软岩隧洞施工技术方法

温定煜

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066）

1 工程及地质条件概况

沙湾电站位于四川省的木里河上，为低闸引水式电站，引水隧洞全长18 775m，开挖断面直径7.2～9.6m。我局承揽7.3km隧洞段开挖支护工程，隧洞沿线埋深：查布朗沟段48m，其它洞段在145～590m之间。

前期进行240°拱冠断面开挖，底部预留2m，形成出渣路面保证足够的路面宽度，方便机械施工。

施工洞段为奥陶系下统人公组（Olr）、瓦厂组（Olw）板岩、千枚岩夹少量变质石英砂岩，总体属软岩，岩层总体产状：N20°～30°W/SW∠15°～50°；主要发育茶布朗断层（F4）以及勘察设计阶段未查明的断层等，挤压揉皱强烈；地下水主要为构造裂隙水及断层带水，一般中等发育，以渗水、滴水、线状流水形式溢出，局部涌水。

根据已开挖隧洞段地质条件分析整理，围岩以Ⅳ类为主，断层带及涌水段为Ⅴ类。Ⅳ类、Ⅴ类各占89%、11%（见表1）。

表1 沙湾电站隧洞围岩工程地质分类表

2 工程特点与施工难点

2.1 工程特点

岩性主要由灰色极薄～薄层状碳质、钙质、泥质板岩或千枚岩组成；挤压揉皱较强烈，岩体结构属碎裂结构；岩层产状与洞轴线夹角较小；板岩受水浸泡后迅速软化，手可掰动，局部手可捏碎搓成泥团，围岩自稳时间极短；地下水发育段围岩变形快，多顺岩层及裂隙组合易产生顶拱塌方；受水的作用掌子面超前核心土极易坍塌；板岩或千枚岩受水浸泡后的岩石力学指标低，难以满足承载力要求，易引起支护体系沉降、反拱变形等，受地下水的影响，变形问题尤为突出，一期支护后，围岩产生的收敛变形：底部最大达124mm、顶拱沉降最大达89mm。

2.2 工程施工难点

（1）施工作业开挖支护人员几乎站在淤泥土、雨水中作业，施工困难，效率低下。软岩软化系数低，遇水迅速软化，围岩开挖后易塌方，施工人员须有超凡的施工经验，根据掌子面揭露的地质情况及时作出准确判断，采取相应的支护措施确保已支护段的洞身安全，否则易引起关门的特大安全事故。

（2）选择经济、合理、可靠的超前预测预报方法，对施工地质条件作出及时、准确的判断，是最大程度地规避沙湾隧洞施工风险的最有效措施。根据沙湾隧洞地质特征，首先应在施工地质超前预测预报方法选择上采取确定围岩地质条件“四结合原则”，即地表和洞内相结合原则、长距离与短距离相结合原则、宏观控制与微观控制相结合原则，地质法-物探法-导洞法相结合原则。然后由掌子面出露的围岩条件筛选预测预报方法预测围岩类别，再制定相应的开挖支护施工方法及措施保证施工顺利进行。

3 软岩施工方案设计

由揭示的地质和钻孔情况，预测掌子面前方围岩类型，确定稳定性，然后根据其稳定类型选取不同的开挖、支护和控制变形的施工技术方法。

3.1 围岩基本稳定型（Ⅳ1类）

采用低密度0.5g/cm3、低猛度（根据现场实际情况调整）、高威力的光面爆破炸药，周边孔间距0.5m，辅助周边孔间距0.6m，楔形掏槽，非电毫秒塑料导爆管引爆，全断面开挖，循环进尺3m，Ф25L=4～5m的随机锚杆随掌子面跟进，Ф22L=3m@1.5m系统锚杆和C20喷混凝土支护迟后于开挖面控制在25～30m之间，支护和开挖同步施工，既可以加快施工进度，又可以控制围岩变形，确保施工安全。

3.2 围岩稳定性差型（Ⅳ2类）

薄层至中厚层泥、钙、碳质板岩互层结构，岩层产状与洞轴线交角较小，受水的作用局部软化，手可掰成碎片，整体稳定型差。针对其特点采用的施工工艺流程：全断面开挖——C25钢纤维混凝土封闭掌子面——格栅安装——超前支护、锁脚锚杆施工——喷C20混凝土。采用新奥法施工，周边孔间距0.4m，周边孔采取Ф22乳化炸药隔孔不连续装药。

线装药密度控制在50g/m，单方耗药量为0.6kg/m3，为了减小围岩变形，则首先用钢钎维混凝土封闭整个掌子面，然后在顶拱轮廓线外25cm处120°范围内打两排5m超前锚杆超前加固，超前锚杆相互搭接长度2m，第一排超前锚杆仰角依据岩层倾角一般控制在15°～25°之间，锚杆外露部分与格栅钢架焊接，薄层状围岩通过此排锚杆形成整体，为减少软岩超挖量第二排超前锚杆穿过紧邻掌子面格栅断面打入岩体，仰角在5°以内，通过两排锚杆串连而成的薄壁梁结构增加其围岩抵抗变形能力，加大开挖单循环进尺，循环进尺在2.5～3m之间。格栅钢架网喷C20混凝土紧随掌子面，参数见表2。在有水地段进行喷射作业时，采取下列措施：改变混凝土配合比，增加水泥用量，先喷干混合料，待其与涌水融合后，再逐渐加水喷射。喷射时，先从远离出水点处开始，再逐渐向涌水点逼近，将散水集中，安设导管，将水引出，再向导管逼近喷射。当涌水严重时，设置排水孔，边排水边喷射。喷射作业分段、分片由下而上顺序进行，每段长度根据围岩情况控制在1～4m，喷射后4h方能进行爆破作业。

表2 整体短期稳定型施工参数

3.3 围岩不稳定型（Ⅴ类）

该类型围岩自稳时间极短或爆破后即将产生塌方。影响围岩稳定的主要因素有岩性、地质构造、地下水等，应根据具体情况采取不同施工方法。

3.3.1 地下水处理施工方法

一段128m长的洞段和另一段70m长的洞段以线流、面渗和集中涌水的形式出现，涌水处流量达114m3/h，水温37℃，如此大的渗流量薄层泥质板岩、钙质板岩、千枚岩软化成泥土，岩体各项力学指标急剧下降，无法保证围岩稳定，施工人员难以进入工作面，地下水问题成了开挖成功的关键，由于采取灌浆堵水的方法，对于软岩是行之无效的，所以开挖前在断面水量集中处用风钻将φ50花管打入岩体，花管长度4m出水口与橡胶软管相接引排至排水沟，远离工作面。

3.3.2 断层及其破碎带施工方法

由于围岩为软岩，开挖顶拱和掌子面存在面状或线状渗水，因此开挖后的顶拱极易坍塌，防止坍塌应对策略：①自掌子面沿轮廓线向前方岩体内打入ф50@20mL=6m的超前小导管，支护好的钢支撑、打入小钢管和前方岩体形成的支撑体系临时共同承受顶部土体压力，在临时支撑体系的保护下浅孔小炮或用风镐、挖掘机开挖，单循环进尺0.5～0.8m；②在开挖出的轮廓面上立即喷射厚度为5～10cm的钢纤维混凝土封闭岩面，以提高喷层的抗拉和抗剪能力，及时控制围岩变形；③支立型钢打锁脚锚杆，模喷混凝土封闭顶拱。

3.3.3 地下水发育并挤压揉皱发育段的施工方法

采用超前勘探、管棚、锚杆、分层分部开挖、型钢喷混凝土的综合支护等方法。

1）掌子面坍塌问题分析及控制

因掌子面地下水较大，呈面状、股状渗流，极薄层泥质、钙质、碳质板岩、千枚岩软化成糜磷状，再加上前方土体为超前小导管的受力支点，因此掌子面在水的作用和顶拱土体压力的共同作用下极易发生坍塌，只要前方掌子面滑动乃至坍塌过多，则超前小导管前方支点失去作用，这样小导管和顶拱土体随同掌子面坍塌，造成大塌方，所以掌子面坍塌的控制是关键。在遇到富水的软岩开挖中，为了避免掌子面发生滑塌，采用分层分部开挖法，先进行上部开挖，每次开挖长度控制在5m左右，再开挖两侧，中间留核心土控制前方土体变形，若掌子面出现流土则用岩性较好的洞渣换填核心土反压，最后施工中间部分核心土。分层分部开挖法见图1。

图1 分层分部开挖法示意图

2）初期支护

（1）开挖后立即喷射C20钢纤维混凝土封闭岩面，周边岩面厚度5cm，掌子面厚度10cm，防止围岩卸荷后遇空气急剧风化，控制围岩整体变形。

（2）型钢紧贴岩面支护，型钢规格I20b工字钢，型钢中对中间距可根据实际情况调整为50～80cm，拱脚、拱肩共设置8根定位锚杆辅以Φ25L＝4.0m随机锚杆进行固定支撑。上台阶支护型钢时，型钢底脚处铺设钢板以增大受力面积，钢板厚度1cm，宽度40cm，纵向铺设，型钢之间采取角钢或Φ25钢筋三角连接，确保型钢整体受力。型钢接腿前需在接腿的下台阶次榀型钢渣体上打入Φ50小导管，以阻挡前方渣体溜渣引起坍塌，由于软岩各项力学指标极低，为了防止支护结构受顶部土压力作用发生整体沉降变形，采取型钢底部纵向连接I20型钢并浇筑断面为40cm×30cmC20钢筋混凝土地梁，型钢外侧铺设Φ6.5@20cm×20cm网格钢筋，C20喷射混凝土与型钢面喷齐平。初期支护工艺见图2。

图2 初期支护工艺图

4 施工期安全监测

施工期间采用了信息化监测手段来保证隧洞施工安全，隧洞监测主要对围岩进行变形观测，监测仪器主要采用TR702全站仪和数字水准仪等。量测断面纵向间距设置：Ⅳ1类围岩150m，Ⅳ2类围岩50m，Ⅴ类围岩10m，坍塌体始终位置均布置，施工过程监测项目见表3，隧洞周边位移和顶拱沉降见表4。

表3 施工监测项目一览表

表4 隧洞周边位移和顶拱沉降值

5 结语及体会

在地下水丰富的软岩洞段采取小管棚超前支护时应拟用台阶开挖法以降低开挖高度，减小围岩压力；爆破后随即初喷5cm～10cm的C20钢纤维混凝土封闭周边及掌子面可减小围岩的松动圈。

在不稳定围岩施工中，采取小管棚超前支护时，拟用两排小导管，第一排小导管施作梁效应，第二排施作灌浆加固作用，只要间排距控制在30～40cm之间，前后管棚搭接长度大于1.5m，均能通过不良地质段；采用小管棚施工工艺，避免大管棚施工工艺的高成本投入，可取得良好的综合性价比。

变形是软岩隧洞的特性，尤其是地下水丰富的千枚岩、泥质板岩支护段变形量更大，因此开挖施工断面应适当放大5～10cm，否则变形后侵占结构断面较多，影响支护质量。

软岩施工中应特别注意返拱变形，隧洞底部变形易使刚性或柔性的边顶拱初期支护产生贯通裂缝，甚至脱离岩面失去支护作用，为了避免产生严重的安全隐患，可采用以下两种方法：（1）沿着刚性或柔性的环向支撑打系统锚杆和锁脚锚杆，（2）在刚性或柔性支撑底部挖槽浇筑纵梁混凝土或对撑混凝土梁。