不良地质洞段主支交汇处施工技术

不良地质洞段主支交汇处施工技术

寇文博

中国水利水电第五工程局有限公司第一分局，四川 成都 610066

1. 摘 要：本文结合寺前郑施工支洞与大巍头山隧洞交汇处现场施工情况进行论述。主支交汇部位是连通支洞与主洞的“大厅”。该部位存在断面形式变化、跨度增大、开挖难度大、支护形式多变、遇到不良地质条件易发生掉块、塌方等。因此隧洞施工中常将该部位施工列为重大危险源。台州引水工程寺前郑支洞主支交汇处围岩稳定性极差，该处不具备主支交汇条件。为保证台州引水工程施工顺利进行，在业主、设计、监理、施工单位多次现场察勘后确定了小导洞+加强支护等措施。该施工工艺在该主支交汇处施工取得了成功，希望对类似工程的施工提供借鉴。 

关键词：隧洞；不良地质条件；主支交汇处；开挖支护施工

1工程概况

1.1工程概述

大巍头山输水隧洞工程作为台州市引水工程9段输水隧洞工程的一部分，起点为茅畲乡东北侧的上书苑附近山体，沿山体向东布置，依次穿过百家尖、小毛田后在上寥村西侧出洞。输水隧洞总长输水隧洞主洞长6.62km（大洞0+000m～大洞6+620m），为马蹄形，设计断面为3m×4.5m（宽×高）。寺前郑村西侧布置一条施工支洞，长度为0.64km，纵坡为5%。寺前郑施工支洞设计洞长640m，与主洞交汇点桩号为东4+306m,设计断面为5.3m×5.2m（宽×高）的城门型。洞身为反坡，坡度为5%，洞口与主洞高差为29m。

主支交汇处自寺支0+586m开始隧洞地质情况变差、围岩破碎已按V类支护形式。至寺支0+635桩号后隧洞围岩情况继续变差，围岩破碎成强风化状态，并伴有渗水。以卫星图查看隧洞位于该处凌云水库上游入库冲沟底部。

1.2工程地质

该处位于F103断层影响区域，F103断层N53°～70°E走向，唐山王—岭里断裂的中段与北东端，在北东端局部为第四系掩盖，北东端倾角近于直立，挤压破碎带宽20m左右，于桩号4+400处从大巍头山腹部穿过，断裂两侧侏罗系上统诸暨组a段岩石普遍硅化。根据现场开挖实际揭露围岩地质情况揭露该处的围岩为凝灰质粉砂岩，破碎成强风化状态，并伴有渗水，围岩存在遇水软化现象。

1.3施工区周边环境条件

根据卫星地图及现场查看该主支交汇处地表为凌云水库入库3条冲沟交汇处。根据施工现场推断该处为F103断层（N53°～70°E）边缘段及该处冲沟底部不利切割交叉处。详见图1主支交汇处地形图

2总体施工方案

由于该处围岩破碎，胶结差，同时伴有渗水。断层带为强风化粉状岩，个体粒径小、相互间黏结差、岩质软稳定性极差，不具备主支交汇条件。若重新选择主支交汇地点必将影响施工进度，为保证台州引水工程施工顺利进行，在业主、设计、监理、施工单位多次现场察勘后确定了小导洞+加强支护等措施。为保证施工安全，利用超前小导管注浆进行超前预固结施工。预先稳定前方岩体，再进行开挖施工。

总体施工方案:采用导洞先行→导洞横向拱架支护→导洞纵向拱架支护→割除横向拱架拱脚→进行主洞方向开挖支护及相应的超前支护相结合的思路。总体开挖支护顺序为：寺前Ⅰ区开挖支护→Ⅰ区开挖支护→Ⅱ区开挖支护→Ⅲ区开挖支护→寺前Ⅱ区开挖支护。开挖施工顺序详见下图2主支交汇处施工程序图

图1主支交汇处施工程序图

2.1寺前郑施工支洞段施工

寺前郑施工支洞段目前已开挖至桩号寺支0+635m段，I16拱架支护至0+632m处，原设计施工思路为在寺支0+632m处做为下游段转弯起点，寺支0+635m处作为上游转弯起点。由于地质围岩发生变化，根据设计图纸自寺支0+627m开始进行隧洞下游转弯，相应的支护拱架变为I20a且支护形式发生变化。

为保证主支交汇处能够及时进行施工，并保证施工安全。计划自寺支0+627～寺支0+632m处I16工字钢支护暂不处理。等到主支交汇处开挖支护完成后再进行该处扩挖及钢拱架支撑拆除更换施工。目前在寺支0+630m处开始按照设计图转弯半径及扩挖尺寸进行开挖，并按照设计图进行支护施工。

2.2Ⅰ区开挖支护

寺前郑施工支洞最后三榀I20a加强钢拱架，施工完成后，利用超前小导管灌浆进行超前预固结。预固结完成后在水泥浆液与周围岩石土体达到设计强度后再进行Ⅰ区开挖支护。主支交汇处开挖支护详见图3主支交汇处开挖支护图

Ⅰ区开挖支护按照设计图纸要求进行轮廓尺寸控制，顶拱中心位置由5.2m逐渐增加至6.2m并于主洞内侧边墙连接。两侧由顶拱中心逐渐渐降低至5.2m高程，保证开挖轮廓线平顺。隧洞开挖过程中严格控制开挖进尺，采用预留核心土的开挖方式，对于软弱围岩尽量采用挖机+破碎锤进行开挖；挖机开挖困难地段采用小药量短进度（单循环进度不大于0.5m，地质结构复杂时应进一步缩短进尺长度），弱爆破的施工方式，减小对围岩的扰动。开挖完成后及时进行相应的支护，支护完成后方可进行下一循环施工。依次开挖支护至主洞边墙处后，进行下层I20a钢支撑支护施工间排距为0.75m。下层钢拱架为异形拱架，拱架左侧与支腿连接，预测与寺前郑施工支洞最后三榀加强钢拱架的顶拱拱架相连接。连接采用20mm厚的连接钢板+等边角钢+高强螺栓连接。

图2 主支交汇处开挖支护图

2.3Ⅱ区开挖支护

Ⅱ区开挖支护分为上下游依次施工，禁止同时进行上下游两侧拱架支腿进行施工。首先进行Ⅱ上游施工，首先拆除上游上层钢拱架支护的支腿，然后进行主洞上游开挖施工。隧洞开挖过程中严格控制开挖进尺，对于软弱围岩尽量采用挖机+破碎锤进行开挖；挖机开挖困难地段采用小药量短进度（单循环进度不大于0.5m，地质结构复杂时应进一步缩短进尺长度），弱爆破的施工方式，减小对围岩的扰动。开挖完成后及时进行支撑拱架安装相应的支护，支护完成后方可进行下一循环施工。下层钢拱架为异形拱架，拱架左侧与支腿连接，预测与寺前郑施工支洞最后三榀加强钢拱架的顶拱拱架相连接。连接采用20mm厚的连接钢板+等边角钢+高强螺栓连接。（主洞上游完成开挖支护后进行主洞下游开挖支护施工。

2.4Ⅲ区开挖支护

Ⅲ区开挖支护分为上下游依次施工，一侧开挖支护期间对另一侧掌子面进行喷20cm后混凝土进行封闭。开挖过程中严格控制开挖进尺，对于软弱围岩尽量采用挖机+破碎锤进行开挖；挖机开挖困难地段采用小药量短进度（单循环进度不大于0.5m，地质结构复杂时应进一步缩短进尺长度），弱爆破的施工方式，减小对围岩的扰动。开挖完成后及时进行支撑拱架安装相应的支护，支护完成后方可进行下一循环施工。通过测量放线严格控制每榀拱架的位置及尺寸，拱架伴随着转弯逐榀确定加工拱架尺寸。单侧开挖完成后，再进行另一次开挖支护施工。

2.5寺前Ⅰ区开挖支护

Ⅲ区开挖支护完成后，再进行寺前Ⅱ区扩挖施工。原支护钢拱架利用破碎锤和人工气割拆除，逐榀进进行，切割拆除后，按照设计转弯半径尺寸进行扩挖，扩挖到设计尺寸后立即进行I20a钢拱架支护施工。并按照设计图进行锚喷支护。

2.6施工监测

设专职监测人员在开挖过程中进行监测。量测结果及时提交监理。遇到围岩变形较大时，增加测读频次，及时通报监理，并采取加固措施。

3施工工艺

3.1开挖施工工艺

本处围岩主要是Ⅴ类偏差围岩，岩性软弱，裂隙发育，风化程度严重，稳定性差，给施工带来一定难度。施工中根据地质条件和现场实际情况，采取预留核心土开挖的方式同时与超前支护稳步推进的方法，加强测量观测工作。隧洞开挖严格按“新奥法”工艺施工，开挖钻爆按照“先支护（强支护）、短进尺、弱爆破、少扰动，快封闭，勤量测”的原则施工,开挖支护顺序为：①→②→③→④。

⑴预留核心土开挖

当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖面在拱部设计开挖轮廓线外，进行超前支护。在施工时，开挖预留核心土每循环开挖进尺宜为0.5m，预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求，不宜低于开挖断面面积的50%；开挖完成后及时施作喷、锚支护，安装钢支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加锁脚锚杆（管）；上部弧形，左右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m平行作业；仰拱施工紧跟下台阶，全断面初期支护完成距离拱部开挖面不宜超过30m。

况，结合钢支撑加工尺寸自行拟订，应方便人员操作，宜控制在3.5～4.0m；开挖循环进尺宜按照2榀钢支撑间距进行控制，一般0.5～1m。②侧墙开挖，左右错开，错开距离宜为3～5m；单侧一次开挖进尺不大于1.5 m，宜按照2榀钢支撑间距控制；开挖作业宽度1.5～2.0m，中间暂留核心土。③钢支撑支护完成后进行中间核心土开挖。

每次开挖后都应及时进行初期支护，做到“早喷锚”。初期支护施工顺序为：初喷混凝土→打设系统锚杆→挂网→架立钢支撑→打设锁脚锚杆（管）→复喷混凝土至设计厚度。初喷混凝土厚度4～5cm，用于找平、封闭岩面，防止围岩应力集中及松弛变形。喷射混凝土进行时，应连续进行，并掌握好风、水压，以确保喷射混凝土强度及整体性。锚杆施工时，应通过测量定位，保证其纵向间距与钢支撑间距一致，并处于同一法线，以便锚杆安装好后与钢支撑焊接在一起，形成整体受力结构。

3.2超前小导管施工工艺

⑴ 小导管制作规格

小导管长度加工成3m/4.5m长左右，管体加工的溢浆孔宜大不宜小，孔径为2cm左右，因为施作此类小导管目的主要是导浆；

⑵施工工艺

开挖过程中记录围岩极其破碎，岩质极软，且该段有基岩裂隙水渗出，使围岩进一步软化，内部缝隙小，注浆扩散范围小，故小导管安装间距应小，间排距控制在1m~1.3m，梅花形布置，使浆液注满松散体，固结为一个整体。

钻孔：先将小导管的孔位用红油漆标出，调好钻孔的方向。采用风钻成孔。钻孔钻进避免钻杆摆动，保证孔位顺直。钻至预设孔深后停钻。

顶管：在钻孔内插入φ42mm钢花管，在管尾后段30cm处，将麻丝缠绕在管壁上成纺锥状，并用胶带缠紧。开动钻机，利用钻机的的冲击力将钢花管顶入围岩中，钢管顶进钻孔长度≥90%管长。

固定：顶管至设计孔深后，将孔口用水泥-水玻璃胶泥将钢花管与孔壁之间的缝隙封堵。孔口应露出喷射混凝土面15cm。

压水：管路连接完成后应进行压水试验，以检查管路及工作面有无渗漏现象。水量应尽量控制，不宜大量试压水。

注浆：注浆可采用KBY-50/70注浆机，自制水泥浆搅拌桶。注浆结束标准为，注浆压力达到1.0MPa时且不能继续进浆，即可停止注浆。

⑶注意事项：

浆液水灰比总体为1:1，随着注浆的进行不断调整水灰比，有稠到稀，注浆压力刚开始控制在0.6MPa左右，之后逐渐提高压力，达到0.8MPa～1.0MPa，直至不能继续进浆。注浆过程中可能有些孔在低压状态下没有注满的迹象，根据现场实际可停止对该孔注浆。因为堆积体另一面没有喷护封闭，浆液可能从对面流出堆积体，造成注浆失效而且浪费材料。

3.3 EX29N涨壳式预应力中空注浆锚杆施工工艺

用于地质条件中等良好的围岩永久系统支护，超前预支护；尤其在硬岩，岩层水平层理，节理裂隙开夹泥或地下水发场合，可通过涨壳锚杆迅速形成支护力，通过施加足够的预应力来控制围岩变形，保持其稳定。

施工顺序为：锚杆孔通气检查→钻孔→插杆→预紧杆体→安装止浆塞、垫板、螺母→张拉→注浆。

采用YT-28手风钻钻孔为了使钻孔直而钻径精确，使用Φ50mm十字钻头钻孔，钻孔成形后需彻底清孔。然后将安装有涨壳锚头的杆体插入孔的底部。用专用工具用力预紧杆体，使涨壳锚头在锚孔中充分涨开，施加力量直到扭不动为止。注浆，施加预应力完后及时注浆，注浆质量是永久支护锚杆耐久性的关键。

4总结 

寺前施工支洞与主洞交汇段长度共为28m，开挖分为7块施工，施工过程中严格采取“短进尺、弱爆破”并及时加强支护的方式进行施工，取得了成功。

主支交汇段施工是支洞与主洞的咽喉，必须高度重视不良地质条件下的隧洞交叉施工。要从思想上重视，贴合施工现场实际情况制定相应的开挖支护方案。精心组织，严格按照方案实施是确保施工安全顺利进行的关键。

【参考文献】 

[1]孙立福. 不良地质条件下隧洞交叉口初期支护的施工技术[J]. 铁道建筑，2009（10）：43-45.

作者简介：寇文博（1987-），男，河北衡水人，中国水利水电第五工程局一分局，台州引水工程项目，总工程师，工程师，从事水利水电施工技术与管理工作，联系方式：18632068269；QQ：804407273