新疆某浅埋深砂砾石极软岩隧洞施工技术难点及处理措施

2015-04-06刘林涛

水利水电工程设计 2015年2期

关键词：软岩砂砾掌子面

刘林涛

刘林涛

新疆某干渠1#隧洞属浅埋深砂砾石极软岩输水隧洞，该隧洞外部环境复杂，在具体实施过程中，特殊的地质及洞内作业条件给工程施工制造了诸多问题和困扰，在具体实践过程中，参建单位不断调整完善施工方案，总结出适宜的工艺、工法，取得了良好的施工成绩。

浅埋深软岩隧洞施工难点处理措施

1 工程概况

新疆某干渠1#隧洞属浅埋深砂砾石极软岩输水隧洞，工程由进口明渠及渐变段、洞身段、出口暗涵段、出口矩形槽段及施工支洞五部分组成，其中洞身段全长为4 668 m，自进口到支洞至出口围岩埋深由18 m至10 m至4 m递减，隧洞设计断面为正马蹄形，输水条件为无压明流，衬完断面尺寸6.2 m×6.2 m，最大开挖尺寸8.1 m×8.1 m，Q设计=55.5 m3/s，Q加大=62 m3/s。支洞设置在距进口桩号K2+711处，施工工作面为4个，单个工作面控制最大施工长度约1 605 m。

该隧洞通过地貌单元为河谷冲洪积倾斜平原区，地形平坦开阔且均已开发为农田，无大冲沟发育，围岩上部为风积黄土，厚度1.5～2.5 m，其下为冲积卵石混合土层，厚度大于30 m，洞线均位于砂卵石土层中，围岩类别为Ⅴ类，岩体抗力系数K0=1～2 MPa/cm，饱和抗剪强度：37.0°～40°，坚固系数fk=0.8，地下水埋深16.5～21.5 m，位于洞底以下。根据探坑试验资料所示颗粒级配连续，未发现砂层透镜体，砂砾石天然湿密度1.97～2.18 g/cm3，干密度1.91～2.22 g/cm3，含水率2.8%～4.2%，最紧密度1.98～2.26 g/cm3，相对密度Dr= 0.7，渗透系数k＝1.3×10-2～2.2×10-2cm/s，属强透水层。

2 工程主要施工难点分析

2.1 掌子面开挖施工工艺复杂

1#隧洞属浅埋深砂砾石极软岩隧洞，鉴于围岩的弱胶结性及大部分洞段不足1倍洞径的埋深，要保证围岩稳定成拱就必须要最大限度减少围岩裸露时间及形变空间，须严格遵循“短进尺、强支护、快衬砌”的原则进行施工，而软岩隧洞施工质量要求高、工艺复杂，因此，在工程实施过程中如何优化施工组织设计，最大限度地提高施工效率，将是确保施工安全、进度及工程造价的关键。

2.2 线性工程地面环境复杂进一步增加了施工难

度和风险

1#隧洞位于老灌区及城乡结合部，临近机场、铁路，穿越多条公路、大型输水渠道及民宅、耕地等，如发生隧洞坍塌、冒顶事故，后果不敢想像，因此，线性施工及复杂的外部环境，进一步增加了工程的施工难度和风险性。

2.3 因特殊地质条件极易造成洞顶坍塌

由于冲洪积卵石混合土围岩在自然沉积、压缩形成过程中，易产生弱胶结粉砂透镜体及断级配卵石夹层，且岩体相对密度及抗力系数、坚固系数等性能指标随深度增强趋势明显，在下游围岩厚度小于10 m的浅埋洞段施工过程中，极易在顶部±45°范围出现连续掉拱和坍塌，如处理不及时，必将影响到围岩整体稳定引起更为严重的坍塌，且处理方式不当将导致一次支护不密实引发岩体二次剥落，遗留重大安全隐患。

2.4 合理、有效控制开挖掌子面至二衬安全间距

在软岩隧洞施工过程中，混凝土二次衬砌及时跟进是确保工程安全的重要措施，而受洞内施工环境及混凝土拆模时间限制，为提高工程进度承建单位往往倾向于拉大掌子面至二衬距离，而如何合理、有效地控制开挖与衬砌间安全间距，是隧洞工程施工伊始必需解决的问题。

2.5 多掌子面开挖、衬砌交叉施工干扰大

1#隧洞洞线长、外部环境复杂，多掌子面开挖、衬砌交叉施工干扰极大，因此，如何做好施工总体规划及类似于二衬混凝土集中拌制配送方案等细节设计，将是确保工程安全、高效、低廉施工的核心。

3 对应处理方案及措施

3.1 采用“小断面、短循环、长台阶”施工方案

1#隧洞掌子面开挖及一次支护采用小断面、短循环、长台阶法进行施工。所谓小断面是指根据隧洞结构将掌子面划分为5个小断面相对独立施工，短循环指视地质条件单循环开挖及一次支护进尺严格控制在0.4～1.2 m范围内，长台阶法是指5个小作业面采用3～5 m长台阶分割平行作业，具体见图1。

通过不断地实践完善，在工程具体施工中，先把需要人工配合机械开挖且要及时进行一次支护的Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ区开挖完成，随即进行拱架、网片和锚杆安装，同时，0.2 m3小挖掘机配合5 t的自卸车出渣，并拉回集中拌制混凝土料用喷浆车完成喷护，之后，再利用挖掘机开挖核心土台Ⅱ区和Ⅲ区自卸车出渣，至此，一施工循环顺利完成。上述施工方案不但确保了各小断面均能有稳定结构支撑，还最大限度地减少人工及机械待工时间，极大地提高了施工效率。按此工法在施工高峰期每个班组在8 h内可完成1个循环作业，日开挖进尺可稳定保持在3 m以上。

3.2 综合分析风险因素制定针对性施工方案

针对1#隧洞复杂的外部环境及高风险的特点，在施工中参建单位高度重视风险因素分析研判工作，对洞线过渠、过路、过民宅、灌溉期及雨季施工等诸多环节可能发生的风险进行梳理、甄别，如渠道内水渗漏、重载车辆等动荷载引发围岩失稳坍塌、地面沉降诱发房屋开裂倒塌等，在此基础上有针对性地制定专项施工方案及应急预案，并严格遵照实施，如先期在所穿越输水干渠停水期对洞线上下游各150 m范围内渠道进行土工膜加现浇板防渗处理，联系地方交通部门对穿越道路进行封闭限行，在穿越民宅周边设置沉降观测点定期量测，这一系列切实可行的措施最大限度地规避了潜在风险因素，取得了较好的施工控制效果。

3.3 “预防与处理并重”，减少围岩扰动

在1#隧洞浅埋洞段施工过程中，针对围岩特性本着“预防与处理并重”的原则，通过加强对不良地质条件预判提前调整施工方案，采用“短进尺、快封闭”工法施工，将上半拱开挖进尺控制在40 cm以内，加大人工开挖保护层厚度至30～50 cm，一次支护先进行5 cm初喷快速封闭，并采用材质较硬的Φ25 mm，L=2.5 m的螺纹钢加强超前支护，有效减少围岩扰动以控制洞顶坍塌。在对塌腔高度大于50 cm区域处理过程中，为保证喷射混凝土充填密实，将挂网钢筋调整为尽量贴服坍塌岩面架设，必要时加设大孔径（不小于2 cm）钢丝网，分层噴护确保结合紧密。

3.4 以围岩收敛变形资料为依据确保最优安全间距

为有效控制开挖与衬砌间安全间距，在主洞施工前期，参建单位依据新疆已建成的二道湾隧洞、顶山隧洞等类似工程经验，采用下线控制法即满足掌子面开挖施工布置及二衬钢筋绑扎作业的最短距离40 m设限，同时加密围岩收敛变形监测。通过对3个典型断面近60 d的监测数据统计分析，探知1#隧洞砂砾石围岩最大累计收敛变形量为水平侧线8.84 mm，远小于GBJ 86—1985《锚杆喷射混凝土支护技术规范》提出的洞空允许相对收敛值37.5 mm的控制标准，且当隧洞开挖掌子面通过收敛监测断面约60 m后，围岩收敛速率小于0.2 mm∕d，趋于稳定。及时准确的围岩收敛变形监测资料为施工高峰期最优安全间距的制定提供了重要依据，后期开挖与衬砌间距逐步调整至60 m，在确保安全的基础上进一步降低了洞内施工干扰，提高了开挖作业进度。

3.5 总体规划全盘考虑、重点环节系统设计

针对1#隧洞线长、多点作业且内、外部施工干扰大的特点，参建单位在制定施工总体规划时于全盘进行统筹考虑，于重点环节进行系统设计，最大限度规避干扰源，提高施工效率。在临时设施设置方面突出实用性及环保要求，尽量少占用耕地并降低施工影响；在弃渣场规划中化整为散，充分利用各作业点周边废弃料坑进行复垦，不但降低了运输强度及成本，还取得了良好的社会效益；在混凝土制备方案中，突出做好质量控制及调配效率，由项目部集中拌制并依据各作业点施工需要，适时调整配给计划及罐车数量，制定多套运输方案以应对堵车、封路等突发情况；在洞内交叉作业中，为最大限度减少二衬混凝土浇筑对掌子面开挖施工影响，采用预先备料、预留堆渣区等措施，确保混凝土浇筑过程中仍能进行一班开挖作业，并通过调整配合比加快洞内混凝土初凝速度，将台车脱杠时间缩短至12 h。