景 通，馬建忠

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著后水電時(shí)代的到來，水電市場已逐步向西部偏遠(yuǎn)山區(qū)推進(jìn)，而西部偏遠(yuǎn)山區(qū)特殊的高山峽谷地貌，使得水電站在建設(shè)場內(nèi)交通道路中大多采用隧道形式。山區(qū)隧道建設(shè)常常遇到各種復(fù)雜特殊的地質(zhì)條件[1]，隧道進(jìn)、出口施工穿越松散堆積體洞段十分普遍。金沙江上游拉哇水電站右岸交通隧道施工中，受F109斷層帶影響，斷層擠壓帶內(nèi)填充有土和碎石混合物，整體呈松散堆積體結(jié)構(gòu)。受松散堆積體影響，隧道開挖一度受阻，通過采取一系列施工技術(shù)措施，確保了隧道開挖在安全的前提下穩(wěn)步推進(jìn)。本文結(jié)合隧道在松散堆積體地質(zhì)條件中開挖支護(hù)施工過程，詳細(xì)介紹松散堆積體地質(zhì)條件下隧道穩(wěn)步快速推進(jìn)的施工工藝及施工技術(shù)措施。

1 工程概況

拉哇水電站左岸位于四川省甘孜藏族自治州巴塘縣拉哇鄉(xiāng)境內(nèi)，右岸位于西藏自治區(qū)昌都自治州芒康縣竹巴籠鄉(xiāng)境內(nèi)，是金沙江上游13級(jí)開發(fā)方案中的第8級(jí)?；I建期右岸交通道路工程主要為②、④、⑧、?道路，受施工區(qū)內(nèi)地形條件限制，道路以隧道為主。設(shè)計(jì)⑧道路設(shè)計(jì)長度為1 263.000 m，其中明線長12.000 m、隧道明洞長5.000 m、隧道洞身長1 246.000 m（樁號(hào)K0+000～K1+246.0）。隧道由出口開始掘進(jìn)至K0+830樁號(hào)時(shí)圍巖出現(xiàn)溶洞，洞身圍巖整體性差，在隧道洞身掘進(jìn)至K0+710.0樁號(hào)時(shí)，掌子面出現(xiàn)了塌方，塌方體為泥和碎石組成的松散堆積體，地質(zhì)勘探將隧道圍巖確定為F109斷層帶：斷層帶由K0+710.0樁號(hào)延伸至AK0+583樁 號(hào)；隧 道K0+830.0～K0+709.0和AK0+583.0～AK0+520.5為斷層影響帶，為避開隧道沿?cái)鄬訋┕?，將原線路K0+000～K0+710.0段軸線進(jìn)行調(diào)整，增加隧洞長度11.768 m。隧洞穿越斷層及破碎影響帶長度為321.268 m，其中穿越破碎帶138.768 m，斷層兩側(cè)影響帶長度分別達(dá)120.000 m和62.500 m。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的根本目的在于進(jìn)一步查明掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)條件，超前探測地層巖性、軟弱層的位置、巖體完整程度，以及斷裂帶位置、寬度、破碎程度、富水性等不良地質(zhì)及隱伏的重大地質(zhì)問題。從而達(dá)到優(yōu)化施工方案，指導(dǎo)隧道施工順利進(jìn)行，減少隧道施工的盲目性；降低隧道施工地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率，保證隧道施工安全；為隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工提供基礎(chǔ)資料，使隧道設(shè)計(jì)施工科學(xué)、安全和快捷。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的目標(biāo)是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖地質(zhì)情況及富水情況，重點(diǎn)預(yù)報(bào)突水、突泥及斷層破碎帶等不良地質(zhì)的具體位置、規(guī)模和影響程度。

目前，國內(nèi)隧道超前預(yù)報(bào)工作方法多，常用的預(yù)報(bào)方法有地質(zhì)分析法、物探法(TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水)和超前地質(zhì)鉆探法等[2]，施工過程中大多將多種方法綜合運(yùn)用，基本準(zhǔn)確地推測出掌子面前方巖體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與狀態(tài)。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)內(nèi)容

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就是在隧道開挖施工之前，預(yù)先了解掌子面前已存在的地質(zhì)相關(guān)信息，對(duì)巖體的完整性、軟硬程度，節(jié)理的發(fā)育程度，含水情況等，做出科學(xué)正確的判定。其預(yù)報(bào)的作用、距離、精度、手段、方法、內(nèi)容有多種，具有很強(qiáng)的綜合性、系統(tǒng)性、未知性、實(shí)用性、客觀性，需要不同專業(yè)人員的配合，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體的現(xiàn)場條件，合理地采取多種預(yù)報(bào)手段，揚(yáng)長避短，相互補(bǔ)充，相互印證，多角度、多參數(shù)地對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

針對(duì)該工程隧道存在的復(fù)雜工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件的特點(diǎn)，工程采取地質(zhì)雷達(dá)檢測為主、輔以掌子面地質(zhì)預(yù)測超前預(yù)報(bào)的方式，共同構(gòu)成隧道施工的地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)體系，進(jìn)行不良地質(zhì)體的超前預(yù)報(bào)。

1）開挖工作面前方斷層破碎帶及巖體破碎帶的超前預(yù)報(bào)，包括破碎帶的產(chǎn)狀、厚度、含水情況及力學(xué)特性等。

2）開挖工作面前方的巖性分界面、特別是軟弱夾層的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，主要包括發(fā)育形態(tài)、范圍、部位和充填物性質(zhì)等的預(yù)報(bào)，以及巖溶涌水、突泥的可能性預(yù)報(bào)。

3）提供掌子面前方圍巖級(jí)別建議。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場探測

工程采用中國電波傳播研究所生產(chǎn)的LTD-2100型高速地質(zhì)雷達(dá)，配備主頻為100 MHz的天線對(duì)隧道掌子面前方的圍巖進(jìn)行探測，每次探測深度30.000 m。進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時(shí)，將天線貼緊掌子面沿測線方向緩慢勻速地移動(dòng)。

2.3 檢測結(jié)果分析及施工建議

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)典型圖像顯示：掌子面前方0～30.000 m探測范圍內(nèi)電磁波反射較強(qiáng)烈，同相軸連續(xù)性差，呈中低頻，能量變化規(guī)律性差，信號(hào)衰減快。推測掌子面地質(zhì)情況主要以強(qiáng)風(fēng)化巖石為主，巖體破碎呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，局部有滲水，圍巖穩(wěn)定性及完整性差，開挖時(shí)極易出現(xiàn)坍塌等現(xiàn)象。開挖施工時(shí)，要求做好超前防護(hù)及洞室成型后的加強(qiáng)支護(hù)，控制開挖循環(huán)進(jìn)尺，防止塌方，減少安全事故的發(fā)生。

3 施工技術(shù)應(yīng)用

隧洞穿越松散堆積體地質(zhì)洞段時(shí)，嚴(yán)格按照“先探測、預(yù)注漿、短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測”的原則組織施工。開挖掌子面前先采用小導(dǎo)管、大管棚等進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，然后對(duì)仰拱以上部分采用三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行開挖，開挖后及時(shí)跟進(jìn)錨、網(wǎng)、噴、鋼架等聯(lián)合支護(hù)形式穩(wěn)固開挖洞段，再進(jìn)行仰拱開挖并將初期支護(hù)封閉成環(huán)，最后進(jìn)行仰拱及邊頂拱混凝土二次襯砌施工。

3.1 超前小導(dǎo)管施工

超前小導(dǎo)管注漿是沿隧道縱向在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)向前上方傾斜一定角度的密排注漿鋼花管[3]，然后通過注漿對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行注漿加固，確保隧道開挖施工安全。

工程小導(dǎo)管采用管長4.500 m，直徑48.0 mm、壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管加工。尾部長度50.0 cm預(yù)留止?jié){段，其余部分按15.0 cm間距呈梅花形交錯(cuò)設(shè)置注漿孔，孔徑8.0 mm，前端加工成錐形。

小導(dǎo)管布置在拱頂127°范圍內(nèi)，花管孔間距40.0 cm，外插角12°，長3.000 m，搭接長度1.500 m。注漿材料采用水膠比為1∶1的水泥漿，注漿壓力采用0.5～1.0 MPa。漿液采用水泥、水玻璃雙漿液，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5，水玻璃濃度為35波美度。注漿前先進(jìn)行現(xiàn)場注漿工藝性試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)施工，施工工程根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)注漿參數(shù)。

超前小導(dǎo)管鉆眼及布管完成后，先對(duì)導(dǎo)管內(nèi)積物沖洗，然后進(jìn)行超前預(yù)固結(jié)灌漿，灌漿完成后立即堵塞鋼管孔口。

3.2 大管棚跟管鉆進(jìn)

在開挖隧道襯砌拱圈弧線上預(yù)先鉆孔并安裝一定長度的鋼管作為管棚，作為隧洞下部石方開挖后用于隧洞拱頂以上圍巖的支撐，保證隧洞成型后工作安全的目的[5]。一般比較均質(zhì)的地層采用常規(guī)的施工方法即可完成鉆孔及安插鋼管工作，但對(duì)于松散體圍巖且夾雜大孤石地層施工管棚時(shí)，上述施工方法無法滿足施工要求，工程采用跟管鉆進(jìn)施工大管棚。

跟管鉆進(jìn)采用鉆進(jìn)過程中跟進(jìn)套管的方式直接將管棚鋼管送入孔內(nèi)，防止已成孔段內(nèi)孔壁坍塌或鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)鉆具卡死現(xiàn)象，鉆孔產(chǎn)生的巖粉通過穩(wěn)桿器上的鍵槽吹出孔外[6]。工程管棚鋼管前部3.000 m采用強(qiáng)度較大的R780合金鋼管，后部17.000 m中間采用強(qiáng)度一般的DZ40合金鋼管，鋼管加工成1 m/節(jié)的成品，采用套絲進(jìn)行連接。即在每節(jié)管棚鋼管端部設(shè)置長7.5 cm內(nèi)絲扣，兩節(jié)鋼管的連接采用鋼套管設(shè)長15.0 cm外絲扣連接。

跟管鉆進(jìn)施工前，先進(jìn)行導(dǎo)向墻施工，然后采用潛孔鉆將鋼管分節(jié)送入孔內(nèi)。鉆孔和鋼管一次性安設(shè)完成后，在管棚鋼管內(nèi)插入加強(qiáng)鋼筋并進(jìn)行灌漿作業(yè)，加強(qiáng)鋼筋由4根O20鋼筋組成。灌漿漿液配比采用水膠比為0.7∶1的水泥漿漿液，減水劑摻加量為1.2%，注漿壓力終壓為1.0 MPa。

3.3 三臺(tái)階七步開挖法

三臺(tái)階七步開挖法分上、中、下3個(gè)臺(tái)階7個(gè)開挖面施工，各部位的開挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開，平行推進(jìn)隧道施工[7]。施工過程中拱部采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土，利用核心土施壓掌子面，中下部先開挖兩側(cè)，保持中部土體不動(dòng)，保證掌子面穩(wěn)定[8]。三臺(tái)階七步開挖法施工順序如圖1所示。

圖1 三臺(tái)階七步開挖法施工順序

該工程隧道開挖高度為9.400 m，開挖寬度為11.500 m。臺(tái)階開挖高度根據(jù)有利于開挖穩(wěn)定、施工人員和設(shè)備的作業(yè)空間、隧道設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行劃分，其中上臺(tái)階開挖高度為3.200 m，考慮利用核心土作為施工平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)要求，核心土頂面距拱頂距離為1.700 m，寬度根據(jù)施工需要設(shè)置；中臺(tái)階開挖高度為2.600 m；下臺(tái)階開挖高度為1.400 m；仰拱中心部位開挖高度為2.200 m。三臺(tái)階七步開挖法施工步驟：1）上臺(tái)階環(huán)形留核心土導(dǎo)坑開挖，施作拱部初期支護(hù)；2）上臺(tái)階預(yù)留核心土及中臺(tái)階中部開挖；3）中臺(tái)階左、右兩側(cè)錯(cuò)開開挖，施作墻部初期支護(hù)；4）下臺(tái)階左、右兩側(cè)錯(cuò)開開挖，施作墻部初期支護(hù)，下臺(tái)階中部開挖；5）底部仰拱開挖及底部初期支護(hù)施作，并及時(shí)施作仰拱盡早封閉成環(huán)。

隧道開挖以人工配合反鏟為主，局部較大孤石部位采用零星爆破，反鏟配合15臺(tái)自卸氣場出渣，開挖支護(hù)施工必須及時(shí)施工。

仰拱施工時(shí)，采用12.000 m棧橋作為仰拱施工時(shí)的洞內(nèi)交通，在施作2組3.000 m仰拱混凝土后，移動(dòng)棧橋轉(zhuǎn)入下一段仰拱施工。仰拱及仰拱回填混凝土施工完成后，根據(jù)隧道施工方案適時(shí)施作二次襯砌混凝土。

3.4 隧道支護(hù)參數(shù)調(diào)整

由于松散堆積體隧洞段圍巖強(qiáng)度極低，施工過程容易出現(xiàn)開挖掌子面坍塌、施工完成后的洞身變形等質(zhì)量安全事故，因此，為了保證開挖施工順利推進(jìn)，必須及時(shí)對(duì)隧道支護(hù)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整：1）為了增加鋼架的強(qiáng)調(diào)，采用型鋼鋼架代替格柵鋼架，將原鋼架間距由設(shè)計(jì)60.0 cm調(diào)整至50.0 cm，局部調(diào)整至30.0 cm；2）增加噴混凝土厚度，噴混凝土厚度由原來的24.0 cm增加到26.0 cm；3）減小超前小導(dǎo)管的環(huán)間距和管間距，將小導(dǎo)管改長3.000 m，搭接長度1.500 m，管間距由設(shè)計(jì)40.0 cm調(diào)整為25.0 cm；4）減小錨桿施工環(huán)距，將原設(shè)計(jì)環(huán)間距60.0 cm調(diào)整至50.0 cm；5）在隧道穿越松散堆積體時(shí)，采用環(huán)形預(yù)留核心土法結(jié)合三臺(tái)階七步開挖法施工，同時(shí)縮短循環(huán)開挖進(jìn)尺；6）在原初期支護(hù)內(nèi)側(cè)增加二次施工護(hù)拱鋼支撐，以增加初期支護(hù)剛度。

4 隧道施工期安全監(jiān)控

隧道開挖后，因隧洞圍巖應(yīng)力重新分布和應(yīng)力釋放，圍巖呈現(xiàn)位移和性質(zhì)變化等狀態(tài)[9]，因此，在隧道施工過程中必須進(jìn)行監(jiān)控量測工作。

4.1 隧道施工監(jiān)控量測目的

1）通過收集的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析，為隧道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)信息。

2）為正確選擇隧道開挖方法和確定混凝土二次襯砌施作時(shí)間提供數(shù)據(jù)支持。

3）為隧道設(shè)計(jì)參數(shù)的修正和優(yōu)化提供依據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

4.2 隧道監(jiān)控量測內(nèi)容及方法

隧道監(jiān)控分為主要監(jiān)測項(xiàng)目和選擇性監(jiān)測項(xiàng)目，其中主要監(jiān)測項(xiàng)目主要有洞內(nèi)觀察、頂拱沉降量測、周邊收斂量測等[10]，必須做為隧道施工日常工作進(jìn)行管理。

1）洞內(nèi)觀察

洞內(nèi)觀察主要是對(duì)開挖掌子面的圍巖情況，已施工段噴射混凝土有無裂縫、滲漏水情況，錨桿、鋼架有無破壞及變形情況等進(jìn)行觀察，同時(shí)采用數(shù)碼相機(jī)和記錄表格及時(shí)進(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)異常情況立即上報(bào)相關(guān)單位。觀測頻次不少于隧道施工規(guī)范要求。

2）頂拱沉降和周邊收斂量測

在進(jìn)行隧道開挖施工過程中，頂拱沉降及周邊收斂量測在同一斷面進(jìn)行，主要方法為在測樁上粘貼全站儀反射片，采用徠卡TS06全站儀（測角：2″；測距：1.5 mm+2 ppm）進(jìn)行無接觸式測量讀數(shù)。初讀數(shù)應(yīng)在開挖后12 h內(nèi)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讀數(shù)，根據(jù)讀數(shù)計(jì)算頂拱沉降和周邊收斂變化值。觀測過程中必須做到觀測人員、儀器、控制基準(zhǔn)點(diǎn)固定。測樁布置形式如圖2所示，測樁斷面間距按5.000 m進(jìn)行一組布置。

圖2 測樁布置形式

4.3 隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集、整理及分析

完成現(xiàn)場量測和數(shù)據(jù)采集后，并及時(shí)對(duì)現(xiàn)場觀測所得的資料加以整理，編制成表格和說明，使它形成便于使用的成果，最終形成監(jiān)控量測周報(bào)、月報(bào)，隧道開挖施工完成后形成成果總結(jié)報(bào)告。量測資料保存在施工現(xiàn)場，以便于核查。具體步驟：1）核查各項(xiàng)原始記錄，檢查監(jiān)測值的正確性；2）對(duì)各種觀測值按時(shí)間逐點(diǎn)填寫觀測數(shù)值表；3）繪制各種變形過程線或變形分布圖；4）根據(jù)數(shù)據(jù)整理結(jié)果對(duì)初期支護(hù)的時(shí)態(tài)曲線應(yīng)進(jìn)行回歸分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。

監(jiān)控量測典型成果表見表1，典型的變形分布圖見圖3。

表1 監(jiān)控量測典型成果表

圖3 監(jiān)控量測典型的變形分布圖

5 結(jié)語

拉哇水電站隧道工程采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)技術(shù)預(yù)先對(duì)隧道圍巖進(jìn)行預(yù)判，為提前確定隧道開挖支護(hù)方案提供了技術(shù)依據(jù)，確保施工安全；采用環(huán)形預(yù)留核心土法結(jié)合三臺(tái)階七步開挖法施工，保證了隧道穿越松散堆積體洞段的順利施工；采用小導(dǎo)管超前支護(hù)方案代替部分大管棚施工，降低了工程成本；采用“跟管鉆進(jìn)”方案，避免了隧洞穿越松散、破碎洞段大管棚鉆孔卡鉆、塌孔等質(zhì)量事故的發(fā)生；根據(jù)實(shí)際隧道圍巖地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整開挖方案和支護(hù)參數(shù)能確保施工安全，推進(jìn)施工進(jìn)度；通過隧道安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)收集、整理及分析，對(duì)確定隧道施工期安全穩(wěn)定和隧道二次襯砌施作時(shí)間提供數(shù)據(jù)支持。