施工斜井進(jìn)口高程2372.00m，中心點(diǎn)坐標(biāo)(X=2960240.0717，Y=498153.9101)；洞底高程2020.90m，中心點(diǎn)坐標(biāo)(X=2961363.3404，Y=498507.5059)。2號(hào)施工斜井與主洞水平投影夾角36.77°，在距主洞45m處布置一條施工岔洞通向引水斜井下游，交主洞中心點(diǎn)坐標(biāo)(X=2961315.7090，Y=498524.1791)。

1.1 水文氣象條件

香爐山隧洞2號(hào)施工斜井所在沖溝為吾都克溝(洞口斷面的各頻率設(shè)計(jì)洪峰成果見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)洪水位成果見(jiàn)表2)。

表1 2號(hào)施工斜井洞口段面設(shè)計(jì)洪水成果

表2 2號(hào)施工斜井洞口段面設(shè)計(jì)洪水位成果

香爐山隧洞地處低緯度、高海拔區(qū)，夏秋季濕度大，降水多而集中(香爐山隧洞2號(hào)施工斜井附近的氣象站氣象要素見(jiàn)表3)。

表3 香爐山隧洞2號(hào)施工斜井附近的氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)

1.2 地形地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

2號(hào)施工斜井布置在白漢場(chǎng)—九河線狀斷層槽谷西側(cè)山體內(nèi)，洞軸向?yàn)镹17°E。白漢場(chǎng)槽谷南北長(zhǎng)大于10km，東西寬200～700m，地面高程從北往南呈2430～2300m降低，斜井部位東側(cè)槽谷地面高程一般2360～2340m；西側(cè)山體高程一般2650～2800m，坡角一般20°左右，局部稍陡達(dá)30°；東側(cè)山體高程一般3000m，最高3350m，坡角一般30°。斜井進(jìn)口位于槽谷西側(cè)吾都克溝溝口，其走向與槽谷成小銳角相交，沿線地面高程2350～2508m，高差約132m，地形坡角9°～34°，地形較連續(xù)。吾都克溝常年流水，由西向東流向白漢場(chǎng)大溝。

1.2.2 地層巖性

1.2.3 主要工程地質(zhì)條件

2號(hào)施工斜井末端穿越龍?bào)础獑毯驠10-1斷裂帶，存在工程抗震及抗剪斷問(wèn)題，據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所最新鑒定研究成果，斷裂帶100年位移設(shè)防水平向量值為1.90m，垂直向量值為0.33m，最大突發(fā)地震地表變形帶寬度300～500m，需要進(jìn)行工程抗剪斷設(shè)計(jì)。

斜井進(jìn)口邊坡自然坡角一般34°～57°，為下陡上緩的橫向坡，自然邊坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，斜井施工如需開(kāi)挖人工邊坡，巖體破碎，存在人工邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題。斜井Ⅴ類圍巖長(zhǎng)255.5m，占比20.4%，Ⅳ類圍巖長(zhǎng)620m，占比49.4%，Ⅲ類圍巖長(zhǎng)380m，占比30.3%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖累計(jì)約占69.8%，洞室圍巖特別是穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出。

斜井末端存在沿?cái)鄬悠扑閹У母咄馑畨毫εc洞室涌水問(wèn)題。斜井軟巖大變形問(wèn)題總體上不突出，但在樁號(hào)K1+050～1+227.52段穿越F10破裂巖、角礫巖時(shí)，會(huì)發(fā)生中等擠壓變形，局部穿越F10-1主斷帶的碎粉巖時(shí)，疊加相對(duì)豐富的地下水影響，洞室圍巖有產(chǎn)生較大變形的可能性。

2 緩傾巖層洞段施工破壞規(guī)律

緩傾斜巖層常呈軟硬巖層相間的互層型式(其破會(huì)力學(xué)模型見(jiàn)圖1)，破壞規(guī)律一般如下：隧洞開(kāi)挖后，邊墻部位圍巖基本穩(wěn)定，但拱部則不穩(wěn)定，薄層狀巖體的隧洞拱部90°～120°范圍內(nèi)易出現(xiàn)塌落現(xiàn)象；新暴露以薄層為主，伴隨著巖體軟化、剝落、掉塊現(xiàn)象,致使拱頂圍巖斷裂失穩(wěn)。

圖1 緩傾斜巖層隧洞變形破壞力學(xué)模型

3 緩傾斜巖層隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超前支護(hù)

首先判定巖性，然后超前支護(hù)。緩傾斜層結(jié)構(gòu)爆破后易造成結(jié)構(gòu)性超挖,拱部出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，需要根據(jù)圍巖情況局部或拱頂部位施作超前錨桿或小導(dǎo)管,有效控制超挖和坍塌。

3.2 重視初噴和初期支護(hù)

對(duì)于強(qiáng)度不太高、層厚不大、節(jié)理發(fā)育的巖層，由于爆破震動(dòng)擾動(dòng)后圍巖結(jié)構(gòu)受到破壞,易掉塊,對(duì)施工安全威脅很大，必須安排專人找頂,消除威脅。重視初噴和初期支護(hù)，使緩傾斜層圍巖地段收斂變形盡快趨于穩(wěn)定。

3.3 錨桿施工

錨固及時(shí),方向正確,保證長(zhǎng)度,嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施作到位。平層結(jié)構(gòu)的特殊性,要求錨桿沿垂直圍巖結(jié)構(gòu)面的方向(施工困難時(shí)至少保持60°以上)打入,才能起到應(yīng)有的作用,否則會(huì)更加破壞圍巖的結(jié)構(gòu)。由于存在多層結(jié)構(gòu),錨桿的錨固深度如果不夠,提供的拉力則不足以抵抗巖石的自重和地層應(yīng)力。因此,錨固深度必須滿足要求。開(kāi)挖后在圍巖岀現(xiàn)塑形變形前及時(shí)施作錨桿,能很好地起到加固地層的作用,既充分利用圍巖的自穩(wěn)性能,又能保證施工安全。

4 軟巖大變形施工技術(shù)

4.1 軟巖段概況

隧洞段擠壓變形總長(zhǎng)約867m，占本段隧洞總長(zhǎng)4.1%。其中極嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段158m，占變形段長(zhǎng)度18.2%，占本段隧洞總長(zhǎng)0.75%；嚴(yán)重變形洞段124m，占變形段長(zhǎng)度14.3%，占本段隧洞總長(zhǎng)0.59%；中等擠壓變形洞段129m，占變形段長(zhǎng)度14.9%，占本段隧洞總長(zhǎng)0.61%；輕微變形洞段456m，占變形段長(zhǎng)度的52.6%，占本段隧洞總長(zhǎng)2.15%，工程圍巖變形主要原因?yàn)樯盥窈蜆?gòu)造應(yīng)力作用下軟巖產(chǎn)生的大變形問(wèn)題(見(jiàn)表4)。

表4 軟巖大變形段落統(tǒng)計(jì)

4.2 斷層破碎帶及輕微擠壓變形段施工方案

針對(duì)斷層破碎帶及輕微擠壓變形段軟巖變形的問(wèn)題,采取“加固圍巖、支護(hù)加強(qiáng)、變形留夠、底部加強(qiáng)”的整治原則。具體為加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度：軟巖段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保初期支護(hù)結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。建議Ⅴ類軟巖段采用I20a鋼架@50cm，鎖腳錨桿采用L=5.0mΦ48×3.5注漿錨管。調(diào)整預(yù)留變形量。Ⅴ類軟巖段預(yù)留變形20～25cm。

4.3 高地應(yīng)力段軟巖隧洞支護(hù)預(yù)案

系統(tǒng)錨桿施作讓壓錨桿，軟巖大變形段系統(tǒng)錨桿采用讓壓錨桿，長(zhǎng)度6m(間距和數(shù)量見(jiàn)圖2)。

圖2 讓壓錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

為適應(yīng)軟巖變形支護(hù)特點(diǎn)，初期支護(hù)擬采用可限制支護(hù)阻力、控制圍巖壓力釋放的“限阻器”結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3、圖4)。限阻器用于與隧洞初期支護(hù)的環(huán)向連接，其設(shè)計(jì)原則為：限阻器峰值須大于仰拱閉合前結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并小于結(jié)構(gòu)極限抗壓強(qiáng)度，保證初期支護(hù)的施工期安全穩(wěn)定與后期限阻變形。

5 施工進(jìn)度保障措施

為確保工程盡快投入施工，確保施工進(jìn)度滿足工期要求，進(jìn)場(chǎng)后及時(shí)進(jìn)行地材調(diào)查、配比試驗(yàn)、人員進(jìn)場(chǎng)、技術(shù)方案、施組的制定和優(yōu)化等相關(guān)施工準(zhǔn)備工作。做好技術(shù)準(zhǔn)備，熟悉設(shè)計(jì)文件，領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖，辦理交接樁，做好復(fù)測(cè)和材料取樣鑒定，編制好實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)，做好技術(shù)交底。

圖3 軟巖變形段支護(hù)“限阻器”設(shè)置示意圖

圖4 軟巖支護(hù)“限阻器”設(shè)置工程案例照片

對(duì)各分項(xiàng)工程施工全過(guò)程進(jìn)行進(jìn)度監(jiān)控管理，監(jiān)控的原則為：目標(biāo)明確，事先預(yù)控，措施有效，履行合同，并根據(jù)監(jiān)控情況進(jìn)行調(diào)整，制定進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)管理措施及保證工期的經(jīng)濟(jì)措施(見(jiàn)表5、表6)。

表5 進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)管理措施

表6 保證工期的經(jīng)濟(jì)措施

6 結(jié) 論

緩傾斜巖層隧道施工中需要充分了解緩傾斜巖體結(jié)構(gòu)的具體破碎狀況，同時(shí)，采取有效處理措施，防止在施工過(guò)程中出現(xiàn)安全隱患。同時(shí)，對(duì)隧洞巖溶地質(zhì)處理技術(shù)的使用，可有效保證隧洞頂部區(qū)域貫穿巖溶隧道工程的整體施工效率和質(zhì)量，從根本上提高整個(gè)隧洞工程的施工效率和穩(wěn)定性。