小斷面兩端開挖方式土洞貫通實施方案要點淺析

魯西西,楊 帥,黃怡鋒

（1.山西省小浪底引黃工程建設管理局，山西 太原 030002;2.山西小浪底引黃工程有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

項目位于山西省小浪底引黃工程運城市聞喜縣境內，建設內容是2#隧洞土洞段（52+966～59+590）及14#～17#支洞等永久及臨時工程，2#隧洞設計縱坡1/3000，洞內水深2.97 m，斷面尺寸為3.8 m×5 m（底寬×高度），城門洞形。此次研究實施貫通的是16#支洞控制主洞下游與17#支洞控制主洞上游段，區間樁號為56+299～56+328，29 m，根據運城市聞喜縣地質水文條件,針對隧洞貫通問題進行分析。

1 工程概況

1.1 工程設計概況

該在建工程引水隧洞總長59.6 km，縱坡i=1/3000，斷面為城門洞形，隧洞城門尺寸為3.8 m×5 m 高度設計，洞內設計水深2.97 m，其中52+966～59+590 為土洞段。

1.2 隧洞貫通兩端施工現狀

貫通前，16#主洞下游采取的超前大管棚及注漿施工方案設計。此次實施貫通的是16# 支洞，區間樁號為56+299～56+328，上中臺階施工至56+299，下臺階及底板混凝土墊層施工至56+283，控制主洞下游與17#支洞控制主洞上游段；17#主洞上游采取的超前水平高壓旋噴樁及注漿，掌子面施工至56+328，底板混凝土墊層施工至掌子面，兩工作面上臺階相距29 m，下臺階剩余45 m。

2 地質情況

17#主洞上游樁號56+328，開挖地質揭示隧洞拱部為粉細砂層，整體厚度約8 m～11 m，下方為富水含泥粉細砂層；施工過程中存在涌水、涌砂突泥等情況，施工中應采取短進尺、強支護措施，并采取地下水控制措施。

16#主洞下游樁號56+299，現場揭示地質為第四系中更新統洪積物（Q2pl)，掌子面為全斷面粉細砂層，砂層顆粒松散，無自穩能力；開挖時易發生滑塌，底板附近有股狀出水，下臺階及底板墊層開挖時易發生流砂現象，拱部側墻易發生收斂及沉降變形。

3 實施方案

3.1 整體方案

根據當前的施工現狀，本方案中剩余29 m 開挖洞段采用1 環超前水平高壓旋噴樁及1 環超前大管棚進行貫通。即17#主洞上游掌子面56+328 施做超前水平高壓旋噴樁及注漿，施做長度為20 m，開挖16 m；16#主洞下游掌子面56+299 上臺階及中臺階施做超前密排大管棚，施做長度為13 m，開挖9 m，旋噴樁與管棚搭接搭接里程為56+312～56+308，搭接長度為4 m，搭接洞段的開挖由16#主洞下游工作面完成，待隧洞上中臺階完成貫通后，對16#主洞下游未完下臺階進行開挖落底支護，見圖1 貫通示意圖。

圖1 貫通示意圖

3.2 17# 主洞上游56+328 超前水平旋噴及注漿施工方案

第一步，超前水平旋噴加固[1]。

在開挖輪廓線周邊及掌子面施做超前水平旋噴樁，施工長度為20 m，開挖長度16 m，與16#主洞下游超前大管棚搭接4 m。

56+328 涌水粉細砂層段施工：周邊水平旋噴樁，拱部布設一環，側墻布設兩環，底板布設一環，咬合旋噴樁沿開挖面周邊拱部及側墻部位布設并延伸至底板以下1 m 范圍，周邊旋噴樁拱部、側墻及底板成環布設；為增加開挖面的整體穩定性，在掌子面布設穩定樁，水平旋噴開孔示意圖見圖2。為增強旋噴樁的抗剪力，待拱部外環180°范圍內的旋噴樁凝固后，打入Φ76 管棚并對注漿（水泥- 水玻璃）止水[2]。水平旋噴深度10 m、15 m 斷面圖見圖3。

圖2 水平旋噴開孔示意圖（尺寸單位：cm）

圖3 水平旋噴深度10m、15m 斷面圖（尺寸單位：cm）

第二步，超前帷幕注漿。

開挖長度16 m，注漿長度20 m，對掌子面中下臺階注漿堵水加固；注漿孔注漿，注漿材料采用普通水泥- 水玻璃雙液漿，普通水泥- 水玻璃雙液漿配比：W∶C∶S=（0.8～1）∶1∶1。擴散半徑1.0 m。超前注漿開孔、15 m 斷面布孔圖見圖4。

圖4 帷幕注漿布孔圖（尺寸單位：cm）

3.3 16# 主洞下游56+299 超前大管棚及注漿施工方案

根據目前16#控制主洞下游方向掌子面水文地質情況，對56+299 掌子面前方地層進行超前大管棚及注漿支護，施做部位為開挖斷面上臺階及中臺階。

3.3.1 大管棚施工工藝流程

3.3.2 管棚施工

采用地質鉆機跟管鉆進法施工。施工時采用一次性簡易鋼管作為鉆頭，泥漿作為鉆進循環液，用φ108 管棚鋼管作為鉆桿，使用地質鉆機將鋼管打入砂層中，并在鉆進過程中通過測量儀器隨時控制鉆進方位與角度，發現角度偏差及時進行糾偏，直至鉆至設計長度13 m。然后進行封孔注漿，最終在隧道拱部形成一個砂層、水泥與鋼管共同組成的環狀承載圈，進而起到超前預支護的作用。

洞身拱部或側墻粉細砂層分布范圍，管棚施工長度為13 m，管棚與旋噴樁搭接長度為4 m。為與17#支洞控制主洞上游56+328 旋噴樁順利搭接，經計算管棚外插角設為5.6°，方向與路線中線平行。

3.4 貫通段施工

待兩側掌子面超前支護結束后同時開挖，在三臺階開挖的基礎上，預留核心土，再采用人工開挖，結合開挖圍巖情況對開挖面進行5 cm 厚的C20 混凝土噴射支護[3]。

考慮到該洞段為軟弱地層，在原設計支護參數的基礎上進行加強，初期支護采用Ⅰ16 型鋼鋼架，鋼架間距為50 cm；每榀鋼架設置Φ25 鎖腳錨桿，錨桿長3 m，每榀設置8 根。Φ8 雙層鋼筋網片，網格間距為15 cm×15 cm。采用Φ25 縱向連接筋對鋼架進行連接，環向間距調整為0.5 m，噴射C20 混凝土，混凝土厚度為15 cm。

對地下水活動較嚴重的地段采用"排、堵、截、引"相結合的方法進行處理,巖塞留設長度根據巖體性質處理[4]。為防止圍巖收斂變形，底板擴挖20 cm，底板采用Ⅰ16 鋼支撐及時封閉成環，并澆筑C25 混凝土，澆筑厚度20 cm。

考慮到一次支護圍巖變形，17#主洞上游56+328～56+312里程洞段鋼架預留變形量10 cm，16# 主洞下游 56+299～56+312 里程洞段，考慮后期下臺階開挖落底施工可能發生的沉降收斂變形，鋼架預留變形量20 cm；為保障開挖過程安全，上中臺階鋼架設臨時I16 鋼橫撐，間隔1 m，待下臺階鋼架落底成環后再進行拆除。

旋噴樁與管棚搭接搭接里程為56+312～56+308，搭接長度為4 m，搭接洞段的開挖由16#主洞下游工作面完成，待隧洞上中臺階完成貫通后，再對16#主洞下游未完下臺階進行開挖落底支護。

3.5 現場貫通安全控制措施

（1）貫通前，現場統一協調指揮，使資源得到充分利用，生產各方合作協調、合理。

（2）加強安全教育與培訓，提高現場施工人員的安全意識。

（3）施工過程中掌子面要有專人值班，并加強施工兩側的聯絡，嚴禁閑雜人員滯留在掌子面警戒區以內。

（4）超前支護的施工順序為：同一部位先施做超前水平旋噴樁，后施做超前大管棚[5]。

（5）施工過程中密切注意掌子面動態，如有異常立即停止施工，撤離現場施工人員，并及時通知貫通領導小組。

（6）17#支洞控制主洞上游開挖至56+312 處時，嚴禁施工人員無故進入掌子面。

3.6 變形監測、方法及監測數據

采取洞內外現場觀察、地表沉降、周邊位移收斂、拱頂下沉監測等方法相結合進行隧洞施工期現場變形監測。

洞內觀察：在每次開挖后進行。觀察土體條件是否發生惡化，觀察后及時繪制地質素描和記錄。重點觀察土體節理、裂隙走向及發育程度。對已施工地段的觀察每天至少應進行一次，主要觀察噴射砼、錨桿、鋼架工作狀態。

洞外觀察：在洞口和洞身埋置深度較淺地段，包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩定狀態、地表水滲透情況等。

變形監測斷面按照分段控制的原則，沿隧洞中線每隔5m布設一個變形監測斷面，每個斷面設3 個點，分別為頂拱下沉點、周邊收斂測點，見圖5。

圖5 監測斷面布設示意圖（尺寸單位：cm）

將量測數據進行記錄，建立位移率u 和時間t 發展的時態函數，根據量測數據進行處理與回歸分析，繪制縱橫斷面各測點的位移- 時間的關系曲線，見圖6、圖7。第27 天以后，周邊收斂點位移量達到14.27 mm，拱頂沉降達92.02 mm，變形速度＜0.2 mm/d，各測試項目的位移速率明顯收斂，圍巖基本穩定，可進行混凝土襯砌的施作。

圖6 收斂測點位移- 時間的關系曲線

圖7 拱頂測點沉降量- 時間的關系曲線

4 結語

土洞段開挖過程中，遇到富水含泥粉細砂層不良地質，采取水平旋噴樁結合超前帷幕注漿施工，可以有效控制突泥涌砂發生；遇到粉細砂層段、且無出水的情況，采取大管棚結合小導管的超前支護，可有效控制塌方[6]。

小斷面的土洞貫通，空間小，工藝復雜，要制定詳細的施工方案，特別是施工順序的安排、全過程安全保障措施的部分。為保障施工與結構的安全，貫通后及時進行變形監控量測，收集監測數據，指導施工管理。

2018 年12 月該段隧洞已按本方案進行實施，并順利貫通，表明該貫通實施方案與措施切實可行。