隧道快速掘进中变形预测及支护方案

2012-10-24杜卫

黑龙江水利科技 2012年2期

杜卫

( 江西省水利水电建设有限公司，南昌330000)

1 工程概况

某水库总库容为3 000 万m3，该工程主要由大坝、溢洪道、新建输水隧洞、坝下游涵管和坝后电站厂房所组成。隧洞沿洞轴线工程地质围岩多样，弱风化以及强风化石英砂岩均有。该水库的隧洞采用新奥法施工，施工中采取变形预测，通过对围岩支护体系的稳定性状态的监测和评价，为初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供依据，从而达到确保施工及结构安全、指导施工顺序、便利施工管理的目的。

2 隧洞掘进变形监测

在隧道快速掘进过程中要准确地进行隧洞的变形预测，采取地质预报以及变形监测是关键。对于地质条件复杂或重点地段，除作开挖工作面地质素描外，还应做地质展示图;同时采取施工地质预测，为隧道开挖工作面前方一定长度范围内的围岩工程地质和水位地质条件，作分析推断和评估工作。

在隧洞快速掘进施工中，对于地质条件复杂应特别加强量测工作，按照设计要求进行监测。隧洞变形预测分为必测项目和选测项目两类，其中围岩及支护状态观察、拱顶下沉、周边位移、净空收敛变形、以及明挖段的坡面稳定、地表下沉量测为必测项目。选测项目主要有围岩与支护结构的接触应力、支护结构的应力状态量测、以及底板隆起量测等。

2.1 隧洞净空收敛预测

隧洞净空收敛预测是最基本的变形预测项目之一，工程实践表明在隧洞开挖后，为尽早获得围岩开挖后初始阶段的变形动态，应尽快埋设测点。埋设测点时，先在测点处用人工挖孔或凿岩机开挖孔径为40 ～80 mm，深为25 mm的孔。在孔中填满水泥砂浆后插入收敛预埋件，尽量使两预埋件轴线在基线方向上，并使预埋件销孔轴线处于铅垂位置，上好保护帽，待砂浆凝固后即可量测，量测测点应牢固可靠，易于识别并妥善保护。采取激光隧道限界检测仪进行自动数据采集，初始读数应在隧洞开挖后12 h读取，最迟不得超过24 h，而且在下一循环开挖前，必须完成初期变形值的记取。

2.2 拱顶下沉预测

拱顶下沉主要用于确认隧洞掘进过程中围岩的稳定性。为了获得准确的拱顶下沉预测数据，在每个量测断面的拱顶中心埋设一自制的钢筋预埋件。埋设前，先用小型钻机在待测部位成孔，然后将预埋件放入，并用混凝土填塞，待混凝土凝固后即可量测。拱顶下沉和周边位移测点布置见图1所示。鉴于拱顶下沉预测反映着围岩的稳定性，因此其监测频率要求相当重要，结合工程实践，笔者总结了拱顶下沉及周边位移量测频率见表1。

图1 拱顶下沉和周边位移测点布置图

表1 拱顶下沉及净空位移量测频率表

2.3 地表下沉预测

地表下沉埋设基点的位置相当重要，其影响着下沉的监测数据结果，基点应埋设在隧道开挖纵横向各(3 ～5) 倍洞径外的区域，埋设5个基点，以便互相校核，参照标准水准点埋设，所有基点应和附近水准点联测取得原始高程。在测点位置挖长、宽、深均为200mm 的坑，然后放入地表测点预埋件( 自制) ，测点一般采用φ20 ～30 mm、@200 ～300 mm的平圆头钢筋制成。测点四周用混凝土填实，待混凝土固结后即可量测。

对隧洞地表下沉的监测应在仪器检验合格后方可进行，且避免在测站和标尺有振动时进行; 尽量选择在每一天同一时间内进行观测;观测坚持四固定原则，即:施测人员固定，测站位置固定，测量延续时间固定，施测顺序固定，且应每隔30 d用精密水准测量的方法进行基点与水准点的联测，其误差不得超过±0.5■n mm( n 为测站数) 。为了预测地表的下沉情况，根据初始的监测数据绘制时间－位移与距离－位移图，曲线正常则说明位移随施工的进行渐趋稳定。如果出现反常，出现反弯点，说明地表下沉出现点骤增加现象，表明围岩和支护已呈不稳状况，应立即采取措施。

2.4 围岩内部位移预测

围岩内部位移变形反映了隧道围岩的径向位移分布和松弛区域范围，而且其还可为获得决定锚杆长度的判断提供原始资料。在预定量测部位，用特制直径140 mm钻头，钻一深40 cm的钻孔，然后再在此钻孔内钻一同心的直径为48 mm的小孔，孔深由试验要求确定，钻孔要求平直，并用水冲洗干净。矫直钢丝，并截成预定长度，将钢丝连接在钻孔锚头上。把锚头末端插入安装杆，然后将锚头推进到预定深度，在操作时要注意定向，避免安装杆旋转，千万不能将安装杆后退，以免安装杆和锚头脱落。紧固锚头，若用楔形弹簧式锚头，则用30 ～50 kg力拉钢丝，如果锚头不滑动，即可认为锚头已经锁紧;若用压缩木锚头，则等待压缩木吸水膨胀后，亦用30～50 kg力拉钢丝，若拉不动，则可认为锚头已经紧固。

把与各锚头连接的钢丝分别穿过测筒上的各个导杆，并把测筒的上筒用固定螺丝、木楔及水泥砂浆固定在孔内，然后拉紧钢丝，并用螺母夹紧在各个导杆上，这时要注意调整导杆距离，使之有15 mm的伸长量。把下筒与上筒相接，并用木楔塞紧，若是电测下筒，还需仔细安装，调整电感式位移传感器的量程，并引出电缆，盖上盖板。当试验点离开挖面很近时，必须采取防护措施，以防止爆破飞石损坏电缆及测筒。开始初读数( 如果用百分表测读，应每次打开盖板) 。为了有效地确保读数的稳定性，第一次读数的建立应≥24 h。开始阶段，每天应至少进行一次测度测读，随着开挖面的远离，测读间隔时间可以酌情延长。将钻孔伸缩计测筒上的电感式位移传感器与数字位移计连接，并打开位移计电源开关，即可进行读数。然后根据实际位移与读数的标定数字回归方程，即可算出钻孔伸缩计4个测点的实际位移变形。

3 隧洞掘进支护方案优化

对隧洞采取支护是保证安全施工和快速掘进的关键，在掘进实施中通过采取超前地质探报技术，制订切实可行的支护施工方案，同时随时观察和监测有无异常，仔细研究岩体和地下水变化规律，不断优化原设计方案。

为了确保支护的可靠性，隧洞掘进施工应当采取勤观测、短开挖、强支护。在施工过程中，随时观察和量测现场工程地质及水文地质变化情况，研究变异规律，优化支护方案;同时对于岩性不良地段，严格控制进尺，紧跟作业面一次支护快速衬砌，多打孔，少装药，放小炮，保证断面规整，为初期支护创造条件。及时支护是消除塌方的重要手段，强支护是预防塌方的主要措施，施工中利用小导管注浆、长管棚、格栅拱等进行强支护。选取不同的隧洞支护方案将对隧洞开挖效果的以及安全性产生直接影响，为此应当根据隧洞掘进的特点，对本工程预计可能发生的塌方情况，提出以下4 种支护方案，以进一步优化本隧洞支护方案。

1) 裂隙扩张造成的小塌方支护方案。此类塌方多发生在轻微风化或裂隙较密集的围岩中，主要是由于开挖和支护方法不当造成，常发生在爆破后的几个小时内，虽然塌方数量不大，但威胁工作面的施工安全，为此对于这种情况下，支护施工方案适宜采取加强锚喷法。这种支护方案可通过先清理岩面，然后安装锚杆并挂钢筋网，最后喷混凝土;也可以采取锚索支护。

2) 塌方体窄长的小塌方支护方案。此类塌方多发生在断层破碎带较窄且两侧岩体比较完整的地段，施工中可采用挑梁法安装钢支撑，然后对塌方处锚喷，挑梁法指将型钢穿过临时架立支撑的顶梁直抵掌子面，形成一排挑梁，在挑梁上架设水垛，填塞洞穴。

3) 中等塌方支护方案。这种类型的塌方量较大，塌方范围在10 m左右，多发生在两条相邻、倾向相对的断层带或两种岩层交接带。在塌方之前，常有掉块现象，其频率及块度随爆破振动烈度、振动频率和地下水活动强度的增加而提高。在塌方后，常有较稳定的顶板，发生继续塌方的可能性不大，为此工程实践表明，优化后的支护方案适宜采用锚喷法、插筋排架法、护顶法、管棚法等处理。其中插筋排架支护方案就是紧贴掌子面架设钢支撑，在顶拱设计开挖线以外按一定角度(3° ～10°) 钻孔，安装钢筋支架形成掌子面超前支护，在钢筋支架保护下塌方体出渣，最后喷混凝土支护。

4) 大塌方支护方案。该类塌方在100 m3以上，塌穴高度在10 m以上，当洞顶岩层较薄时，易发生冒顶。处理措施为:若塌方堵塞整个隧洞，且对塌方规模和规律还不了解，可采用锚喷法，管棚法等多种处理措施; 当塌方段埋藏较浅或地质条件较为复杂时，从洞内处理难以保障安全，较优的支护方案可采用灌浆法和环行导洞法综合处理。其中，环行导洞法支护方案采取由下而上开挖导洞群并回填混凝土，完成边墙顶拱环形支护结构( 亦可结合建筑物作为永久衬砌) 。

但事实上，对于隧洞掘进过程中，地质条件可能出现复杂多变，预定的隧洞支护方案也无一定模式，具体要视现场情况研究决定，因此优化支护方案是相当有必要。