松散堆积体地质隧道开挖施工技术

景 通，马建忠

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

随着后水电时代的到来，水电市场已逐步向西部偏远山区推进，而西部偏远山区特殊的高山峡谷地貌，使得水电站在建设场内交通道路中大多采用隧道形式。山区隧道建设常常遇到各种复杂特殊的地质条件[1]，隧道进、出口施工穿越松散堆积体洞段十分普遍。金沙江上游拉哇水电站右岸交通隧道施工中，受F109断层带影响，断层挤压带内填充有土和碎石混合物，整体呈松散堆积体结构。受松散堆积体影响，隧道开挖一度受阻，通过采取一系列施工技术措施，确保了隧道开挖在安全的前提下稳步推进。本文结合隧道在松散堆积体地质条件中开挖支护施工过程，详细介绍松散堆积体地质条件下隧道稳步快速推进的施工工艺及施工技术措施。

1 工程概况

拉哇水电站左岸位于四川省甘孜藏族自治州巴塘县拉哇乡境内，右岸位于西藏自治区昌都自治州芒康县竹巴笼乡境内，是金沙江上游13级开发方案中的第8级。筹建期右岸交通道路工程主要为②、④、⑧、⑫道路，受施工区内地形条件限制，道路以隧道为主。设计⑧道路设计长度为1 263.000 m，其中明线长12.000 m、隧道明洞长5.000 m、隧道洞身长1 246.000 m（桩号K0+000～K1+246.0）。隧道由出口开始掘进至K0+830桩号时围岩出现溶洞，洞身围岩整体性差，在隧道洞身掘进至K0+710.0桩号时，掌子面出现了塌方，塌方体为泥和碎石组成的松散堆积体，地质勘探将隧道围岩确定为F109断层带：断层带由K0+710.0桩号延伸至AK0+583桩 号；隧 道K0+830.0～K0+709.0和AK0+583.0～AK0+520.5为断层影响带，为避开隧道沿断层带施工，将原线路K0+000～K0+710.0段轴线进行调整，增加隧洞长度11.768 m。隧洞穿越断层及破碎影响带长度为321.268 m，其中穿越破碎带138.768 m，断层两侧影响带长度分别达120.000 m和62.500 m。

2 超前地质预报

超前地质预报的根本目的在于进一步查明掌子面前方一定范围内围岩的地质条件，超前探测地层岩性、软弱层的位置、岩体完整程度，以及断裂带位置、宽度、破碎程度、富水性等不良地质及隐伏的重大地质问题。从而达到优化施工方案，指导隧道施工顺利进行，减少隧道施工的盲目性；降低隧道施工地质灾害发生的机率，保证隧道施工安全；为隧道动态设计和信息化施工提供基础资料，使隧道设计施工科学、安全和快捷。超前地质预报的目标是准确预报掌子面前方围岩地质情况及富水情况，重点预报突水、突泥及断层破碎带等不良地质的具体位置、规模和影响程度。

目前，国内隧道超前预报工作方法多，常用的预报方法有地质分析法、物探法(TSP、地质雷达、红外探水)和超前地质钻探法等[2]，施工过程中大多将多种方法综合运用，基本准确地推测出掌子面前方岩体的结构、性质与状态。

2.1 超前地质预报内容

超前地质预报就是在隧道开挖施工之前，预先了解掌子面前已存在的地质相关信息，对岩体的完整性、软硬程度，节理的发育程度，含水情况等，做出科学正确的判定。其预报的作用、距离、精度、手段、方法、内容有多种，具有很强的综合性、系统性、未知性、实用性、客观性，需要不同专业人员的配合，同时还应根据具体的现场条件，合理地采取多种预报手段，扬长避短，相互补充，相互印证，多角度、多参数地对掌子面前方的地质情况进行预报。

针对该工程隧道存在的复杂工程地质条件及水文地质条件的特点，工程采取地质雷达检测为主、辅以掌子面地质预测超前预报的方式，共同构成隧道施工的地质综合预报体系，进行不良地质体的超前预报。

1）开挖工作面前方断层破碎带及岩体破碎带的超前预报，包括破碎带的产状、厚度、含水情况及力学特性等。

2）开挖工作面前方的岩性分界面、特别是软弱夹层的地质超前预报，主要包括发育形态、范围、部位和充填物性质等的预报，以及岩溶涌水、突泥的可能性预报。

3）提供掌子面前方围岩级别建议。

2.2 地质雷达现场探测

工程采用中国电波传播研究所生产的LTD-2100型高速地质雷达，配备主频为100 MHz的天线对隧道掌子面前方的围岩进行探测，每次探测深度30.000 m。进行现场数据采集时，将天线贴紧掌子面沿测线方向缓慢匀速地移动。

2.3 检测结果分析及施工建议

根据地质雷达典型图像显示：掌子面前方0～30.000 m探测范围内电磁波反射较强烈，同相轴连续性差，呈中低频，能量变化规律性差，信号衰减快。推测掌子面地质情况主要以强风化岩石为主，岩体破碎呈碎块状结构，构造节理裂隙发育，局部有渗水，围岩稳定性及完整性差，开挖时极易出现坍塌等现象。开挖施工时，要求做好超前防护及洞室成型后的加强支护，控制开挖循环进尺，防止塌方，减少安全事故的发生。

3 施工技术应用

隧洞穿越松散堆积体地质洞段时，严格按照“先探测、预注浆、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则组织施工。开挖掌子面前先采用小导管、大管棚等进行超前预支护，然后对仰拱以上部分采用三台阶七步开挖法进行开挖，开挖后及时跟进锚、网、喷、钢架等联合支护形式稳固开挖洞段，再进行仰拱开挖并将初期支护封闭成环，最后进行仰拱及边顶拱混凝土二次衬砌施工。

3.1 超前小导管施工

超前小导管注浆是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定角度的密排注浆钢花管[3]，然后通过注浆对掌子面围岩进行注浆加固，确保隧道开挖施工安全。

工程小导管采用管长4.500 m，直径48.0 mm、壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管加工。尾部长度50.0 cm预留止浆段，其余部分按15.0 cm间距呈梅花形交错设置注浆孔，孔径8.0 mm，前端加工成锥形。

小导管布置在拱顶127°范围内，花管孔间距40.0 cm，外插角12°，长3.000 m，搭接长度1.500 m。注浆材料采用水胶比为1∶1的水泥浆，注浆压力采用0.5～1.0 MPa。浆液采用水泥、水玻璃双浆液，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5，水玻璃浓度为35波美度。注浆前先进行现场注浆工艺性试验，并根据试验结果进行后续施工，施工工程根据实际情况及时调整设计注浆参数。

超前小导管钻眼及布管完成后，先对导管内积物冲洗，然后进行超前预固结灌浆，灌浆完成后立即堵塞钢管孔口。

3.2 大管棚跟管钻进

在开挖隧道衬砌拱圈弧线上预先钻孔并安装一定长度的钢管作为管棚，作为隧洞下部石方开挖后用于隧洞拱顶以上围岩的支撑，保证隧洞成型后工作安全的目的[5]。一般比较均质的地层采用常规的施工方法即可完成钻孔及安插钢管工作，但对于松散体围岩且夹杂大孤石地层施工管棚时，上述施工方法无法满足施工要求，工程采用跟管钻进施工大管棚。

跟管钻进采用钻进过程中跟进套管的方式直接将管棚钢管送入孔内，防止已成孔段内孔壁坍塌或钻进过程中出现钻具卡死现象，钻孔产生的岩粉通过稳杆器上的键槽吹出孔外[6]。工程管棚钢管前部3.000 m采用强度较大的R780合金钢管，后部17.000 m中间采用强度一般的DZ40合金钢管，钢管加工成1 m/节的成品，采用套丝进行连接。即在每节管棚钢管端部设置长7.5 cm内丝扣，两节钢管的连接采用钢套管设长15.0 cm外丝扣连接。

跟管钻进施工前，先进行导向墙施工，然后采用潜孔钻将钢管分节送入孔内。钻孔和钢管一次性安设完成后，在管棚钢管内插入加强钢筋并进行灌浆作业，加强钢筋由4根O20钢筋组成。灌浆浆液配比采用水胶比为0.7∶1的水泥浆浆液，减水剂掺加量为1.2%，注浆压力终压为1.0 MPa。

3.3 三台阶七步开挖法

三台阶七步开挖法分上、中、下3个台阶7个开挖面施工，各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进隧道施工[7]。施工过程中拱部采用环形开挖预留核心土，利用核心土施压掌子面，中下部先开挖两侧，保持中部土体不动，保证掌子面稳定[8]。三台阶七步开挖法施工顺序如图1所示。

图1 三台阶七步开挖法施工顺序

该工程隧道开挖高度为9.400 m，开挖宽度为11.500 m。台阶开挖高度根据有利于开挖稳定、施工人员和设备的作业空间、隧道设计参数进行划分，其中上台阶开挖高度为3.200 m，考虑利用核心土作为施工平台进行作业要求，核心土顶面距拱顶距离为1.700 m，宽度根据施工需要设置；中台阶开挖高度为2.600 m；下台阶开挖高度为1.400 m；仰拱中心部位开挖高度为2.200 m。三台阶七步开挖法施工步骤：1）上台阶环形留核心土导坑开挖，施作拱部初期支护；2）上台阶预留核心土及中台阶中部开挖；3）中台阶左、右两侧错开开挖，施作墙部初期支护；4）下台阶左、右两侧错开开挖，施作墙部初期支护，下台阶中部开挖；5）底部仰拱开挖及底部初期支护施作，并及时施作仰拱尽早封闭成环。

隧道开挖以人工配合反铲为主，局部较大孤石部位采用零星爆破，反铲配合15台自卸气场出渣，开挖支护施工必须及时施工。

仰拱施工时，采用12.000 m栈桥作为仰拱施工时的洞内交通，在施作2组3.000 m仰拱混凝土后，移动栈桥转入下一段仰拱施工。仰拱及仰拱回填混凝土施工完成后，根据隧道施工方案适时施作二次衬砌混凝土。

3.4 隧道支护参数调整

由于松散堆积体隧洞段围岩强度极低，施工过程容易出现开挖掌子面坍塌、施工完成后的洞身变形等质量安全事故，因此，为了保证开挖施工顺利推进，必须及时对隧道支护施工参数进行调整：1）为了增加钢架的强调，采用型钢钢架代替格栅钢架，将原钢架间距由设计60.0 cm调整至50.0 cm，局部调整至30.0 cm；2）增加喷混凝土厚度，喷混凝土厚度由原来的24.0 cm增加到26.0 cm；3）减小超前小导管的环间距和管间距，将小导管改长3.000 m，搭接长度1.500 m，管间距由设计40.0 cm调整为25.0 cm；4）减小锚杆施工环距，将原设计环间距60.0 cm调整至50.0 cm；5）在隧道穿越松散堆积体时，采用环形预留核心土法结合三台阶七步开挖法施工，同时缩短循环开挖进尺；6）在原初期支护内侧增加二次施工护拱钢支撑，以增加初期支护刚度。

4 隧道施工期安全监控

隧道开挖后，因隧洞围岩应力重新分布和应力释放，围岩呈现位移和性质变化等状态[9]，因此，在隧道施工过程中必须进行监控量测工作。

4.1 隧道施工监控量测目的

1）通过收集的监控量测数据及数据分析，为隧道围岩稳定性评价提供数据信息。

2）为正确选择隧道开挖方法和确定混凝土二次衬砌施作时间提供数据支持。

3）为隧道设计参数的修正和优化提供依据，指导现场施工。

4.2 隧道监控量测内容及方法

隧道监控分为主要监测项目和选择性监测项目，其中主要监测项目主要有洞内观察、顶拱沉降量测、周边收敛量测等[10]，必须做为隧道施工日常工作进行管理。

1）洞内观察

洞内观察主要是对开挖掌子面的围岩情况，已施工段喷射混凝土有无裂缝、渗漏水情况，锚杆、钢架有无破坏及变形情况等进行观察，同时采用数码相机和记录表格及时进行记录，发现异常情况立即上报相关单位。观测频次不少于隧道施工规范要求。

2）顶拱沉降和周边收敛量测

在进行隧道开挖施工过程中，顶拱沉降及周边收敛量测在同一断面进行，主要方法为在测桩上粘贴全站仪反射片，采用徕卡TS06全站仪（测角：2″；测距：1.5 mm+2 ppm）进行无接触式测量读数。初读数应在开挖后12 h内读取，最迟不得超过24 h，而且在下一循环开挖前，必须完成初期变形值的读数，根据读数计算顶拱沉降和周边收敛变化值。观测过程中必须做到观测人员、仪器、控制基准点固定。测桩布置形式如图2所示，测桩断面间距按5.000 m进行一组布置。

图2 测桩布置形式

4.3 隧道监控量测数据采集、整理及分析

完成现场量测和数据采集后，并及时对现场观测所得的资料加以整理，编制成表格和说明，使它形成便于使用的成果，最终形成监控量测周报、月报，隧道开挖施工完成后形成成果总结报告。量测资料保存在施工现场，以便于核查。具体步骤：1）核查各项原始记录，检查监测值的正确性；2）对各种观测值按时间逐点填写观测数值表；3）绘制各种变形过程线或变形分布图；4）根据数据整理结果对初期支护的时态曲线应进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度。

监控量测典型成果表见表1，典型的变形分布图见图3。

表1 监控量测典型成果表

图3 监控量测典型的变形分布图

5 结语

拉哇水电站隧道工程采用超前地质预报预技术预先对隧道围岩进行预判，为提前确定隧道开挖支护方案提供了技术依据，确保施工安全；采用环形预留核心土法结合三台阶七步开挖法施工，保证了隧道穿越松散堆积体洞段的顺利施工；采用小导管超前支护方案代替部分大管棚施工，降低了工程成本；采用“跟管钻进”方案，避免了隧洞穿越松散、破碎洞段大管棚钻孔卡钻、塌孔等质量事故的发生；根据实际隧道围岩地质情况，及时调整开挖方案和支护参数能确保施工安全，推进施工进度；通过隧道安全监控数据收集、整理及分析，对确定隧道施工期安全稳定和隧道二次衬砌施作时间提供数据支持。