古崩塌体中超大隧洞开挖及支护关键技术

古崩塌体中超大隧洞开挖及支护关键技术

 田凯翔，陈春竹,田方洁

 贵州省水利投资（集团）有限责任公司    贵州省贵阳市   550000

摘要：针对超大隧洞穿过古崩塌体地层的管棚法开挖施工，本文依托夹岩水库库尾伏流工程小天桥泄洪隧洞古崩塌体地质条件，对该地层开挖及支护关键施工技术进行研究和创新，总结出一套针对这种古崩塌体地层先进的施工工艺及处理方法，为类似工程施工提供借鉴。

关键词：古崩塌体   超大隧洞   管棚   跟管施工   控制性充填灌浆

1  概述

夹岩水库库尾伏流工程小天桥泄洪隧洞由2条隧洞组成，共计长约1km，其中小天桥1#泄洪隧洞洞身长649m（变更调整前602.5m），2#泄洪隧洞洞身长430.5m（变更调整前460.0m）。隧洞断面均采用城门洞型断面，设计开挖最大断面尺寸为14×18.3m，衬砌后断面尺寸为12×16.5m，顶拱中心角120°。

小天桥1#泄洪隧洞0+403.0～0+413.5段掌子面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0+403桩号开始根据设计意见采用Ⅴ类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。见图1。

图1  1#泄洪隧洞0+413.5桩号洞顶“大块石”架空

小天桥2#泄洪隧洞0+356掌子面同样为松散块石堆积体，其间充填碎石粘土，0+348～0+352按照设计意见采用IV类偏差的方式进行支护，0+352～0+356段围岩鉴定为Ⅴ类，0+356掌子面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，按照设计推测隧洞已进入河槽崩塌堆积体范围。见图2。

图22#泄洪隧洞0+356.0桩号洞顶出现局部垮塌

2  不良地质条件段管棚施工技术参数

自2016年9月至2017年2月期间，由于洞内大块石架空现象严重，管棚钻孔成孔非常困难，采用各种施工方式处理后，原计划采用的15.0m为一个循环段的管棚施工，成功钻进的仅有7根（采用Φ150套管先跟管成孔后顶入Φ108钢花管），钻孔成功率只有8%；管棚钢花管直接跟管仅跟进3根，跟管成功率仅有1%。通过总结前一段时间的施工经验，采取先用钻杆成孔后再采用Φ108钢花管跟管钻进的施工方法，在跟进7m～9m左右后易出现管靴断裂。

鉴于上述情况，根据现场实际，调整后的管棚施工技术参数如下：

（1）管棚长度由原定的15.0m调整为9.0m为一个循环段实施；

（2）采用φ108×6mm注浆大管棚+钢支撑联合喷锚网强支护形式；

（3）同时为便于洞内管棚架设钻机，安设钢管，管棚工作室尺寸扩挖至设计开挖线以外1.0m，工作室长度为4.0m。

（4）钢管规格：高频淬火无缝钢管φ108mm，壁厚6mm，长度9m，节长1.5m、3m；

（5）管距：环向间距40cm；

（6）倾角：管棚仰角5°，方向：沿洞轴线方向向山体内偏转5°；

（7）管棚连接：采用丝扣连接；

（8）钢管施工误差：纵向同一横断面内的钢管接头数量不大于50%，相邻钢管的接头至少需错开1m。

3  管棚施工方法及程序

3.1施工准备

（1）采用孤石解炮的方式，将1#洞0+413.5桩号、2#洞0+356桩号垮塌的大块石进行分解，然后通过反铲挖掘机装渣，20t自卸汽车运至指定的小天桥弃渣场，运距2.3km。

（2）小天桥1#泄洪隧洞采用挖掘机配合人工将已损坏的双层钢拱架拆除，挖掘机吊装，20t自卸汽车将损坏的钢拱架运至废料堆放场地，运距1km。

（3）从指定弃渣场选取粒径小于40cm的石渣或将垮塌后的可利用石渣，运至1#洞0+413.5桩号、2#洞0+356桩号压实，形成石渣平台，作为管棚施工设备的操作平台。待该段管棚施工完成后采用反铲挖掘机或侧卸装载机装渣，20t自卸汽车运至小天桥弃渣场。

（4）1#洞0+411.0～0+414.6段施工扩大断面的Ⅰ20钢拱架支撑，采用卡特320挖掘机配合人工进行钢拱架的架设。施工前，先采用混凝土喷射机喷射15cm厚混凝土，封闭掌子面，避免其与空气接触时间长，再次出现掉块、垮塌等安全隐患。

（5）对1#洞0+403.0～0+413.5段拱顶存在的空腔，采取回填C20混凝土1.5m厚再吹填1～2m砂层缓冲处理，确保洞室管棚施工时的安全。

（6）在开挖轮廓线处施工钢拱架套拱，在浇筑套拱混凝土前，按设计仰角和外切角安设孔口管起导线、固定作用。孔口管采用Φ150热轧无缝钢管。孔口管由Φ25定位钢筋固定在拱架上。

3.2管棚施工

3.2.1施工工艺流程

施工工艺流程图见图3。

3.2.2管棚施工工序操作要点

（1）开挖管棚工作室

1）工作室确定

对于不良地质条件段，由于围岩自稳性差，需加强支护，采用单层工字钢，较设计断面顶拱扩大1m，挂网、喷射20cm

厚混凝土支护。因此需开挖顶拱扩大1m的工作室。

2）工作室尺寸

为便于架设钻机，安设钢管，管棚工作室尺寸扩挖至设计开挖线以外1m，工作室长度4m。

（2）钻孔施工

1）钻机就位

钻机就位处的基础应进行夯实，确保在钻进过程中，钻机不发生倾斜或滑动。钻机的底板应用水平尺或水准仪将其调平。钻臂的仰角与设计仰角相同。钻机采用JK580履带式液压钻机。

图3  管棚跟管钻进施工工艺流程图

2）钻进

①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。

②钻机开孔时钻速宜低，钻深最少100cm后转入正常钻速。

③由于不良地质段的长度不确定，因此，在施钻过程中要做好钻孔记录。

④本管棚为洞内施工，局部孔管棚仰角可能受操作空间影响，需根据实际情况再进行微调整，调整范围5°左右。

3.2.3管棚跟管施工

考虑该处地质围岩条件，管棚顶管施工成孔非常困难，且成孔轴线极易出现偏转，造成顶管施工过程中，花管不能顶进孔底，采用管棚跟管施工。

（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）管件制作：管棚采用Φ108的无缝钢管，钢管采用3m、1.5m管节逐段接长，连接接头采用厚壁箍，上满丝扣，丝扣长度为15cm；为保证受力均匀性，钢管接头应纵向错开，偶数第一节用1.5m，奇数第一节用3m，以后各节均用3m。管棚入土长度为9m。

（3）接长管件应满足管棚受力的要求，相邻管的接头应前后错开，避免接头在同一个断面受力。

（4）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。

（5）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。

3.2.4钢筋束加工安装

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。

（1）钢筋加工

1）钢筋加工前应清除油污、浮皮、铁锈。除锈可采用机械除锈、喷砂方法除锈和采取人工用钢丝刷或砂轮除锈等方法进行。

2）钢筋应平直、无局部弯折，对弯曲的钢筋应调直后使用。调直可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。

3）钢筋加工前，技术人员应根据设计图纸要求对每根桩钢筋进行配料，下达配料单。加工人员在下料前认真核对钢筋规格、级别及加工数量，无误后按配料单下料。下料时，应采用无齿锯或钢筋切断机进行切割，严禁使用电、气焊切割。在钢筋切断前，先在钢筋上用石笔按配料单标注下料长度将切断位置做明显标记，将标记对准刀切断。

4）按规范要求钢筋接头位置应错开，以保证接头区段内的钢筋接头数量不大于50%，同一根钢筋上接头应尽量减少。

（2）钢筋连接

钢筋连接可以采用机械连接、电弧焊接或闪光对焊，本工程钢筋束采用电弧焊接。

钢筋焊接时，质检员对焊接的钢筋随机抽样，确保焊接过程监控到位，焊接接头应检测，由监理工程师见证抽样送检。

（3）钢筋束加工及安装

钢筋束骨架在本工程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。

下放钢筋束时，采用平板车或20t自卸汽车运至施工现场，在工作面利用挖掘机吊放安装。

3.2.5注浆试验

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。根据小天桥1#泄洪隧洞0+413.5～0+421段管棚注浆效果显示，下阶段管棚支护仍采取“控制性充填灌浆的方式”，管棚注浆（浓浆）量可稍微提高，以150kg～200kg/m注灰量控制，其他参数不做调整。

3.2.6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，促进浆液的致密程度，有利于达到防渗要求。奇数孔注浆完成后进行偶数孔管棚施工，重复奇数孔注浆程序。

（3）注浆控制要点

1）为了保证管棚注浆施工作业顺利进行和保证管棚施工质量和安全，注浆前应做好止水止浆墙的施工：为防止注浆薄弱地段地下水涌出作业面及注浆时跑浆，注浆地段的起始处掌子面应喷射15cm厚混凝土。

2）注浆孔位要准确，定位偏差应小于5cm，孔底偏差不大于孔深的1%～2%。

3）拌浆时严禁纸屑等杂物混入浆液，拌好的浆液要过滤，未经过滤的浆液严禁进入泵体，以防堵塞。注浆过程中，要时刻注意泵口及孔口的压力变化情况，发现问题及时处理。双液注浆时，要经常测定混合气候的浆液的凝结时间，防止由于泵及管路故障，造成浆液比例改变而发生事故。注浆过程中，如发现孔口及工作面漏浆，要采取封堵，缩短凝胶时间及采用间歇注浆方式。做好钻孔、注浆记录，为分析注浆效果提供依据。注浆结束后，要彻底的清洗泵体和管路，以保证下次注浆安全顺利进行。

4）注浆施工过程中如发现掌子面漏浆，应及时用麻布进行封堵。

5）注浆结束：完成一个循环段长的管棚注浆施工后，在管棚支护的保护下，按步骤进行下一个循环段开挖。

4  结语

隧洞通过软弱破碎岩体、流塑状粘土、岩溶充填流泥、流沙等不良地质地段，由于围岩自稳能力极差，开挖时容易坍塌，甚至突水涌泥，给施工带来极大的困难，使工程耗资大，施工时间长，往往成为控制工程安全、质量及工期目标的关键。

夹岩水库库尾伏流工程小天桥1#泄洪隧洞0+403.0～0+413.5段掌子面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0+403桩号开始根据设计意见采用Ⅴ类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。在严重困难、施工受阻的情况下，经分析对比，决定采用Φ108×6mm注浆大管棚+钢支撑联合喷锚网强支护形式施工，并组织科技攻关，使隧洞古崩塌体地层综合整治取得成功。此项技术在夹岩水库库尾伏流工程古崩塌体地层施工中的开发应用，保证了古崩塌体地层的开挖安全、质量及进度目标，是隧洞岩溶综合整治技术的重要组成部分。为后续类似工程提供参考借鉴。

图4  1#泄洪隧洞上层0+416.5桩号管棚施工图

图5  2#泄洪隧洞上层0+356桩号管棚施工图

参考文献：

1. 彭涛,崔凯,刘雪剑,等. 蔡家村隧洞出口崩塌堆积体边坡开挖和安全防护[J]. 云南水力发电,2021,37(6):129-132.2021.06.031.
2. 殷建军,李士明,蒋冲. 某水电站引水隧洞塌方原因分析及处理措施[J]. 资源环境与工程,2011,25(3):232-235.2011.03.012.