復雜地質條件下的洞挖施工技術

雷子祥

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016)

在水利水電施工中，隧洞施工工程項目不同，遇到的地質情況也是不同的，洞挖施工方法將會不同。對于地質情況較差的 Ⅳ、Ⅴ圍巖及特殊地質地層段的洞挖施工方法更為不同。

1 工程情況

蓮麓一級水電站左右岸灌漿平洞工程區位于甘肅省西南部渭源、康樂交界處的洮河干流九(甸峽)～海(甸峽)河段上，為無調節河床式水電站。以洮河為界，左岸行政隸屬康樂縣蓮麓鄉管轄，右岸屬渭源縣峽城鄉管轄。電站距上游九甸峽水電站廠房約6.0km，下游距蓮麓二級(峽城)水電站約5.1km。工程區北距蘭州市約178km，現有九甸峽水利樞紐專用公路相通，對外交通十分方便。

蓮麓一級水電站工程主要以發電為主，正常蓄水位2067.0m，庫容800.14萬 m3，總裝機容量66MW(3×22MW)，屬中型III等工程，主要建筑物為3級，臨時建筑物為5級。

左岸灌漿平洞位于左壩肩壩左0－100.22～壩左0－134.72，總長34.5m，其中壩左0－100.22～壩左0－104.22為澆筑高位水池時下部結構作為明拱段，長度為4.0m;剩余部位需要在左壩肩巖石內開鑿成“城門洞”型，開挖斷面尺寸為3.4m×4.5m(寬×高)(斷面面積14.435m2)。

右岸灌漿平洞位于右壩肩，總長為37.0m，其中明洞長度為16.0m，采取現澆混凝土，內部凈尺寸為4.0m×5.2m(寬×高);開挖隧洞斷面分兩種

形式，I型隧洞斷面開挖尺寸為5.3m×6.6m(寬×高)(斷面面積31.935m2)，支護完成后的隧洞斷面尺寸為4.0m×5.2m(寬×高)，II型隧洞斷面開挖尺寸為 3.6m×4.55m(寬 ×高)(斷面面積15.0m2)，支護完成后的隧洞斷面尺寸為2.5m×3.5m(寬 ×高)，支護完成后底板高程為2068.50m。

2 工程地質條件

2.1 左岸

壩址位于柳林溝逆斷層(F4)與磨溝～宗石平移逆斷層(F5)之間的三角區地帶。F4斷層產狀NW290°～ 310°SW ∠65°～ 80°，F5 斷層產狀NW315°～335°NE∠65°～75°，兩斷層的交匯點位于壩址上游的柳林村北，距壩線0.9km，受兩斷層的擠壓、推覆影響，壩址區巖層的小型拖曳褶曲和次一級斷裂構造比較發育，主要有F23～F30等次一級斷層。在技施開挖揭露范圍內未發現上覆塊碎石土層和階地堆積層被上述斷層斷錯的形跡，均屬于第四紀晚期以前斷層。

根據勘探平洞資料:壩線左岸泥質灰巖地層中，有巖溶形成的小溶洞、溶孔和溶隙，多沿構造及卸荷裂隙交匯帶發育，岸坡溶洞和溶孔以垂直和斜坡向為主，水平向次之，并多為粉質壤土、粘土充填或半充填;河床左側泥質灰巖的溶洞(孔)內粉質粘土充填較好，連通性較差。

根據壩線樞紐區磚紅色泥質灰巖、淺肉紅色灰巖的物理力學性質的試驗成果，結合壩基巖體受風化、構造擠壓后的破碎程度，按GB50287-99《水利水電工程地質勘察規范》壩基巖體工程地質分類標準規定，左壩肩巖體屬于中硬巖BⅢ類巖體。

左岸灌漿平洞根據開挖揭露，隧洞圍巖為二疊系棕紅色、肉紅色的泥質灰巖、姜黃色碎裂結構的灰巖，巖體中微裂隙極其發育，將巖體切割成棱形塊體，偶見有沿洞四周伸展的裂隙，充填巖屑及泥質物。偶見有溶隙、溶孔，充填泥質物，形狀不規則，連通性差。在洞頂、側壁局部塌落、掉塊，洞頂塌落深度超過設計開挖線0.6～1.0m，目前掌子面上巖性以碎裂結構的灰巖為主，經過爆破后，巖體呈松散的巖渣，但結構比較密實。根據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》附錄N可劃分為Ⅳ類圍巖。圍巖的自穩時間短，可能發生較大規模的各種變形和破壞。

2.2 右岸

右岸原勘探資料:上部為階地沖洪積砂卵礫石、坡積塊碎石土，厚度不等，結構松散，基底以右岸F5斷層為界，西側為二疊系上統(P2)褐紫色泥質灰巖、肉紅色～灰白色灰巖、紫紅色及灰綠色粉砂巖的夾層組合，巖層呈一背斜和向斜構造，與壩線呈62°～82°角相交;東側為三迭系中統(T2)厚層灰巖夾薄層砂巖、粉砂巖，巖層單斜傾向坡內，與壩線呈62°～82°交角。

根據右岸灌漿平洞開挖揭露洞內巖性:洞0+026.3～洞0+029.7段為坡積塊、碎石土，結構松散，根據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》附錄N可劃分為極不穩定的Ⅴ類圍巖。

洞0+029.7～洞0+050段為三疊系灰黃色變質砂巖、青灰色含粉砂泥鈣質板巖夾細砂巖，巖性軟弱，微裂隙發育，層面清晰可見，單層厚度0.05～0.23m，巖體的產狀:NW348°NE∠50°，巖層走向與洞軸線夾角約50°，洞子下右側最大超挖0.8m，存在片幫、掉塊現象。根據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》附錄N可劃分為Ⅴ類圍巖。

在進洞掌子面上上部為三疊系基巖，下部為F5斷層破碎帶，呈現淺姜黃色斷層角礫巖、碎裂巖、壓碎巖、糜棱巖，以粒狀、碎渣狀為主，見圖1。

圖1 右岸邊坡地質圖片

3 施工方法

針對上述地質情況，左右岸平洞采取了不同的開挖方法。

3.1 左岸平洞

針對左岸巖石情況，指定的相應方案為:對洞口開口線以上的巖石邊坡進行素噴混凝土，以保證開口線以上巖石不會出現坍塌和滾石現象。進洞前鎖口采用“大管棚加鎖口錨桿”結合的方式進行施工，進洞后采用“小管棚加短進尺加及時、密支護加系統錨桿、隨機錨桿的方法進行施工。進入新鮮巖石后采用常規洞挖施工。

3.1.1 施工程序流程

施工程序為:施工準備→支撐、加固鋼拱架→鉆孔→頂進鋼管棚→清孔→注漿管路檢查→注漿→進入下道工序。

圖2 管棚施工工藝流程圖

3.1.2 進洞前鎖口施工方法

首先在洞口開口線以上的巖石邊坡素噴混凝土完成后，搭設造孔和注漿平臺，同時進行大管棚鋼管和鋼拱架的制作。大管棚制作采用外徑48mm，壁厚3.5mm，長度3m，鋼管上采用臺鉆鉆注漿孔擴散孔，孔徑5～10mm，孔間距20cm，呈梅花型布置，尾部留不鉆孔的止漿段100cm。

支護加固鋼拱架的制作采用Ⅰ18工字鋼制作的鋼拱架在制作平臺上進行加工，圓弧段與直段的連接采用連接板現場焊接。造孔平臺形成以后，測量人員現場放線，大管棚和鎖扣錨桿沿圓拱段180°范圍交錯布置，管棚和鎖口錨桿環向間距均為50cm，錨桿采用Φ25螺紋鋼。

造孔采用TY-28型氣腿式手風鉆，管棚鉆孔直徑不小60mm，鉆機定位、鎖口錨桿鉆孔直徑不小于40mm:鉆孔方向與洞軸線平行，上仰傾角為1°～3°且不大于5°。

圖3

注漿孔口管應牢固焊接在第一品工字鋼支撐上，鋼拱架安設的平面位置、傾角、外插角的準確度將直接影響管棚鉆孔的質量，應用測量儀以坐標法在工字鋼架上定出其平面位置;用水準尺配合坡度尺設定孔口管的傾角;用前后差距法設定孔口管的外插角。鋼管頂進到位后，用小木楔在鋼管與圍巖壁楔緊，再用防水膠泥(錨固劑)將空隙封閉住。注漿孔口與注漿泵之間用橡膠軟管相連，兩端用8#鉛絲綁扎固定。

以上工作完成以后，對管棚進行清孔、注漿，考慮巖石情況，注漿初始壓力為0.2MPa，終壓采用0.5MPa，終壓值參數根據實際情況適當調整，單根鋼花管的注漿量按下式估算:

Q=πRk2Lη

式中:Q—注漿量。Rk—漿液擴散半徑，取Rk=0.6Lo，Lo為鋼花管中中至中的距離。L—鋼花管長度。η—空隙率(%)，斷層破碎帶 5%。Q=0.04m3。

水泥漿液水灰比:1∶1(重量比)。錨桿安裝好以后注漿的漿液比例為水泥:砂:1∶1～1∶2(重量比);水泥:水:1∶0.38 ～1∶0.45。

注漿用的漿液由高速制漿機拌制。采用注漿機將水泥漿注入管棚鋼管內，注漿量達到設計注漿量或達到終壓0.5MPa后可停止注漿。將注漿機閘閥關閉，卸下進漿管，彎折后固定于注漿孔部位，進入下一循環。

洞臉的大管棚及鎖口工作完成后，按常規方法進行洞進口明拱段混凝土施工，明拱段混凝土施工模板采用滿堂腳手架、自制拱架以及標準3015和1015鋼組合模板，混凝土運輸采用混凝土罐車，入倉采用HB60混凝土泵，待混凝土強度達到要求后，拆除腳手架和模板，開始進行進洞開挖，洞挖鉆孔采用TY-28型氣腿式手風鉆鉆孔，中間菱形單空孔掏槽，周邊光面爆破，全斷面開挖一次成洞的施工方法，出渣采用裝載機運至洞外壩頂，裝到15t自卸汽車運至棄渣場。

在第一次洞口進尺時，控制進尺為0.8～1.0m，第二循環開挖增加進尺至1.2m，進洞至10m后，控制每循環進尺在1.8～2.0m左右。施工中由于巖石破碎，為保證每個循環開挖后巖石的穩定和安全，在進行下一個循環施工前先安裝超前錨桿，錨桿為Φ25螺紋鋼，采用TY-28手風鉆造孔，與壩軸線呈7°夾角，孔深為3.0m，錨桿間距為20～30cm。同時在每個循環鉆爆出渣完成后立即進行拱架支護、掛網噴錨。

由于巖石非常破碎，鋼拱架的安裝間距采用40cm，嚴格保證開挖工程中的安全問題。待鋼拱架安裝完成后，用直徑22螺紋鋼將鋼拱架連接牢靠，間距布置50cm，特殊部位還采取了鋼管與鋼拱架、巖石間的支撐加固方式。連接鋼筋安裝完成后，進行系統錨桿和隨機錨桿的施工，常規手風鉆造孔，錨桿安裝，水泥藥卷充填，在此不做細說。錨桿施工完成后，進行掛網、噴混凝土施工，掛網鋼筋6.5盤條，噴混凝土為C20、15cm厚，全斷面噴護，見圖4。

圖4 右岸平洞支護后圖片

3.2 右岸平洞

考慮右岸平洞進口有8m位于坡積體上，要處理邊坡，工程量非常之大，工期非常長，為了盡早施工，與設計單位商定，右岸平洞兩部分，也就分為兩種不同斷面，I型隧洞的斷面尺寸必須滿足進洞后底板固結灌漿要求(跟管鉆機造孔)。II型洞與左岸平洞尺寸一致。

3.2.1 I型隧洞施工

考慮I型隧洞位于坡積體上的，首先進行邊坡坡腳清理，然后進行混凝土洞臉澆筑，澆筑厚度為1.5～1.8m，城門洞型，在澆筑前，在頂拱180°范圍內開挖線以外60cm預埋Dg100鋼管，鋼管長度1.5～1.8m，混凝土澆筑采用混凝土泵，混凝土模板拆除以后進行坡積體上的超前固結灌漿施工見圖5。水平孔的造孔施工，采取在洞臉混凝土上預埋鋼管確定孔位，直接用履帶液壓鉆機打孔(設計孔深8m)，無需采用其他設備，出現塌孔現象的處理辦法即提前灌漿，待凝后繼續鉆進灌漿。超前固結孔共布置了38個孔。

超前固結工作完成以后進行進洞開挖，洞挖采取短進尺施工，開挖采用小反鏟與人工共同開挖的方法，局部孤石可采用小范圍解爆的措施，一榀鋼拱架的安裝即為一個開挖進尺，支護采用18工字鋼制作鋼拱架，間距30～40cm，采用在鋼拱架上打孔，孔眼直徑滿足鋼架管要求即可，在頂拱180°范圍內，布滿用鋼管制作而成的小管棚，間距為20cm。一個循環施工完成后，立即視現場情況進行隨機錨桿的施工，掛網、噴混凝土施工過程同左岸施工工藝。開挖完成至8m進入較好的基巖，即進入II型斷面。

3.2.1 II型隧洞施工

II型洞的開挖相對平穩，采取了常規洞子的開挖施工，即手風鉆打孔，周邊光爆、中部掏槽，開挖進尺在1.8～2m間，一個循環進行了鋼拱架安裝，間距60cm，系統錨桿與隨機錨桿的施工、掛網鋼筋6.5mm，噴混凝土 C20全斷面15cm的方法。

4 特殊情況處理(主要為冒頂施工處理)

在左岸開挖的過程中，在洞口位置，按原設計施工時，出現冒頂詳見圖6，開天窗的情況發生，天窗位置約為進尺距離6m，左右5m，高程方向約為20m。已安裝完成的鋼拱架被砸壞3榀。采取的施工方法如下。

首先對已安裝的3榀鋼拱架進行加固處理，處理辦法為:利用鋼管對鋼拱架進行加固，鋼管一端與鋼拱架焊接，另外一段抵到巖石面上。

圖5 超前固結灌漿造孔圖

然后人工配合裝載機將洞內坍塌的碎石清理干凈，包括平洞上方的坍塌石渣，邊坡上有松動的小巖石塊，視其穩定程度，集中進行清理，清理出來的石渣利用壩頂門機吊渣斗直接卸入自卸汽車內。待全部松散石渣清理完成后，在洞內已安裝完成的鋼拱架兩側掏空部位增加漿砌石砌筑，兩側范圍各約為1m ×2.25m，另沿拱頂120°范圍內布置螺紋鋼Φ20mm，單根長3m，間距10cm，有效的將鋼拱架連成一體，切實起到安全支護的作用。再沿平洞開挖輪廓線安裝鋼模板，模板吊掛與鋼拱架連接，分為3層澆筑混凝土，第1層均為1.5m厚度的C20混凝土，第3層采用C15混凝土進行澆筑。混凝土澆筑均采用混凝土泵入倉。

圖6 冒頂后的天窗圖片

在后續平洞開挖過程中，嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支護”的施工要點，單循環進尺前進行超前錨桿的施工，對照如此破碎巖石的情況，采用螺紋鋼Φ25mm，單長3m的鋼筋作為錨桿，為保證錨桿施工質量，在鋼拱架上打孔，采用TY-28手風鉆造孔，與壩軸線成30°角，間距3m。

5 結語

在特殊地質條件下進行洞室的開挖應注意以下幾個方面的要點。

(1)首先要進行混凝土洞臉的施工，如此可保證平洞開挖斷面的體型保證，直接進洞，孔口極易產生喇叭口的形狀，給后續開挖帶來不便。

(2)開挖嚴格遵照“短進尺、弱爆破、強支護”的指導思想。

(3)開挖控制單耗藥量和單響藥量。

(4)安排專人查看施工過程中周邊巖石變化情況。可根據具體地質情況，表面素噴一層混凝土，用于容易觀察裂縫。