隧道快速掘進中變形預測及支護方案

杜 衛

( 江西省水利水電建設有限公司，南昌330000)

1 工程概況

某水庫總庫容為3 000 萬m3，該工程主要由大壩、溢洪道、新建輸水隧洞、壩下游涵管和壩后電站廠房所組成。隧洞沿洞軸線工程地質圍巖多樣，弱風化以及強風化石英砂巖均有。該水庫的隧洞采用新奧法施工，施工中采取變形預測，通過對圍巖支護體系的穩定性狀態的監測和評價，為初期支護和二次襯砌設計參數的調整提供依據，從而達到確保施工及結構安全、指導施工順序、便利施工管理的目的。

2 隧洞掘進變形監測

在隧道快速掘進過程中要準確地進行隧洞的變形預測，采取地質預報以及變形監測是關鍵。對于地質條件復雜或重點地段，除作開挖工作面地質素描外，還應做地質展示圖;同時采取施工地質預測，為隧道開挖工作面前方一定長度范圍內的圍巖工程地質和水位地質條件，作分析推斷和評估工作。

在隧洞快速掘進施工中，對于地質條件復雜應特別加強量測工作，按照設計要求進行監測。隧洞變形預測分為必測項目和選測項目兩類，其中圍巖及支護狀態觀察、拱頂下沉、周邊位移、凈空收斂變形、以及明挖段的坡面穩定、地表下沉量測為必測項目。選測項目主要有圍巖與支護結構的接觸應力、支護結構的應力狀態量測、以及底板隆起量測等。

2.1 隧洞凈空收斂預測

隧洞凈空收斂預測是最基本的變形預測項目之一，工程實踐表明在隧洞開挖后，為盡早獲得圍巖開挖后初始階段的變形動態，應盡快埋設測點。埋設測點時，先在測點處用人工挖孔或鑿巖機開挖孔徑為40 ～80 mm，深為25 mm的孔。在孔中填滿水泥砂漿后插入收斂預埋件，盡量使兩預埋件軸線在基線方向上，并使預埋件銷孔軸線處于鉛垂位置，上好保護帽，待砂漿凝固后即可量測，量測測點應牢固可靠，易于識別并妥善保護。采取激光隧道限界檢測儀進行自動數據采集，初始讀數應在隧洞開挖后12 h讀取，最遲不得超過24 h，而且在下一循環開挖前，必須完成初期變形值的記取。

2.2 拱頂下沉預測

拱頂下沉主要用于確認隧洞掘進過程中圍巖的穩定性。為了獲得準確的拱頂下沉預測數據，在每個量測斷面的拱頂中心埋設一自制的鋼筋預埋件。埋設前，先用小型鉆機在待測部位成孔，然后將預埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量測。拱頂下沉和周邊位移測點布置見圖1所示。鑒于拱頂下沉預測反映著圍巖的穩定性，因此其監測頻率要求相當重要，結合工程實踐，筆者總結了拱頂下沉及周邊位移量測頻率見表1。

圖1 拱頂下沉和周邊位移測點布置圖

表1 拱頂下沉及凈空位移量測頻率表

2.3 地表下沉預測

地表下沉埋設基點的位置相當重要，其影響著下沉的監測數據結果，基點應埋設在隧道開挖縱橫向各(3 ～5) 倍洞徑外的區域，埋設5個基點，以便互相校核，參照標準水準點埋設，所有基點應和附近水準點聯測取得原始高程。在測點位置挖長、寬、深均為200mm 的坑，然后放入地表測點預埋件( 自制) ，測點一般采用φ20 ～30 mm、@200 ～300 mm的平圓頭鋼筋制成。測點四周用混凝土填實，待混凝土固結后即可量測。

對隧洞地表下沉的監測應在儀器檢驗合格后方可進行，且避免在測站和標尺有振動時進行; 盡量選擇在每一天同一時間內進行觀測;觀測堅持四固定原則，即:施測人員固定，測站位置固定，測量延續時間固定，施測順序固定，且應每隔30 d用精密水準測量的方法進行基點與水準點的聯測，其誤差不得超過±0.5■n mm( n 為測站數) 。為了預測地表的下沉情況，根據初始的監測數據繪制時間－位移與距離－位移圖，曲線正常則說明位移隨施工的進行漸趨穩定。如果出現反常，出現反彎點，說明地表下沉出現點驟增加現象，表明圍巖和支護已呈不穩狀況，應立即采取措施。

2.4 圍巖內部位移預測

圍巖內部位移變形反映了隧道圍巖的徑向位移分布和松弛區域范圍，而且其還可為獲得決定錨桿長度的判斷提供原始資料。在預定量測部位，用特制直徑140 mm鉆頭，鉆一深40 cm的鉆孔，然后再在此鉆孔內鉆一同心的直徑為48 mm的小孔，孔深由試驗要求確定，鉆孔要求平直，并用水沖洗干凈。矯直鋼絲，并截成預定長度，將鋼絲連接在鉆孔錨頭上。把錨頭末端插入安裝桿，然后將錨頭推進到預定深度，在操作時要注意定向，避免安裝桿旋轉，千萬不能將安裝桿后退，以免安裝桿和錨頭脫落。緊固錨頭，若用楔形彈簧式錨頭，則用30 ～50 kg力拉鋼絲，如果錨頭不滑動，即可認為錨頭已經鎖緊;若用壓縮木錨頭，則等待壓縮木吸水膨脹后，亦用30～50 kg力拉鋼絲，若拉不動，則可認為錨頭已經緊固。

把與各錨頭連接的鋼絲分別穿過測筒上的各個導桿，并把測筒的上筒用固定螺絲、木楔及水泥砂漿固定在孔內，然后拉緊鋼絲，并用螺母夾緊在各個導桿上，這時要注意調整導桿距離，使之有15 mm的伸長量。把下筒與上筒相接，并用木楔塞緊，若是電測下筒，還需仔細安裝，調整電感式位移傳感器的量程，并引出電纜，蓋上蓋板。當試驗點離開挖面很近時，必須采取防護措施，以防止爆破飛石損壞電纜及測筒。開始初讀數( 如果用百分表測讀，應每次打開蓋板) 。為了有效地確保讀數的穩定性，第一次讀數的建立應≥24 h。開始階段，每天應至少進行一次測度測讀，隨著開挖面的遠離，測讀間隔時間可以酌情延長。將鉆孔伸縮計測筒上的電感式位移傳感器與數字位移計連接，并打開位移計電源開關，即可進行讀數。然后根據實際位移與讀數的標定數字回歸方程，即可算出鉆孔伸縮計4個測點的實際位移變形。

3 隧洞掘進支護方案優化

對隧洞采取支護是保證安全施工和快速掘進的關鍵，在掘進實施中通過采取超前地質探報技術，制訂切實可行的支護施工方案，同時隨時觀察和監測有無異常，仔細研究巖體和地下水變化規律，不斷優化原設計方案。

為了確保支護的可靠性，隧洞掘進施工應當采取勤觀測、短開挖、強支護。在施工過程中，隨時觀察和量測現場工程地質及水文地質變化情況，研究變異規律，優化支護方案;同時對于巖性不良地段，嚴格控制進尺，緊跟作業面一次支護快速襯砌，多打孔，少裝藥，放小炮，保證斷面規整，為初期支護創造條件。及時支護是消除塌方的重要手段，強支護是預防塌方的主要措施，施工中利用小導管注漿、長管棚、格柵拱等進行強支護。選取不同的隧洞支護方案將對隧洞開挖效果的以及安全性產生直接影響，為此應當根據隧洞掘進的特點，對本工程預計可能發生的塌方情況，提出以下4 種支護方案，以進一步優化本隧洞支護方案。

1) 裂隙擴張造成的小塌方支護方案。此類塌方多發生在輕微風化或裂隙較密集的圍巖中，主要是由于開挖和支護方法不當造成，常發生在爆破后的幾個小時內，雖然塌方數量不大，但威脅工作面的施工安全，為此對于這種情況下，支護施工方案適宜采取加強錨噴法。這種支護方案可通過先清理巖面，然后安裝錨桿并掛鋼筋網，最后噴混凝土;也可以采取錨索支護。

2) 塌方體窄長的小塌方支護方案。此類塌方多發生在斷層破碎帶較窄且兩側巖體比較完整的地段，施工中可采用挑梁法安裝鋼支撐，然后對塌方處錨噴，挑梁法指將型鋼穿過臨時架立支撐的頂梁直抵掌子面，形成一排挑梁，在挑梁上架設水垛，填塞洞穴。

3) 中等塌方支護方案。這種類型的塌方量較大，塌方范圍在10 m左右，多發生在兩條相鄰、傾向相對的斷層帶或兩種巖層交接帶。在塌方之前，常有掉塊現象，其頻率及塊度隨爆破振動烈度、振動頻率和地下水活動強度的增加而提高。在塌方后，常有較穩定的頂板，發生繼續塌方的可能性不大，為此工程實踐表明，優化后的支護方案適宜采用錨噴法、插筋排架法、護頂法、管棚法等處理。其中插筋排架支護方案就是緊貼掌子面架設鋼支撐，在頂拱設計開挖線以外按一定角度(3° ～10°) 鉆孔，安裝鋼筋支架形成掌子面超前支護，在鋼筋支架保護下塌方體出渣，最后噴混凝土支護。

4) 大塌方支護方案。該類塌方在100 m3以上，塌穴高度在10 m以上，當洞頂巖層較薄時，易發生冒頂。處理措施為:若塌方堵塞整個隧洞，且對塌方規模和規律還不了解，可采用錨噴法，管棚法等多種處理措施; 當塌方段埋藏較淺或地質條件較為復雜時，從洞內處理難以保障安全，較優的支護方案可采用灌漿法和環行導洞法綜合處理。其中，環行導洞法支護方案采取由下而上開挖導洞群并回填混凝土，完成邊墻頂拱環形支護結構( 亦可結合建筑物作為永久襯砌) 。

但事實上，對于隧洞掘進過程中，地質條件可能出現復雜多變，預定的隧洞支護方案也無一定模式，具體要視現場情況研究決定，因此優化支護方案是相當有必要。

4 結 語

隧洞的變形預測以及支護是有效保證安全施工和快速掘進的關鍵，因此施工人員必須從思想上引起足夠重視，施工前根據設計提供的地質勘探資料，實施超前地質探報技術，制訂切實可行的施工方案;同時在隧洞掘進過程中，隨時監測以研究巖體和地下水變化規律，不斷優化原支護設計方案。

［1］李吉祥，蔣曙萍. 山區軟巖大跨度隧道變形神經網絡預測及其工程應用［J］. 交通財會，2003(02) :22－23.

［2］劉步存. 雪峰山隧道施工地質勘察技術研究［M］. 北京: 人民交通出版社，2000.

［3］郭海星. 高地應力條件下隧道大變形的機制、預測及防治研究［D］. 西安:長安大學，2006.