新龍過壩交通隧道塌方處理施工技術

鄭 文 全，樊 鵬，黃 月 琴

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

新龍水電站位于新龍縣城上游約5 km的相堆村下游側河段，新龍過壩交通工程布置于電站壩址左岸，其中過壩隧道長856 m，隧道樁號為K0+820～K1+676,開挖洞徑為9.7 m×11.1 m。該隧道2013年11月30日上臺階于樁號K1+232貫通，2013年12月28日下臺階于樁號K1+250開挖支護完成，保留仰拱暫未開挖。2013年12月29日21∶10～2013年12月30日8∶00新龍隧道發生較大塌方, 塌方范圍為K1+200～K1+240段(長40 m),塌方影響段總長106 m，塌渣方量約為3 000 m3(圖1)。

開挖揭示塌方及影響段圍巖為弱風化～微風化的薄層絹云母板巖、炭質板巖夾變質砂巖；洞段構造作用較為強烈，錯動帶、順層擠壓破碎帶及小揉皺發育，巖體破碎；地下水總體不發育，塌方后塌方體靠山側拱頂有較多滴水現象，局部有線狀滲水，塌方兩天后滲水量明顯減少，僅表現為少量滴水；巖層走向與隧道洞軸線呈小角度相交，傾向于雅礱江，傾角約70°～80°。塌方段巖體除8 m為Ⅳ級圍巖外，其余均為Ⅴ級圍巖。

根據對上游出口塌方段的現場勘察，在塌方物質內發現了一層20～30 cm厚的黃色斷層泥，說明塌方段有隱伏構造，該隱伏構造影響了巖體質量。隱伏構造緩傾向坡內并與巖層層面形成不利組合，同時，該黃色斷層泥形成相對隔水層，受開挖影響，該隔水層受到破壞造成地下水下滲，惡化了圍巖質量。下層開挖引起圍巖應力調整，亦對圍巖的自穩能力造成影響。根據對本次失穩及破壞情況進行的分析得知：地應力為岸坡應力場，由于層面裂隙發育且與隧道呈小角度相交、陡傾山外，加之其他結構面組合，在地應力作用下，邊墻易產生鼓脹破壞。受本次塌方影響，隧洞圍巖在塌方體的上下游洞段一定范圍內產生了較大的松弛變形(監測資料亦證明了該現象)。本次塌方后，圍巖應力重新調整，初期支護承受著較塌方之前更多的山巖壓力，影響段的圍巖穩定性較塌方之前變差[1]，急需進行塌方體的治理。

圖1 塌方段示意圖

2 塌方處理措施

塌方發生后，為確保安全，制定了 “先影響段，后塌方段”的治理原則，先進行塌方影響段的加固，待收斂監測數據反映塌方影響段趨于穩定后，再進行塌方段的處理。對于塌方段的處理，在參建各方和專家的建議下，最終決定采用大管棚處理施工方案。

塌方段的處理程序：先進行管棚工作室的擴挖施工，然后設置導向架施工管棚，管棚施工完畢，在管棚施工平臺擴大段澆筑鎖口混凝土后再進行塌渣清理及支護。

管棚施工流程：管棚工作室段固結、擴挖、支護→掌子面塌渣體固結后刷齊→掌子面塌渣體封閉→導向架施工→搭設鉆機施工平臺→機具設備檢修→鉆機就位→棚管與鉆桿連接→鉆孔→控制鉆孔方向→至設計深度→安裝鋼筋籠→安裝注漿管路→注漿→結束。

管棚施工參數：大管棚為φ108大管棚，環向間距40 cm，進口施工一環20 m，出口施工一環25 m。對于靠山側拱部90°、靠河側拱部30°范圍的管棚采用R780高強熱軋無縫厚壁鉆探鋼管，壁厚δ=6 mm，管棚入巖(渣體)3 m后設置花眼(花眼直徑為10～16 mm，棚管上部120°范圍設花眼，間距150 cm，梅花形布置)。進口管棚相對于洞軸線外傾角為2°，出口管棚相對于洞軸線外傾角為1.5°。對管棚間距大于40 cm的部位臨時采用注漿小導管進行補充處理。大管棚鉆設完畢進行灌漿，灌漿壓力為0.5 MPa，采用水泥砂漿一次性灌注。管棚施工完畢，在管棚工作室擴挖段澆筑4 m一段鎖口混凝土。

塌方段支護參數：噴射C25混凝土，厚25 cm。系統小導管：Φ42×4，L=4.5 m，與洞軸線的夾角為45°～ 60°，環、縱向間距為120 cm，梅花型布置。 鋼筋網：單層，環向φ8×縱向φ8，網格間距為20 cm×20 cm。型鋼鋼架：鋼架采用I20b工字鋼，縱向間距為60 cm。系統小導管平均注漿每根按400 kg水泥量控制，鎖腳小導管每根按150 kg控制，漿液采用0.5∶1濃水泥漿，注漿壓力為0.15～0.35 MPa。

3 塌方體的處理施工

3.1 管棚工作室及導向架施工

管棚工作室5 m段的擴挖與換拱。首先在保證安全的情況下對該段固結情況進行評估。對于管棚鉆機工作室，必須考慮保證管棚中心線上部預留約35 cm(鉆機鉆頭中心上部高度，以利于管棚鉆設施工)和初期支護的厚度，共須擴挖132 cm(=調整后的襯砌厚度55 cm-(原襯砌厚度45 cm+調坡下沉30 cm-侵占50 cm)+導向管半徑7 cm+鉆頭上部15 cm+初期支護25 cm+預留變形量15 cm；采用導向架進行管棚方向的 定位施工，導向架位置需要擴挖104 cm(=調整后的襯砌厚度55 cm -(原襯砌厚度45 cm+調坡下沉30 cm-侵占50 cm)+I20b工字鋼+導向管14 cm+初期支護25 cm+預留變形量15 cm)。管棚工作室及導向架施工布置情況見圖2。

擴挖采用破碎錘和風鎬進行。擴挖時，根據實際揭露的巖石情況臨時增加了超前注漿小導管φ42×4 mm，L=4.5 m，每根小導管平均注水泥漿量按300 kg進行控制。設計參數為I20b工字鋼拱架@60 cm+連接筋Φ22環向間距1 m+φ8@20 cm×20 cm鋼筋網片+C25噴射混凝土厚25 cm，噴射混凝土厚度需完全覆蓋型鋼。每榀鋼拱架接頭處設置2Φ42，L=4.5 m注漿鎖腳(腰)小導管，以150 kg水泥控制，水泥漿為0.5∶1濃水泥漿，注漿壓力為0.15～0.35 MPa。

圖2 管棚工作室及導向架施工布置圖

管棚導向架采用3榀I20b工字鋼架，拱架外輪廓線預留出導向管施工位置，每榀鋼架施工5組鎖腳小導管進行固定，小導管為Φ42，L=4.5 m，以150 kg水泥控制，水泥漿為0.5∶1濃水泥漿，注漿壓力為0.15～0.35 MPa。根據管棚間距在鋼架外緣焊接φ140、壁厚5 mm的導向鋼管，鋼管與鋼架焊接，每根導向管長1 m，設置完導向管后，鋼架用Φ22連接筋加固，環向間距50 cm，Φ8@20×20 cm雙層鋼筋網片，噴C25混凝土，厚25 cm。

3.2 管棚施工

設置導向架：管棚平臺施工完成后設置導向架。導向管焊接時，測量人員對導向管進行定位，環向間距為40 cm，在鋼架上用油漆標注，調整角度后在端部鋼架上加焊鋼板，再將導向管在鋼架上焊接牢固。導向管安裝完成后焊接連接筋，掛設網片，噴混凝土封閉待凝。

鉆機的布置及鉆孔：鉆孔平臺采用φ48×3.5 mm鋼管腳手架由人工搭設，腳手架間排距為80 cm×80 cm。鉆孔平臺搭設完成后，挖機配合5 t(5 m)手動葫蘆，人工輔助安裝鉆機就位，鉆機固定在平臺上。鉆機就位時采用全站儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法反復調整，確保鉆機桿軸線和導向軸線相吻合。鉆機選用拓力TL-50棚管鉆機進行跟管鉆進，鉆孔順序按高孔位向低孔位進行，平臺位置自上而下逐步調整降低以滿足鉆孔需要。傾斜度控制：孔外，通過測設大導管孔口及鉆機中心的高程進行控制。孔內，鉆進過程中，采用自制的直角鋼筋架吊鉛垂線測定鉆孔角度，根據記錄反映出管棚開鉆角度與實際成孔角度之間的偏差，在安裝下一根管棚時及時調整，保證其外傾角符合要求。

管棚灌漿施工：大管棚鉆設完成后安放3Φ18鋼筋籠，然后進行灌漿。大管棚灌漿前，在鋼管后面使用6 mm厚的鋼板封堵，后接變徑，以方便灌漿管和管棚的連接。灌漿壓力為0.5 MPa，漿液采用水泥砂漿一次性灌注。注漿順序原則上由低孔位向高孔位進行。管棚施工完成后成傘形輻射狀，形象如圖3所示。

3.3 鎖口混凝土施工

管棚施工完畢、在管棚施工平臺擴大段進行鎖口混凝土澆筑，澆筑采用15 cm寬組合鋼模板拼裝立模，僅澆筑仰拱填充以上邊頂拱襯砌，襯砌兩側底腳外側適當擴挖并垂直立模，必要時增加橫向支撐，保證受力安全。

3.4 塌方段的開挖及支護

鎖口混凝土施工完成后，在大管棚之間增設Φ42×4 mm、L=4.5 m的系統注漿小導管，環向間距120 cm，與洞軸線的夾角為45°～60°，梅花型布置，以固結設計斷面以外的松散體與管棚形成一個有效的固結圈，注漿小導管端頭需封閉，盡量使用漿液加固小導管周邊的松散巖體。

當灌漿強度達到70%以上時進行塌方渣體的清運，對頂部膠結密實的部分不得強行挖除，可用風鎬或破碎錘鑿除，根據拱架間距將開挖循環進尺控制在70 cm以內。清渣采用人工扒渣至下部臺階，再用裝載機裝30 t自卸汽車運至棄渣場。

圖3 管棚施工成型效果圖

在塌方處理過程中，按照臺階法預留核心土進行清渣：(1)利用現有平臺進行①部的清渣，采用小推車清渣，清渣完畢對掌子面及頂拱初噴8 cm厚混凝土進行封閉；(2)施作①部導坑主體結構的初期支護，即初噴4 cm厚混凝土，架立鋼架，安裝鋼筋網、施作系統錨桿，復噴混凝土至設計厚度；(3)左右交錯施作②部，并交錯施作導坑主體結構的初期支護，步驟參見(2)；(4)施作③部，完成后進行下循環, ①部開挖與②③部開挖滯后1～2個循環。在開挖出一榀型鋼位置后及時進行掌子面初噴混凝土封閉，C25噴射混凝土厚5 cm，型鋼網片等跟進支護，支護完畢再進行下一循環。反壓渣面以下在塌方段①②③部開挖貫通后再進行塌方段④部及仰拱開挖，每6 m作為一個循環，開挖完成后及時進行混凝土施工。臺階法預留核心土開挖情況見圖4。

4 結 語

新龍過壩交通隧道塌方體的處理歷時半年時間，經過業主、設計、監理、施工等參建各方通力合作，兩次召開專家咨詢會形成咨詢意見，在保證質量和安全的前提下，借鑒了專家提出的類似工程處理辦法和經驗，成功完成了長達40 m、影響段長106 m的大塌方處理，取得了以下經驗。

(1)在隧道發生長度15 m以上較大塌方時，建議采用超前大管棚進行處理。該方法相對安全、穩妥，較超前小導管施工方案超前大管棚長度較長、直徑較大、注漿加固程度及范圍均較大，能夠提高圍巖的力學參數，前部未開挖渣體的支點經注漿加固后具有一定的自穩支撐能力；同時，大管棚作為支撐梁能起到承載上覆土的松動壓力和形變、擴散并傳遞開挖釋放荷載的作用，同時能減小拱頂的沉降量。

圖4 臺階法預留核心土開挖示意圖

(2)對于已采用拱架支護的隧道內進行大管棚施工，因工字鋼間距較小，在工字鋼之間施工超長大管棚仰角較大，故須在塌方體兩端固結、擴挖管棚工作室后再進行管棚的鉆設施工，以便控制好管棚的施工仰角和搭接長度，注漿后方可起到棚架作用并能控制超欠挖，減少混凝土回填；同時，管棚工作室在塌方體開挖前作為鎖口混凝土的施工空間不侵占二襯凈空，能夠起到一石二鳥的作用。

(3)隧道塌渣體兩端管棚對打時，孔位的布置必須由管棚導向管焊接保證定位，不僅要考慮管棚上揚角度以及在平行于洞軸線的剖面位置上錯開，還需考慮在塌方體兩端斷面位置上錯開。

(4)管棚施工過程中，由于施工用水會導致整個圍巖質量惡化，遂采用干鉆施工。考慮到施工作業人員的健康作業條件，在現有洞口通風設備(2×55 kW軸流風機進、出口工作面各1臺)的基礎上，在進、出口工作面塌方體附近各增加了兩臺(共四臺)22 kW軸流風機，1臺布置在塌方體位置，另外1臺布置在距塌方體100 m的位置，設置風帶，形成空氣循環。

(5)管棚注漿必須達到在管棚前端形成一道支撐墻的目標。如果考慮將花眼布置在棚管上部120°范圍可達到注漿效果，可以采取在鉆進前進時進行預拼接的方式，管口采用紅油漆做好標記，在終孔時進行調整控制。由于塌方為塌渣體，巖石間空隙較多，管棚鉆孔制作花眼時須考慮漏風的影響以及空壓機的供風量是否滿足要求。

(6)管棚注漿時必須考慮注漿機的壓力，原計劃采用JRD200錨桿專用灌漿泵進行注漿，但在計算單根管棚內的體積后得知完成一根管棚注漿試驗后消耗的注漿量達不到管棚體積。待更換為HJB-6型雙缸活塞注漿機后，能夠保證將管棚內注滿并有一定程度的擴散。

(7)整個塌方處理過程中均采用破碎錘和風鎬進行開挖，未進行爆破作業，從而減少了爆破振動對塌方體的影響。

(8)在隧道塌方處理過程中加強了變形收斂監測，同時增加了錨桿應力計等監測措施，可為圍巖異常變形和加強處理措施提供相關數據。