引洮二期工程七干渠隧洞開挖支護及圍巖監控量測技術

邊振榮

(甘肅省水務投資有限責任公司， 甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水二期工程屬Ⅱ等工程，工程規模為大(2)型。本項目包含七干渠16#隧洞出口控制段-20#隧洞進口。主要建設16#隧洞39+650—41+040長1390m，10#暗渠長40m，17#隧洞41+080—43+330長2250m，19#分水閘長17m，18#隧洞43+390—46+115長2725m，19#隧洞46+133—48+000長1867m，4#倒虹吸48+010—48+150.328長140.328m，20#隧洞48+164.828—49+494.16長1329.332m。

2 工程地質條件

七干渠隧洞工程地處黃土高原丘陵區，施工地質條件十分復雜。隧洞圍巖主要以極不穩定強風化片麻巖、粉砂質泥巖為主，巖層并伴有一定程度的地下水，因此地層比較破碎、易坍塌，隧洞開挖風險高。16#隧洞39+650—39+913 Z1為變質砂巖、大理巖洞段，屬Ⅳ類圍巖。C3-P1砂巖夾頁巖及耐火黏土洞段為16#隧洞39+913—41+040，17#隧洞41+080—43+330，18#隧洞43+390—45+310。除16#隧洞39+913—41+040及17#隧洞41+080—41+221段為Ⅴ類圍巖外，其余均為Ⅳ類圍巖。18#隧洞45+310—46+115為γ43花崗巖洞段，屬Ⅳ圍巖；19#隧洞46+133—46+333，屬Ⅳ圍巖，46+333—47+217，屬Ⅲ圍巖，47+217—47+348為斷層影響帶，屬Ⅴ類圍巖。19#隧洞47+348—48+000，20#隧洞48+164.828—49+000 N1為砂質泥巖夾砂礫巖洞段，均為Ⅴ類圍巖，圍巖磚紅色。20#隧洞49+000—49+494.16 N1為砂礫巖洞段，屬Ⅴ類圍巖。Ⅳ、Ⅴ類圍巖不穩定，施工時要及時進行支護措施。工程涉及多條隧道，施工點多、面廣、線長，隧洞獨頭掘進最長2725m，隧洞掘進穿越復雜地層是本工程的難點所在。因此施工期間要做出針對性的支護和監控量測措施[1- 2]。

3 隧洞開挖

3.1 黃土隧洞開挖

3.1.1進洞措施

黃土穩定性不足，在進洞進一步開挖前需做支護[3]。在隧洞拱頂先做φ42mm管棚超前支護，支護長度設置為10m。拱頂支護完成后，由拱頂向隧洞兩側壁面環向設置支護以達到較好的隧洞超前支護效果，確保隧洞黃土段施工安全[4]。

3.1.2隧洞開挖

由于隧洞圍巖地質條件為極不穩定的V類圍巖，開挖成洞條件差，因此采用短進尺。該工程隧洞斷面設計小，采用全斷面掘進進行隧洞開挖。每個循環開挖進尺控制在0.80～1.80m。黃土質軟，因此黃土洞段采用掘進機配合人工開挖施工。

3.1.3施工支護

該段黃土隧洞支護施工分2次進行，斷面開挖前制作好相應的鋼拱架，斷面開挖完成后立即進行支護。隧洞開挖循環后立即進行1次噴錨支護，噴錨支護結束隧洞斷面穩定后進行2次混凝土襯砌施工。1次支護采用全封閉I12工字鋼鋼拱架。由于黃土隧洞穩定性極差，鋼拱架間距設計要小，該工程間距設置為0.60m。

3.2 巖石隧洞開挖

3.2.1圍巖鉆爆設計

(1) 炮眼布置

炮眼直徑設置為為Φ42mm；掏槽眼深1.7m、輔助眼深1.5m、底眼深1.5m。炮眼布置數目的多少關系到隧洞的爆破效果，因此直接影響到隧洞的施工進度。按式(1)計算炮眼布置數目[5]。

(1)

式中，f—巖石堅固性系數，這里取值為8；S為隧洞所需開挖面積，15.6m2；N—炮孔數目。

根據式(1)計算得到炮眼數目為37個，但是考慮到光面爆破效率，實際施工炮眼布置為48個。

3.2.2炮眼裝藥量

炮眼的裝藥量按式(2)進行計算：

Q=η×L×r

(2)

式中，η—炮眼的裝藥系數，這里取值0.6；L—炮眼深度，掏槽眼深度為1.7m，輔助眼深度為1.5m；r—每米爆破長度所需的炸藥量，取值0.78kg/m。

根據式(2)計算得到掏槽眼裝藥量為0.79kg，輔助眼裝藥量為0.70kg。

3.2.3炮眼布置圖

該設計的炮眼布置及爆破參數如圖1及表1所示。

圖1 圍巖起爆順序及爆破參數圖

4 隧洞支護

4.1 隧洞超前支護

超前注漿小導管主要用于Ⅳ、Ⅴ類圍巖的隧洞開挖[6]。超前小導管為φ42×3.5無縫鋼管，制作長度3m，環向間距30cm，超前小導管斷面布置如圖2所示，施工檢查要求見表2。

圖2 超前小導管橫斷面布置示意圖

表1 布置炮孔參數表

圖3 超前小導管縱斷面布置示意圖

表2 超前小導管質量檢測項目

4.2 隧洞初期支護

4.2.1錨桿施工

錨桿施工采用YT- 28型氣腿式鑿眼機鉆孔，采用?22水泥基藥卷錨桿，長度為2m。在錨桿布置為梅花形，且垂直于隧洞面[7- 10]。

4.2.2掛鋼筋網

隧洞錨桿支護施工完成后進行掛鋼筋網施工，鋼筋網規格采用φ6.5@200×200。

4.2.3鋼拱架支護

鋼拱架為Ⅰ16、Ⅰ14和Ⅰ12工字鋼。采用焊接連接鋼支撐與規格為15cm×15cm，δ=8mm鋼板，鋼板采用AM20×70螺栓、螺帽進行連接?？v向每榀鋼架間采用φ22mm鋼筋連接。

5 監控量測

5.1 監控量測的內容與方法

5.1.1周邊收斂位移量測

隧洞在開挖施工過程中進行隧洞周邊位移觀測[11- 12]。隧洞的周邊位移觀測是通過在隧洞周邊兩個相對位移方向設置固定點，測量前這兩個點在同一水平線，一旦發生位移，通過測點連線便知道隧洞周邊的位移量距離。通過位移值可以直觀地觀測到隧洞圍巖的變形程度和范圍。該工程使用隧洞凈空變化測定計(簡稱收斂計)對隧洞周邊位移量進行測量。隧洞周邊位移量測的測點和量測基線如圖4所示，點1和2、3和4為隧洞同一水平面的固定點。測點布置間距依圍巖類型而定，Ⅴ級圍巖間距為20m，Ⅳ級圍巖30m，Ⅲ級圍巖40～60m。

圖4 洞內收斂基線布置示意圖

5.1.2拱頂下沉量測

在布置洞身收斂位移檢測的同時也布置洞身拱頂下沉測點，且將兩種檢測點布置在同一斷面。測點布設使用鑿巖機鉆孔，然后注漿，再插入預埋件[13]。預埋件必須與與洞身中心線平行且處于垂直狀態。圖4中的監測點5即為隧洞拱頂 下沉距離測量點。測量點距離布置依圍巖類型而異，V、IV級圍巖量測布設間距為15～30m，III、II級圍巖50～60m設置。

5.1.3地表下沉

為監測隧洞開挖過程中的地表下沉距離，在洞段淺埋地段布置觀測點，使用精密水準儀監測觀測點下沉量變化且計算出當天的下沉值。量測斷面間距設置為20m。該項量測的測點布置如圖5所示，在隧洞中心線正上方原地面線處布置測點。

圖5 洞口地表沉降觀測點布置示意圖

5.1.4圍巖內部位移量測

本工程隧洞圍巖內部不同深度的位移量測采用多點位移計。位移計的量測距離便為隧洞內部的圍巖的變化相對位移值。隧洞量測的重點布置在開挖過程中出現的破碎不穩定、易出現塌方點，通過位移計的變化可隨時可知隧洞內部圍巖的變化情況，以便隨時做出應對措施，該工程圍巖內部觀測點設置如圖6所示，在隧洞拱頂和隧洞拱腰出分別布設孔位量測。圖6中A點為拱頂測點，B、C為拱腰布置測點，D、E為邊墻布置測點。

圖6 圍巖內部位移測點布置示意圖

5.1.5鋼支撐內力

為保護隧洞開挖安全，通過對職稱鋼架的應力測試，一方面可以獲得鋼架的應力變化曲線，從而得到鋼架的安全系數。另一方面可以通過應力測試曲線變化得到隧洞開挖斷面的穩定性。一旦隧洞圍巖出現不穩定現象，可通過鋼架支護結構的應力變化曲線可知。該工程通過對鋼拱架的上、下緣每10～50m分別安裝測力計來獲得鋼支撐的內力及外力。

5.1.6錨桿拉拔力

錨桿抗拔試驗能綜合反映出施工錨桿的質量，通過拉拔實驗可以掌握錨桿能承受的最大拉力。本工程的錨桿抗拔力量測采用快速量測法，即采用錨桿拉力計進行量測。本工程錨桿拉拔測量在錨桿砂漿施工完畢28d后進行。

5.1.7噴射砼支護表面應力量測

該隧洞對噴射混凝土支護段圍巖表面應力進行監測布置位置如圖7所示，在圍巖與初支之間布置測點[14]。

圖7 噴層接觸壓力量測測點布置圖

5.1.8彈性波測試

通過雙孔穿透法現場進行彈性波測試，在隧洞施工過程中由聲波發射器和接收器分別發射和接收聲波。根據彈性潑在巖體中的傳播特性，觀測波速變化、波的能量衰減、波的傳播頻率等物理特性來判斷圍巖的密實度等物理指標。根據圍巖的密實度可以推測得到巖體的完整度和松動情況。

5.2 監測頻率

該工程隧洞開挖各監控量測項目的監測儀器及頻率要求見表3。

6 結語

本工程隧洞由于地處黃土丘陵區，隧洞圍巖穩定性差，施工困難。通過對隧洞黃土段實行2次支護及巖石隧洞的超前小導管支護和錨桿、掛網和鋼拱架初期支護措施確保了施工的正常進行。與隧洞開挖支護同時進行的還有隧洞周邊位移和拱頂下沉、隧洞內部位移監控測量等。通過相關隧洞開挖過程中監控量測技術的實施最大限度地杜絕了安全事故的發生，保證了工程的按期進行，節約了成本。復雜地段隧洞工程的安全施工不僅需要地質勘測做到準確，隧洞開挖支護及圍巖穩定性監控量測更具有重要作用。

表3 各項目的監測儀器及頻率統計表