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探索水工隧洞通过不良地质段施工技术

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2020年第35期作者：陈立峰

[导读] 摘要：水工隧洞开挖施工很容易受到不良地质段的影响，塌方和塌落现象可能因处理不当发生。

        新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局新疆乌鲁木齐 830000
        摘要：水工隧洞开挖施工很容易受到不良地质段的影响，塌方和塌落现象可能因处理不当发生。基于此，本文以某引水隧洞工程作为研究对象，深入探讨水工隧洞通过不良地质段施工技术的具体应用，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。
        关键词：水工隧洞；不良地质段；超前小导管注浆工艺
        前言：
        遇水软化、软弱带、断层破碎带等不良地质均可能对水工隧洞开挖施工造成负面影响，这种影响在工期、质量、安全等层面均存在直观体现。为有效应对不良地质影响，应设法提高岩体自稳能力，因此本文研究主要围绕能够实现超前支护的超前小导管注浆工艺展开。
        1.工程概况
        以全长6644m的某引水隧洞工程作为研究对象，该工程出口高程、进口高程分别为638.88m、640.0m，属于典型的“城门洞”型无压隧洞，存在5m3/s的设计流量，以及3.44m×3.86m的Ⅴ类围岩开挖净断面尺寸，采用全断面光面爆破方式进行开挖。案例工程一般存在130m以下的隧洞埋深，最大隧洞埋深为300m，主要经过河谷区、山前洪冲积倾斜平原、基岩山区，穿过的地层包括第四系、奥陶系、寒武系，岩性以卵石混合土、白云岩、灰岩、低液限黏土层为主。多数地下水处于洞底板以下，层间滞水局部发育，隧洞围岩类型中Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类占比分别为23.1%、1.9%、74.8%。通过地质勘探可以确定，案例工程

段存在25m宽的破碎带，同时存在20～150m的影响带宽和70m的附近埋深。结合实际开挖和TSP超前地质预报可以确定，厚层鮞状灰岩夹薄层灰岩为该处主要地层岩性，局部存在黄白、灰白色断层泥和断层角砾，拱顶成型差、岩体破碎，掉块现象严重，自稳时间短。桩号

及

段为土洞段，地层岩性以低液限黏土、卵石混合土为主，卵石混合土出露于部分洞段上部地表深沟底部且顺沟展布，地表雨水下渗通道因此形成，这使得遇水后土层容易出现变形，遇水的混合土卵石层可能出现塌陷，洞室稳定性受此影响大幅下降。
        2.水工隧洞通过不良地质段施工技术的具体应用
        2.1施工方案
        受断层破碎带等因素影响，案例工程水工隧洞施工扰动后存在较差的自稳能力，塌陷事故很可能发生，遇水情况下土洞段土体稳定性会大幅下降，大的塌空区很容易形成，如存在支护方式处理和施工方法不当问题，塌方、冒顶等事故发生几率将大幅提升。为保证水工隧洞施工过程的安全、顺利，需提前加固易坍塌土洞段和破碎围岩，因此案例工程采用了能够实现超前支护的超前小导管注浆工艺，通过对导管抗拉特性的利用，预锚固前方围岩可保证开挖掌子面侧边和顶部滑塌实现有效预防。通过对导管抗剪、抗弯特性的利用，可有效支撑顶部破碎围岩及土体，基于对围岩的约束，土体的松动变形规避、大面积顶部土体坍塌均可顺利实现，钢拱支架能够接收周边均匀传递的荷载。在超前小导管注浆工艺支持下，水工隧洞施工前可形成一定范围的固结区，土体、围岩稳定性能够得到有效改善，环向承载也能够在周围形成，坍塌或塌滑预防、支护前施工安全保障均可受到积极影响。通过针对性的方案比选，案例工程最终决定在水工隧洞自稳能力差的土洞段和不良地质段采用超前小导管注浆工艺，辅以短进尺弱爆破、工字钢加强支护、超前注浆加固、监控量测强化、少扰动快封闭等施工方式，水工隧洞通过不良地质段施工最终得以取得预期效果[1]。
        2.2选材和加工
        基于案例工程水工隧洞开挖洞径，以及相关设计和具体洞段地质情况，案例工程选择热轧无缝钢管作为小导管，单根长度、管径、壁厚分别为4m、Φ42、3.5mm。采用尖锥状插入岩体的小导管端头，长度控制为10cm，钢筋加劲箍焊接于尾部，规格为Φ8，止浆阀设置于最末端。注浆孔在管体四周施钻，规格控制为Φ8mm，具体选择梅花形布置，按照15cm控制间距且不在尾端1m范围设置。完成钻孔后需要清理铁屑，并磨平注浆孔周围毛刺[2]。
        2.3支护施工
        在安装小导管前，需通过混凝土的喷射将掌子面封闭，之后进行钢拱架施工，按照40cm间距将小导管环向安装于断层破碎带洞段，具体在拱顶135°范围布置，每环布置单层小导管12根，一个循环为2m。按照30cm安装间距在易塌方土洞段布置，具体在拱顶180°范围布置，基于1m控制排距。在钢拱架外侧设置小导管，具体布置结合隧洞开挖轮廓线并向外倾斜，按照10～15°控制外插角。基于钻孔打入法进行超前小导管在断层破碎带洞段的施工，钻孔使用气腿式凿岩机，规格为YT-28，相较于小导管直径，钻孔直径大出3～5mm，之后基于3m长度进行钻机顶入，杆体内残存砂石需要吹出。基于人工锤击的方式将土洞段小导管打入，小导管尾部需在安装过程中及时检查并做好保护，不得出现损坏变形问题。安装后焊接固定钢拱架与小导管尾端，孔口周围裂隙使用锚固剂封堵。
        2.4注浆加固
        案例工程使用1：1水灰比的水泥进行注浆，规格为PO42.5，按照0.5～1.0MPa控制注浆压力。施工开始前对注浆泵进行检查，保证管路正确连接且设备正常。施工过程按照从下到上控制注浆顺序，对称施工围绕两侧拱脚至拱顶进行，土洞段注浆首先围绕局部无渗水的注浆孔开展，渗水孔注浆在之后进行。基于设计注浆量控制施工，每根为0.081m3，同时结合1.0MPa的设计终压，明确注浆结束时间，具体施工流程如图1所示[3]。

        图 1 注浆工艺流程
        具体施工过程由专业负责检查注浆泵排浆量和压力变化情况，通过对注浆情况的分析，并严格记录注浆压力、注浆量，即可实现对注浆效果的动态控制，漏浆、跑浆、堵管等注浆施工问题也能够有效预防，如出现串浆需第一时间封堵串浆孔。此外，工作面的支护状态还应由施工安全员进行全程观察，由此可确定施工过程中支护变形问题未出现。
        2.5开挖
        开挖需要在注浆完成12h后进行，开挖采用弱爆破、短进尺、勤支护、强支护、多循环方式。松动爆破用于断层破碎带洞段，药量需要严格控制，同时基于1.5m控制每循环最大进尺。爆破后需要及时排除危石，并进行混凝土喷射，厚度、规格分别为3～5cm、C20。小型挖掘机机械开挖与小范围松动爆破用于易塌落土洞段施工，按照1m控制最大进尺。
        2.6钢拱架支护
        立拱前封闭开挖洞段掌子面，具体采用混凝土喷射方式，规格为C20，起拱至顶拱进行系统锚杆环向施工，规格、排距、长度分别控制为Φ25、1m、2m，梅花型布置，系统锚杆不在土洞段设置。断层破碎带洞段设置I14工字钢材质的钢拱架，按照80cm控制间距，易塌方土洞段按照50cm控制间距，同时采用每榀10根钢筋纵向连接钢架，规格为Φ25。测设位置后开展安装施工，架立钢拱架后需立即喷射12cm厚的混凝土，规格为C20，以此保证混凝土与钢筋融为一体，共同受力得以实现。混凝土需要分层喷射，拱脚喷射密实需通过严格检查保证，以此更好控制施工质量。
        结论：
        综上所述，水工隧洞通过不良地质段施工需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的支护施工、注浆加固、钢拱架支护等内容，则提供了可行性较高的施工路径。为更好开展不良地质段施工，钢筋网片与钢拱架的科学应用、隧洞初期支护要求满足、经济性与安全性的兼顾同样需要得到重视。
        参考文献：
        [1]张怡.水工隧洞通过不良地质段施工技术探讨[J].建材与装饰，2019（30）：248-249.
        [2]荣世光.长大深埋型水工隧洞不良地质条件TBM施工技术研究[J].中国水能及电气化，2019（01）：18-22.
        [3]潘选明.浅析水工隧洞通过不良地质段施工技术[J].低碳世界，2018（12）：81-82.