不良地质段超大断面隧洞管棚支护施工技术

李国亚 贾平

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

1 工程概况

夹岩水利枢纽工程库尾伏流工程位于大坝上游，贵州省赫章县平山乡六冲河河段，距大坝直线距离约40km，距毕节市约70km，距赫章县约50km，平山至毕节和赫章有G326 国道及毕威高速通过，交通条件较好。库尾伏流工程小天桥泄洪工程由2条泄洪隧洞组成，隧洞断面均采用城门洞型断面，断面尺寸12×16.5m，顶拱中心角120°。泄洪隧洞为3 级建筑物，设计洪水标准为20年一遇，小天桥设计流量为1720m3/s。

小天桥段槽谷长约700m，最低处为河床，高程1278m，槽谷内最高处高程1364m，槽谷宽70～130m。已查明槽谷地形为古河床，小天桥伏流河段古河床槽谷内存在古崩塌堆积体，槽谷内普遍分布深厚覆盖层，成分复杂，地表为坡积物及崩塌堆积物，成分为大块石(巨石)及碎块石等，结构松散。根据围岩不同，开挖宽度12.76～14.0m，开挖高度16.87～18.3m。

2 不良地质洞段存在的主要问题

小天桥泄洪隧洞不良地质洞段主要为大块石、巨块石堆积体，其间充填碎块石、粘土，局部存在大块石架空、小空腔，洞顶垮塌严重，洞室不规则，洞顶及边墙块石为极不稳定状态。比如在小天桥1#泄洪隧洞开挖至桩号0+403掌子面时，地质状况均为松散块状堆积体大块石，其间充填碎石粘土，因其形成年代久远，有一定的重力固结及溶钙物胶结，仅可短期自稳。从桩号0+403开始，根据设计现场查勘意见采用Ⅴ类围岩双层工字钢开挖支护形式掘进至0+413.5时，洞顶出现垮塌，垮塌后空腔内均为大（巨）块石，可见大块石架空，局部见钙化物胶结现象。在小天桥2#泄洪隧洞开挖至掌子面桩号0+356时，地质状况同样为松散块石堆积体，其间充填碎石粘土，0+348～0+352按照设计现场勘察意见采用IV类偏差围岩的方式进行支护，0+352～0+356段围岩鉴定为Ⅴ类，0+356掌子面于2016年11月洞顶出现局部垮塌，垮塌后空腔内均为大（巨）块石，可见大块石架空现象，局部见钙化物胶结现象，按照设计地质专家推测，隧洞已进入河槽崩塌堆积体范围。

图1 小天桥1#泄洪隧洞0+413.5m 塌方

图2 小天桥2#泄洪隧洞0+356m掌子面围岩

3 针对不良地质条件采取的监控措施

（1）通过对开挖出来的掌子面围岩地质情况进行分析，采取测量监测的施工方法，对其安全稳定性进行监测；（2）通过采用掌子面地质素描手段，在初步设计提供的地质资料的基础上进行实地调查核实，以确定隧洞的地层、岩性、岩层产状；（3）通过和设计资料的对比、分析，为隧洞掘进提供地质情况预报。掌子面地质素描在隧洞开挖作业每一开挖循环后立即进行，根据掌子面暴露岩层的层理、节理、裂隙结构状况、岩体软硬程度等方法，判断开挖前方的地质情况，若有异常情况，及时根据现场实际情况制定相应的处理措施。

4 针对不良地质洞段的开挖支护设计

顶拱及侧墙喷射厚度20cm；钢筋挂网采用HPB300级钢筋，钢筋直径8mm，间排距20cm。系统锚杆采用水泥砂浆锚杆，杆件选用HRB400级螺纹钢筋，锚杆直径25mm，顶拱及侧墙系统锚杆长6.0m，底板系统锚杆长4.5m/3.0m，长短锚杆间隔布置。钢支撑采用I20b工字钢，环向间距0.5m；每榀钢拱架采用12对长6.0m、直径Φ25的砂浆锚杆锚固；洞轴线分布钢筋采用HRB400级螺纹钢筋，锚杆直径25mm，间距1.0m，与环向工字钢点焊连接。超前锚杆支护采用水泥砂浆锚杆，杆件选用HRB400级螺纹钢，锚杆直径Φ32mm，锚杆长9.0m（深入岩体8.7m），环向间距5°（间距75cm），洞轴向排距7.5m，孔向与洞轴线夹角5°，搭接长度1.5m。超前管棚支护采用Φ108×6mm注浆大管棚，大管棚布置在隧洞顶拱120°范围，钢管间距40cm，每个循环段长度15m，搭接长度1.5m；外倾角5°；大管棚钢管内设置4根HRB400级Φ16螺纹钢组成的钢筋束；钢管选用高频淬火无缝钢管Φ108mm，壁厚6mm，每节长1.5m、3m，各节间采用丝扣连接；水泥砂浆注浆压力初定为0.5～1Mpa，注浆量按150kg～200kg/m控制。

5 管棚施工方法

5.1 管棚工作室施工

不良地质洞段由于围岩自稳性差，在管棚段施工前，确定管棚工作室位置尤为重要。在小天桥泄洪隧洞不良地质洞段管棚施工时，为便于架设钻机，安设钢管，管棚工作室断面扩挖至设计开挖线以外1m，工作室长度4m。工作室段采用单层I20b钢拱架支撑，间距0.5m，挂网、喷射20cm厚混凝土支护。

5.2 钻孔施工

（1）钻机就位。钻机就位前，先将钻机施工区域内的基础进行夯实、平整，确保在钻进过程中钻机不发生倾斜、下沉或滑动。钻机的底板采用水平尺或水准仪将其调平。钻臂的仰角与设计仰角保持一致。钻机采用JK580履带式液压钻机。

（2）钻进。施钻时，钻机大臂必须紧贴掌子面，以防止过大颤动，提高施钻精度。钻机开孔时钻速宜低，钻深最少100cm后转入正常钻速。施钻过程中，由于不良地质段的长度不确定，因此在施钻过程中钻孔记录要详细。

5.3 管棚跟管施工

（1）跟管工艺：钻头推进时套管直接跟进，管棚一次成型，达到本节钢管的最大行程，退钻、接杆、接管后，继续跟管钻进直至达到孔深。

（2）接长管件材质满足管棚受力的要求，相邻管的接头前后错开，避免接头在同一个断面受力。

（3）封闭钢管尾部先用麻布条封堵管棚钻孔空隙，然后用环形楔环顶紧，最后用电焊将楔形环焊接在管棚上。

（4）跟钻钻进施工过程中，如出现钻孔深度较深，受大块石之间孔隙影响，钻孔向下倾斜，跟管操作不了时，可及时采取先灌注水泥砂浆固结，达到一定强度后，再次跟管钻进，保证钻孔角度及深度。

5.4 钢筋束施工

（1）钢筋束采用4根纵向Φ16钢筋制作，长度7.5m，与环向Φ6.5钢筋焊接，环向钢筋间距50cm。钢筋笼半径36.5mm。制作完成后，在钢筋束首尾端各采用Φ6.5钢筋焊接一个“十字”与钢筋笼点焊，防止钢筋束直接与无缝钢筋接触，保证注浆管路不堵塞及注浆效果良好。

（2）钢筋束钢筋选用无锈蚀、无油污、无铁锈的钢筋，钢筋有锈蚀的使用前要除锈，除锈采取人工用钢丝刷方法除去钢筋表面的锈斑、锈渍。

（3）钢筋束钢筋选用平直、无局部弯折的钢筋材料，对弯曲的钢筋调直后使用。调直采用冷拉或调直机调直，冷拉法多用于箍筋的调直，采用冷拉法调直时应匀速慢拉，Ⅰ级钢筋冷拉率不得大于2%，Ⅱ级钢筋冷拉率不得大于1%。主筋端部弯折无法调直，采用无齿锯切割[1]。

5.5 钢筋束安装

钢筋束骨架在钢筋加工厂整体制作加工成型。钢筋束主筋接头要错开，在每一截面上接头数量不得超过50%，按设计要求的钢筋位置布置好箍筋，箍筋间距50cm。箍筋与主筋连接采用焊接。成型后的钢筋束自检合格后报监理工程师验收，验收合格后挂牌置于专用场地，采用下垫上盖存放，妥善保护。钢筋束采用20t自卸汽车运至施工现场，在工作面利用挖掘机吊放安装。

5.6 注浆方式

注浆采取“控制性充填灌浆方式”，即单孔分3次间歇性灌浆，第1次注入纯水泥浆（水灰比0.5：1，灰量以300kg控制），间歇20～30分后，进行第2次纯水泥浆（水灰比0.5：1，灰量以300kg控制）注入，间歇20～30分后，进行第3次注浆，采用M30高流态水泥砂浆（灰量以300kg控制）且必须保证Φ108钢花管内砂浆灌满。

5.7 注浆

（1）安装好有孔钢花管、放入钢筋笼后即对孔内注浆，浆液由ZJ-400高速制浆机拌制。

（2）采用注浆机将浆液注入管棚钢花管内，注浆应满足要求，若注浆量超限，未达到设计要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围空隙充填饱满。管棚注浆顺序原则上遵循着“先两侧后中间”、“跳孔注浆”、“由稀到浓”的原则。注浆施工由两端管棚钢管开始注浆，跳孔进行注浆施工，向隧道拱顶钢管方向推进，开始时注浆的浆液浓度稍低，逐渐加浓至设计浓度。有利于注浆的浆液向拱顶方向扩散。

6 结语

夹岩水利工程库尾伏流工程小天桥泄洪隧洞洞室开挖支护是在地质条件复杂、古崩塌堆积体中成功实施的范例。不良地质洞段开挖通过采用“短进尺、弱爆破、强支护、勤监测、多循环”的施工工艺，保证了隧洞开挖的正常进行；通过增加超前管棚支护，有效解决了古崩塌堆积体不良地质洞段的塌方、掉块等问题，保证了洞室开挖的施工安全和洞室稳定；本文对超大断面洞室不良地质开挖、支护的施工技术和经验总结，可为今后类似不良地质条件下的隧洞开挖、支护施工提供一定的参考和借鉴。