简述新奥法在温泉河水库导流泄洪输水放空隧洞开挖过程中的应用

简述新奥法在温泉河水库导流泄洪输水放空隧洞开挖过程中的应用

李晓龙

云南建投第一水利水电建设有限公司，云南,昆明650217

摘要：在水利工程地质较差的输水导流隧洞中采用小挖掘开挖，可节约火工材料。小挖掘机开挖，能满足工期要求，而且开挖断面容易控制，超欠挖量不大。实践证明小挖掘机开挖隧洞是经济合理的，跟钻爆施工方法相比，不仅大大缩短了工期，而且能够保证工程质量。

关键词:导流隧洞；围岩软弱风化；岩体破碎；岩体碎裂；局部渗水；塌方；新奥法

1.工程概况

1.1 导流泄洪输水放空隧洞结构形式

宁洱县温泉河水库导流隧洞结合泄洪、输水、放空功能合并布置，由进口明渠段、进水塔、洞身段和出口消力池段组成，隧洞洞身段长约 445m。

泄0+000.000m～泄0+445.00m为洞身段，洞身段长445.00m，其中泄 0+000.000m～泄0+010.000m、泄0+127.686m～泄0+167.686m、泄0+143.986～泄 0+153.986为渐变段，隧洞进口底板高程为1484.0m，隧洞底坡分为三段，底坡 i=3.88%（泄0+000.000m～泄0+137.686m），底坡i=0%（泄0+133.686m～泄0+143.686m），底坡i=4.00%（泄0+143.986m～泄0+445.00m）。导流隧洞断面形式分别为衬砌后2.8m×3.2m-120°的城门洞型（0+000.000m～0+137.686m）和直径D=3.2m的圆形（泄 0+143.986m～泄0+445.00m），隧洞全长采用钢筋混凝土衬砌，其中泄0+409.0m～泄0+445.00m为钢衬段，钢筋混凝土衬砌厚度0.4～0.7m。导流隧洞的城门洞型断面部分顶拱120°范围内和圆形断面部分顶拱150°范围内进行回填灌浆。隧洞开挖过程中，根据地质条件设置系统喷锚支护等一次支护措施，Ⅳ和Ⅴ类围岩支护型式：L14钢支撑，间距0.5m（Ⅴ类），0.75m（Ⅳ类），喷C20混凝土厚15cm，挂网钢筋Φ6.5，@20cm×20cm，系统锚杆22，L=3m，@1.5mX1.5m。
1.2 工程地质

（1）桩号泄0+000.0～泄0+137.7开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第一层(K1m2-1)：岩性为紫红、紫灰色泥岩，泥质粉砂岩，该段围岩桩号泄0+000.0～泄0+020.0为强风化，桩号泄0+020.0后为弱风化，岩体破碎，岩体结构为碎块结构。该洞段位于地下水位线以下，洞壁潮湿，掌子面及底板局部渗水，综合判定该段围岩类别为极不稳定的Ⅴ类。

（2）桩号泄0+137.7～泄0+146.7开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第一层(K1m2-1)：岩性为紫红色泥岩夹紫灰色泥质粉砂岩，该段围岩为弱风化，岩体结构为薄层状结构，岩体完整性差。该洞段位于地下水位线以下，洞壁潮湿，掌子面及底板局部渗水，综合判定该段围岩类别为不稳定的IV类。

（3）桩号泄0+146.7～泄0+170.0开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第一层(K1m2-1)：岩性为紫红色泥岩夹泥质粉砂岩，该段围岩为弱风化，岩体结构主要为碎块结构，局部呈薄层状结构，岩体较破碎～完整性差。该洞段位于地下水位线以下，洞壁潮湿，掌子面及底板局部渗水，综合判定该段围岩类别为极不稳定的Ⅴ类。

（4）桩号泄0+170.0～泄0+196.0开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第一层(K1m2-1)：岩性为紫红、紫灰色泥岩夹泥质粉砂岩，该段围岩为弱风化，岩体结构主要为互层状结构，局部呈薄层状结构，岩体完整性差。桩号泄0+196.0～泄0+231.0开挖揭露地层为白垩系下统曼岗组中段第二层下部(K1m2-2a)：岩性为紫红、紫灰色长石石英砂岩夹泥质粉砂岩，该段围岩为弱风化，岩体结构为互层状结构，岩体完整性差。该洞段位于地下水位线以下，洞壁潮湿，掌子面及顶拱渗、滴水，底板局部渗水，综合判定该段围岩类别为不稳定的Ⅳ类。

（5）桩号泄0+231.0～泄0+266.0开挖揭露地层为白垩系下统曼岗组中段第二层下部(K1m2-2a)：岩性为黄褐色长石石英砂岩夹粉砂岩，该段围岩为弱风化，岩体结构为碎块结构，岩体破碎。桩号泄0+251.0～泄0+266.0揭露断层F出-01，断层产状为N10°E，SE∠45°，宽度为2.0m～2.5m，主要为碎裂岩、糜棱岩、断层泥充填，胶结差。该洞段位于地下水位线以下，洞壁潮湿，掌子面及顶拱以渗、滴水为主，底板局部渗水，综合判定该段围岩类别为极不稳定的Ⅴ类。

（6）桩号泄0+266.0～泄0+299.0开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层下部(K1m2-2a)：岩性为紫灰色长石石英砂岩夹粉砂岩，该段围岩为弱风化，岩体完整性差，岩体结构为薄层状结构。该洞段位于地下水位以下，洞壁潮湿，掌子面局部渗水，综合判定围岩类别为IV类。

（7）桩号泄0+299.0～泄0+337.0开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层下部(K1m2-2a)：岩性为紫灰色长石石英砂岩，该段围岩为弱风化，岩体较破碎，岩体结构为碎裂结构；桩号泄0+337.0～泄0+346.0开挖揭露断层F5：宽度为7m～9m，主要为碎裂岩、糜棱岩充填，胶结较差；桩号泄0+346.0～泄0+349.6开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层中部(K1m2-2b)：岩性为紫红色粉砂质泥岩，该段围岩为弱风化，岩体较破碎，岩体结构为碎裂结构；该洞段位于地下水位以下，洞壁潮湿，掌子面局部渗水，综合判定围岩类别为Ⅴ类。

（8）桩号泄0+349.6～泄0+357.8开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层中部(K1m2-2b)：岩性为灰褐色砂岩，该段围岩为弱风化，岩体较完整，岩体结构为互层状结构。其中桩号泄0+356掌子面揭露f出-01：宽度为5cm～15cm，主要为碎裂岩、糜棱岩充填，胶结较差。该洞段位于地下水位以下，洞壁潮湿，掌子面局部渗水，综合判定围岩类别为Ⅲ类。

（9）桩号泄0+357.8～泄0+382.0开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层中部(K1m2-2b)：岩性为紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹黄褐色砂岩，该段围岩为弱风化，岩体完整性差，岩体结构为薄层状结构。该洞段位于地下水位以下，洞壁潮湿，掌子面及洞壁局部渗水，桩号泄0+369.4左边墙底部出露一处线状流水，q=0.1L/s～0.2L/s。综合判定围岩类别为Ⅳ类。

（10）桩号泄0+382.0～泄0+427.0开挖揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层中部(K1m2-2b)：岩性为紫红色泥岩、粉砂质泥岩，该段围岩为弱风化，岩体较破碎，岩体结构为碎裂结构；桩号泄0+427.0～泄0+445.0洞段揭露地层岩性为白垩系下统曼岗组中段第二层上部（K1m2-2c）： 黄褐色、紫红色长石石英砂岩。桩号泄0+427.0～泄0+434.0为弱风化，桩号泄0+434.0～泄0+445.0为强风化，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩体结构以碎裂结构为主，局部碎块结构。该洞段位于地下水位以下，洞壁潮湿，掌子面及洞壁局部渗水，综合判定围岩类别为Ⅴ类。

根据上述统计，本隧洞工程各类型围岩占比为Ⅲ类1.8%，Ⅳ类28.6%，Ⅴ类69.6%。

2.新奥法的特性

2.1及时性

新奥法施工采用喷混凝土支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护及时性和有效性。

在隧洞爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。

2.2封闭性

由于喷射支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有岩体强度。

隧洞开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有产生变形或塌落，当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，大大提高了围岩的强度。（提高了围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。

2.3 粘结性

喷锚支护同围岩能全面粘结，可以产生三种作用。

（1）联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开挖后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度可以抵抗围岩局部破坏，防止个别围岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。

（2）复合作用，即围岩与支护构成一个复合体（受力体系）共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，且有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承担的弱点。

（3）柔性。喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支护且有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非强性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。 3.新奥法的应用

本工程隧洞开挖总长445m，围岩类型所占比例为：Ⅰ、Ⅱ类围岩长度0m占比0%，Ⅲ类围岩长度8.2m占比为1.8%，Ⅳ类围岩长度127.2m占比为28.6%，Ⅴ类围岩长度310.2m占比为69.6%。按以上计算Ⅳ、Ⅴ类围岩占比相加为98.2%，所以本工程属于软弱围岩。针对软弱围岩的岩石特性，按“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”新奥法施工的基本原则，本隧洞采取挖掘机开挖和弱爆破两种施工方法。

3.1 超前管棚施工

因岩体较破碎，岩体结构为碎裂结构，超前管棚可起到加固岩体结构的作用，通过管棚与块状岩间的相互作用，一定程度上抑制了开挖后顶拱岩石的掉落。在泄0+000.0～泄0+349.6m和泄0+349.6～泄0+357.8m共436.8m布置超前管棚，泄0+349.6～泄0+357.8m段8.2m岩石较完整稳定，未安装超前管棚。管棚采用Φ50无缝钢管，长L=6m，间距0.4m，在顶拱150º范围布置见图3-1。采用挖掘机开挖时三个循环安装一排管棚，见图3-2。采用弱爆破开挖时两个循环安装一排管棚，见图3-3。共安装9786.3m。

图3-1 超前锚杆布置图

图3-2 挖掘机开挖管棚布置

图3-3 弱爆破开挖管棚布置

3.2小型挖掘机开挖

现场采用小型挖掘机开挖和弱爆破开挖，是由现场管理人员根据揭露出的围岩岩性的变化情况来判断。因Ⅴ类围岩表现为构造破碎带、进出口及浅埋洞段的全风化或部分强风化岩体。节理密集发育或碎块状、土状，地下水活动强烈，多见渗水和滴水或线状流水。散体结构，部分碎裂结构，具松散连续介质特征，容重Pd= 2.00～2.20 g/cm3、岩体抗剪断c'=0.05～0.1MPa、抗剪f=0.30～0.35、变形模量E0=0.1～0.3×104MPa、泊松比μ=0.30～0.35、允许承载力［R］=0.2～0.4MPa、单位弹性抗力系数（有压洞K0＜500MPa/m，无压洞K0＜100MPa/m）、岩石坚固系数f＜0.5。遵循新奥法“少扰动”原则，采用小松PC56-7液压挖掘机带三角形破碎锤全断面开挖，每一循环进尺1.5m，人工风镐修整拱顶及侧墙，扒渣机配合装渣，三轮车出渣的施工方法。小型挖掘机开挖桩号有泄0+000.0～泄0+44.3m、泄0+116.2～泄0+213.0m、泄0+357.0～泄0+445.0m共229.1m。见图3-4。小型挖掘机开挖完成工程量3669m3。

3.2.1小型挖掘机技术参数

表1

图3-4 小松PC56-7液压挖掘机开挖示意图

3.3弱爆破开挖

3.3.1 概述

Ⅳ类围岩强风化及部分弱风化上部的长石石英砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、构造影响带，节理密集带，以及浅埋洞段岩体。3组节理或3组节理加紊乱节理，间距0.1m～0.3m，延伸几米至几十米，起伏、粗糙，微张至宽张。洞段多见渗水和滴水。中厚层状结构。容重Pd= 2.30～2.50 g/cm3、岩体抗剪断c'=0.1～0.3MPa、抗剪f=0.45～0.55、变形模量E0=0.5～1×104MPa、泊松比μ=0.25～0.30、允许承载力［R］=0.5～0.8MPa、单位弹性抗力系数（有压洞K0=500～2000 MPa/m，无压洞K0=100～500MPa/m）、岩石坚固系数f=0.5～1.5。此类围岩硬度有所提高，继续延用挖掘机开挖施工进度较慢。所以超前管棚施工好之后，开始组织钻爆工作，为减少多次开挖对围岩的应力扰动和爆破振动，开挖采用弱爆破施工方法。具体桩号有泄0+044.3～泄0+116.2m、泄0+213.0～泄0+357.0m共215.9m。弱爆破开挖循环进尺为2.0～2.2m。弱爆破开挖完成工程量3459m3。

3.3.2炮孔布置

为减少爆破对围岩的扰动，周边孔间距0.6m，马蹄型断面孔数22个，其中空孔9个。城门型断面孔数19个，其中空孔10个，采用Φ25的小药卷，间隔装药，间隔距离30cm。炮孔布置见图3-5。

图3-5马蹄型断面炮孔布置图

图3-5城门型断面炮孔布置图

3.3.3钻爆参数表

表2马蹄型断面炮孔布置表

表3 城门型断面炮孔布置表

3.4 临时支护

本隧洞不稳定围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生，局部地段还出现地下水，存在较大规模塌方的可能，隧洞稳定问题特别突出。针对此种情况，临时支护主要采用Ⅰ14工字钢支撑，间距0.5m，挂网钢筋Φ6.5，@20cm×20cm。喷C20混凝土厚度15cm。系统锚杆Φ22，L=3m，单排距150cm×150cm梅花型布置相结合的支护方法。

3.4.1钢拱架施工

（1）钢拱架加工制作

钢拱架在加工场制作加工，分为圆弧和拱脚两部分。拱脚加工时，按设计直接下料，圆弧部分加工时，按设计尺寸要求制作定型加工模具，用两个50T液压电动千斤顶制作拱架，直接加工成型。

（2）钢拱架安装

钢拱架安装未占用设计衬砌断面，架立时已挖槽就位，钢拱架的立柱均安放在坚硬的基础上，若围岩较软，均设置钢垫板。每榀钢拱架用锁脚锚杆进行锁定，同时每榀钢拱架之间用Φ25间距1.0m的连接钢筋连接，使钢拱架连接成一个整体，增强抵抗围岩变形的能力，见图3-6。钢拱架安装桩号有泄0+000.0～泄0+445.0m，长度445m。锁脚锚杆Φ22，L=1.5m安装完成2300根。钢拱架安装完成169t。

3.4.2钢筋网施工

钢筋网制作，首先将Φ6.5圆盘钢筋拉直，下料长度为2×2m，制作2×2m钢筋网片，然后用制作成型的钢筋网片运输至洞内施挂，用电焊与安装好的砂浆锚杆进行点焊，钢筋网片与钢筋网片搭接长度为5～10cm。钢筋网片安装完成18t。

3.4.3锚杆施工

（1）钻孔

锚杆孔孔位由测量根据设计图纸布孔。孔位偏差小于10cm，系统锚杆孔轴方向垂直开挖面或岩体结构面，将严格按照设计要求的角度逐孔放样定孔位。入岩深度小于3m，φ22的锚杆孔，采用手风钻造孔。

（2）清孔

钻孔结束后，采用高压风、水清孔至合格。

（3）锚杆加工

锚杆一律使用螺纹钢，按图纸设计长度在加工厂下料、调直、除锈、除油。

（4）锚杆灌浆

注浆水泥为42.5的普通硅酸盐水泥，砂为中细砂(最大粒径<2.5mm)，拌合用水符合规范要求。采用风动注浆器注浆，再人工安装锚杆。

（5）系统锚杆共完成2448根。见图3-6。

图3-6 马蹄型断面系统锚杆

3.4.4 喷混凝土

3.4.4.1胶凝材料

（1）水泥

选用符合国家标准的普通硅酸盐水泥，水泥应有生产厂的质量证明书。采用景谷红狮水泥有限公司生产的P.042.5普通硅酸盐水泥。初凝时间189min，终凝时间262min。

表4

（2）细骨料

细骨料采用的是坚硬耐久的粗、中砂，细度模数宜符合规范要求，喷射混凝土中未检出活性二氧化硅的骨料，喷射混凝土的骨料级配应满足相关规范规程的规定。采用老者寨石料场生产的人工砂，粒径为0.16～5mm，细度模数2.75。

表5

（3）速凝剂

速凝剂的质量应符合DL/T5100的有关规定及施工图要求并有生产厂的质量证明书。由曲靖飞昌建材有限公司生产的速凝剂，产品型号DJ4速凝剂，掺量5%。

表6

3.4.5配合比

喷射混凝土配合比，是通过室内试验和现场试验选定，符合施工图要求，在保证喷层性能指标的前提下，尽量减少水泥和水的用量。速凝剂的掺量通过现场试验确定，喷射混凝土的初凝和终凝时间，满足施工图和现场喷射工艺的要求，喷射混凝土的强度符合施工图要求，配合比试验成如下。

水灰比（0.45）、砂率（55%）、水（230）、水泥（511）、砂（843）、速凝剂（25.55）。

3.4.6喷射混凝土

（1）施工要求

喷混凝土在施工前已先将受喷面松动岩块、浮碴等杂物清除、冲洗干净，用高压风水枪冲洗喷面，对遇水易潮解的泥化岩层，应采用压风清扫岩面；埋设控制喷射混凝土厚度的标志；有地下涌水地方，采用断源截流、打孔引流、埋管导流等有效措施处理后进行喷射。

（2）喷混凝土

①先喷射一薄层，形成薄层塑性层，然后自下而上地进行喷射，先喷洞室一边，再转到另一边施喷，最后合拢喷顶，并注意使用顶拱喷成较规整的圆滑拱形，减少了应力集中和通风阻力。喷射时按半径30cm的圆转动，先补平凹处，然后沿蛇行线纵向施喷，行间搭接2-3cm。

②喷射要求：喷嘴垂直于岩面，喷边墙时，喷嘴略向下偏10度左右；喷射距离为0.6～1.0m，风压：边墙0.15～0.2Mpa，拱部0.2～0.3Mpa，一次喷射厚度：掺速凝剂时拱部为5～6cm，边墙为7～10cm；不掺速凝剂时拱部为3～4cm，边墙为5～7cm。

③混合料随拌随喷，掺有速凝剂时，存放时间不大于20min。不掺有速凝剂时，存放时间不大于4小时。

④分层喷射间隔时间，一般为15～30分钟，若终凝后间隔1小时以上，再次喷射时，受喷面要用风、水冲洗，然后施喷；紧跟开挖面喷混凝土施工时混凝土终凝至下一循环放炮时间间隔不少于3小时。

⑤网喷混凝土施作时，钢筋网在喷射一层混凝土后辅挂，钢筋网应与锚杆及其它固定装置连接牢固。开始喷射时应减少喷头至喷面的距离，并调整喷射角度，钢筋保护厚度不小于2cm，喷混凝土中如有脱落的岩块或混凝土备钢筋网架住，应及时清除后再喷射。见图3-7。共完成C20喷射混凝土750m3。

图3-7 临时支护纵剖图

3.5塌方处理

隧洞掘进到泄0+260.0桩号时，在隧洞右上方发生塌方，并从塌方处大量涌出泥石流状混合物，泥石流状混合物在掌子堆集长度35m。塌方体处理方案见图3-8。

图3-8塌方处理纵剖图

3.5.1塌方体处理方法

（1）麻袋挡土墙Ⅰ期施工

首先在塌方体距掌子面30m处，打入地基0.8m，处露1.0m，间距0.2m两排Φ50钢管桩，清除钢管桩处塌方体后，用麻袋装石渣，砌筑挡土墙。

（2）喷混凝土封闭塌方体

在塌方体上喷一层C20厚20cm混凝土封闭塌方体。

（3）固结灌浆

喷混凝土封闭塌方体后，在塌方体内插入长6m，Φ50花管对塌方体进行固结灌浆。

（4）麻袋挡土墙Ⅱ期施工

在塌方体距掌子面20m处，打入地基0.8m，处露2.0m，间距0.2m两排Φ50钢管桩，清除钢管桩后的塌方体（第一段清理塌方体），用麻袋装石渣，砌筑挡土墙。

（5）麻袋挡土墙Ⅲ期施工

在塌方体距掌子面10m处，打入地基0.8m，处露2.50m，间距0.2m两排Φ50钢管桩，清除钢管桩后的塌方体（第二段清理塌方体），用麻袋装石渣，砌筑挡土墙。对塌方体再次进行固结灌浆后，进行第三段塌方体清理。

3.5.2 泄0+260.0～0+263.0塌方段开挖

施工方法

开挖进尺0.5m，留核心土的施工方法。第一步：人工开挖上台阶周边，留核心土。第二步：上台阶钻孔安装锚杆，安装钢支撑，焊接钢筋网。第三步：上台阶边墙喷混凝土。第四步：开挖核心土，第五步：安装下台阶钢支撑，焊接钢筋网。第六步：台阶边墙喷下混凝土。

图3-9 核心土开挖方法

4 结束语

综合上述，将新奥法应用于软弱地质隧洞工程，可使隧洞掘进开挖比较安全，可节约建材，降低成本，如：采用小挖掘开挖，可节约火工材料。小挖掘机开挖，能满足工期要求，而且开挖断面容易控制，超欠挖量不大。实践证明小挖掘机开挖隧洞是经济合理的，跟钻爆施工方法相比，不仅大大缩短了工期，而且能够保证工程质量。

施工中过程中要尽量做到少扰动，尽量采用机械开挖或弱爆破开挖，减少对围岩的扰动次数，扰动强度，扰动持续时间和扰动范围。早锚喷，有较控制围岩变形，充分发挥围岩的自承能力。勤量测，施工过程中对围岩周边位移进行现场监控量测，以及反馈修正设计参数，指导施工。