上果园隧洞后段变形段施工技术总结

姚国平，文 凯

（中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南长沙 410117）

1 工程简介

1.1 工程概况

云南省滇中引水工程由石鼓水源工程和输水工程组成，其中输水工程总长约664.236km，划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段6段。

大理Ⅰ段施工6标起止桩号DLⅠ91+206.00～DLⅠ112+429.00，全长21.223km，涉及的受水区有大理白族自治州洱源县及大理市，沿线经邓川、上关、双廊等乡镇。本标段设置支洞0.657km/2 座，其中老马槽隧洞1#施工支洞(长0.346km)。

上果园隧洞地质主要岩性为微新状粗面安山岩夹凝灰岩层，岩石强度：粗面安山岩Rb一般50～60MPa，岩体完整性差，结构面平直粗糙充填岩屑，部分充泥；凝灰岩Rb一般5～15MPa，较破碎，结构面多平直光滑充泥；地下水状态：预测洞内(裸洞)主要为线状流水，凝灰岩洞段渗滴水；强度应力比一般大于2，凝灰岩洞段小于2。

隧洞基岩主要为二叠系玄武岩组第8 段(Pβ8)粗面安山岩夹凝灰岩，总体呈微新状态，局部可能发育富水风化囊，囊内岩体破碎。岩流面走向与洞轴线总体成大夹角相交，岩流面缓倾为主，局部中倾，倾角一般20°～40°。粗面安山岩中裂隙发育，岩体总体较破碎，凝灰岩强度低，且遇水易软化。该段围岩主要Ⅳ类，部分Ⅲ1类和Ⅳ类，凝灰岩洞段一般为Ⅴ类，总体成洞条件较差、部分差，隧洞开挖过程中易在项拱产生掉块塌方现象，尤其是凝灰岩出露与洞室顶拱时极易垮塌，此外，由于围岩裂隙较发育，裂隙和岩流面可能组合形成易垮塌掉块的随机块体。局部洞段粗面安山岩可能发育柱状节理，开挖后围岩易卸荷松弛，稳定性差。粗面安山岩总体富水且弱透水，而凝灰岩隔水，在隧洞开挖揭穿凝灰岩或富水风化囊时，则易发生突水突泥现象。

1.2 变形段

变形位置位于上果园隧洞DLⅠ094+430.1～DLⅠ094+418.1 左线拱部，2020 年12 月24 日凌晨4:30 左右掌子面出渣完成后出渣车司机发现洞内左线出现裂缝，至5：00 洞内值班人员发现拱部裂缝持续增大且钢架出现整体下沉，为保证施工安全，及时撤出掌子面所有人员及设备；5：30 钢架变形增大至1.5m 左右，且钢架发生持续变形；6：00 钢架下沉至2.0m 左右，DLⅠ094+430.1左线拱部内凝灰岩及散碎石块溜出约15m3，见图1。工区立即组织人员机械对掌子面及变形段采取反压回填措施，防止再次出现拱部垮塌。该处隧洞埋深约320m，围岩类别为Ⅴ类，根据现场揭露情况，左线岩性为玄武岩夹凝灰岩，右侧为玄武岩，掌子面轴线处偏左为凝灰岩隔水层，渗水主要为右侧玄武岩内的夹层及大量裂隙水，凝灰岩遇水变软，岩石破碎，围岩无自稳能力，右侧及中线拱部有大面积渗流水，最大涌水量达到280m3/h。

2 人员及机械设备配置

2.1 人员配置

为满足现场施工要求，项目部及工区管理人员配置，见表1，班组人员配置，见表2。

表1 项目部及工区人员配置表

表2 施工班组人员配置表

2.2 机械设备及材料配置

为满足施工要求，应对施工中可能的突发情况，投入主要机械设备、材料，见表3。

表3 机械设备、材料投入表

3 超前支护措施

3.1 变形段

对现有初支断面进行复测，对侵限段初支进行反压回填，见图2；掌子面采用C20 喷射混凝土封闭，挂∅8@0.15m×0.15m 钢筋网片，厚度0.2m。在左线垮塌及溜塌空腔内预埋3根∅100mm钢管，溜塌处前后2m处拱顶打设2 根∅100mm 钢管，待回填反压至顶后喷砼封闭掌子面，采用车载泵泵送C20 混凝土至空腔填充满。待混凝土初凝完毕后（间隔8h），在线左溜塌空腔处打设∅42mm 小导管，间距0.3m，长度6m，排距3m，外倾45°～60°，采用单液浆（水泥净浆）进行超前固结灌浆。施工过程中严格执行施工工艺，注浆初始压力为0.5～1.0MPa，终压为2.0MPa。每孔的注浆压力达到2.0MPa 时，继续保持10min 以上后可以结束注浆。将空腔内空隙填充密实。

注浆完成后待浆液达到一定强度（间隔8h）重新开挖后进行换拱处理，换拱坚持一循环两榀的原则（便于半剖工字钢连接施工），拆装要及时，拆除后保证30cm的预留变形量而后立即进行钢拱架安装，安装完毕后线左钢拱架采用∅76mm锁脚锚管，长度8m，纵向连接筋调整为半剖工字钢。拱架安装时由于拱脚为软弱围岩，易下沉，因此需采用I22工字钢进行支垫。

待上述工作全部完成，并到达一定强度后，拱部180°范围内采用径向固结灌浆，灌浆深度6.0m，采用∅42mm×3.5mm 小导管注浆，灌浆孔间排距1.5m，梅花型布置。灌浆过程中密切观测初支面变形情况，出现异常及时增加临时横撑等加固措施。径向固结灌浆结束后施作排水孔。

3.2 三台阶法施工

上台阶高度5.62m，中台阶高度3.16m，下台阶高度2.5m，见图3。上台阶钢架为三节A单元，中台阶为两节B 单元，下台阶为两节C 单元，底板为两节D 单元。根据现场地质情况线右为玄武岩及粗面安山岩，岩体整体性较好，稳定性较好，换拱完成后先施工线右中台阶。为了不扰动线左变形段，开挖时采用弱爆破或者机械开挖。中台阶施工每循环2榀，锁脚锚杆采用∅25mm砂浆锚杆，长度6m。线右中台阶施工完成5m后再施工线左中台阶，由于线左变形较大因此线左开挖尽量不采用爆破，采用机械开挖。中台阶施工每循环2 榀，采用∅76mm 锁脚锚管，长度8m，纵向连接筋调整为半剖工字钢。下台阶施工与中台阶施工一致。底板施工每循环6榀，采用简易栈桥施工，开挖后及时进行支护封闭成环。为保证后续衬砌施工，下台阶施工完成后在下台阶增设排水孔，上台阶出水孔没水后再进行止水灌浆。

4 排水措施

针对该变形段及凝灰岩风化囊的排水措施，需注意的几个原则是：反压体拱脚不过流、拱顶不受压、掌子面不受压，水流冲刷反压体拱脚会造成拱脚失稳易发生二次变形，拱顶受压存在拱架变形或崩垮的风险，掌子面受压则可能造成更大的变形甚至涌水。

为解决这三个问题，先后在掌子面下方、拱顶、边墙等部位钻设了多个排水孔，见图4、图5；并在掌子面埋设多根∅150mm 排水管引排掌子面流水，实施结果表明有效，掌子面超前管棚的水流由于下方的排水孔而停止流水，说明此段洞室的水是贯通的，可以将水完全向下方引排；同时对掌子面方向流出的少量渗水采用水沟引排，不让水流冲刷反压体拱脚；不过需注意的是，凝灰岩遇水变软弱，极易塌孔，排水孔打设完成后应立即埋设排水管。下台阶施工完成后在下台阶增设排水孔，将水位降低，将水引入排水沟内。

5 施工中的注意事项

5.1 加强各项监测、观测

除了加强常规（收敛、沉降、流量等）的监测外，对其可能涉及的隐患部位也要进行加强，如水质、喷射混凝土是否开裂等，尤其在进行施工时，拱部是否有异常声响及水量水质的突变是施工观测的重中之重。施工前、施工中、施工后的监控量测是变形段施工中的重点，是指导现场施工的一个重要参数。

5.2 资源准备充足

在处理地质灾害时，时间就是生命、就是金钱，所以面对可能发生的地质灾害，在前期就要将所可能需要的物资、设备准备齐全，比如沙袋、抽水泵、模板、网片、管棚、注浆小导管、潜孔钻机、注浆机、输送泵等等，不能等灾害发生后，再去准备。

在施工过程中，在开挖将结束时喷射混凝土就必须到场准备，一是保证在开挖完成后立即喷射混凝土及时封闭开挖面，二是在钢架安装完成后及时进行喷射混凝土施工，以尽可能在短的时间内对开挖的临空面进行支护封闭并承受围岩的变形力。

5.3 变形段施工

（1）成立应急管理小组，加强预防突发事故的演练，确保对出现大变形甚至涌水等地质灾害时能及时有效应对。

（2）施工步骤要明确，遵循先探后挖、先注后挖、先排后挖、及时支护原则。

（3）用电必须规范。现场值班人员及专职电工必须加强巡视检查，对发现的隐患必须及时处理，确保用电安全。

（4）支护成环一段距离后，必须进行径向固结灌浆施工，固结开挖面以外的岩层，确保施工安全，以防“关门”事故发生。（5）监测人员在洞内值班，及时进行监测，发现异常及时通知现场操作人员迅速撤离至安全位置。

6 施工总结及建议

（1）凝灰岩是由火山喷发后的火山灰而成，软弱、破碎、无结构性，且具有随机存在的特性，施工中遇到凝灰岩岩层时，发生地质灾害的可能性大大增加；但当下常规的超前地质预报（TSP、TGS、地质雷达等）方法的可靠性并不高，所以超前探孔的重要性不言而喻，超前探孔能更直观地了解前方的岩层结构，从而对施工可以更具有针对性。因此，必须加强超前探孔施工，并将其纳入工序进行管理。

（2）对隧洞中凝灰岩风化囊的开挖，应做好监控量测、超前支护、排水孔、初期支护加强，最主要的是安全施工，不可盲目追求进度而大面积、大进尺开挖，必要时还应缩小开挖断面以加快初支成环封闭时间。

（3）遇到因凝灰岩遇水膨胀而造成的钢拱架变形应及时进行回填反压，并及时对掌子面进行封闭，采用“超前固结灌浆+径向注浆”的方法对变形段进行注浆加固处理。

（4）换拱过程中应实时监测，出现异常应及时撤出机械设备，保证施工安全。换拱前应先施工超前小导管等超前支护措施，防止因换拱造成的后续洞段的变形及垮塌。拱架拆除坚持“少用机械，人工拆除，不损连接”的原则，拱架拆除前应采用增加锁脚锚杆及临时连接筋的措施加强未变形拱架的支护，拆除过程中尽可能保证钢架连接处的可靠性。

（5）对于软弱围岩换拱时对拱脚应采用混凝土块或者型钢进行支垫，为加强拱架整体性应增加连接筋数量或者换成半剖工字钢等进行连接。锁脚锚杆在支护中起到至关重要的作用，因此要对锁脚锚杆进行加强，改为锁脚锚管并加长，锁脚锚管应深入基岩0.5～1.5m，并对锁脚锚管进行注浆加固。

（6）变形段施工过程中不能操之过急，所有工序施工完成后必须待混凝土及水泥浆液达到一定强度后再进行下一循环的施工，进行下一循环施工的同时对已成型段进行径向注浆加固。径向注浆达到一定强度后再打设排水孔，避免水渗入凝灰岩层再次膨胀应力增加造成二次变形。