新疆某砂砾技石术隧方洞案的开挖支护

张明义

（新疆水利水电科学研究院 乌鲁木齐830049）

刘 章

（葛洲坝新疆工程局 乌鲁木齐830049）

肖青春

（新疆水利水电科学研究院 乌鲁木齐830049）

1 工程概况

新疆北部某砂砾石隧洞工程位于北疆某输水干渠上，干渠设计输水流量74m3/s，加大输水流量85m3/s，属大（1）型Ⅰ等工程。隧洞全长1780m，是干渠的咽喉工程，为无压明流隧洞。

该隧洞穿越第四系中更新统砂砾石地层，洞轴线走向SW36.85°，隧洞洞身段围岩结构松散，砂砾石层内有厚0.5～3.0m的砂层透镜体分布，沿洞线方向的分布长度为350～950m。洞身段埋深50～68m，地下水位低于隧洞底板。砂砾石干密度为1.9～2.0g/cm3，纵波速度为1000～1200m/s，弹性抗力系数为 100～200N/cm3，砾石含量为80%，一般粒径为20～200mm，最大粒径为300mm，磨圆度中等，砾石成分为花岗岩、凝灰角砾石，胶结差。隧洞整体属V类围岩，成洞条件差，施工中易塌方，洞室一经开挖，边顶拱砂砾石随即塌落，在砂层透镜体分布地段，塌落更严重。

隧洞按新奥法原理设计，采用复合衬砌，开挖断面为7.6m×7.6m的城门洞形，混凝土成型断面为6.2m×6.2m的马蹄形，以钢筋格栅、连接筋、钢筋网喷射混凝土作为一次支护，喷护厚度20cm，紧跟模筑50cm厚的现浇C25混凝土作为二次衬砌。

2 开挖支护技术方案

2.1 隧洞锁口处理

洞脸锁口处理是隧洞工程顺利进行洞身段施工的基本前提，该隧洞出口段为第四系砂砾石，非常松散，而且漂（砾）石较多，粒径较大，超前锚杆、超前管棚或灌浆施工均无法实施，进洞难度很大。为确保隧洞能顺利进行洞挖施工，结合实际地质情况，确定了如下施工方案：

a.洞脸边坡按1∶1.5开挖完成后，先快速将洞脸进行挂网喷护处理（采用φ8钢筋，间距×排距为15cm×15cm）C25混凝土喷8cm厚，洞室两侧砌筑重力式浆砌石挡墙进行洞脸边坡加固。

b.在洞底起坡处1m以外的位置，先立一榀导向钢拱架，钢拱架伸入建基面以下50cm，并浇筑30cm宽C25条状混凝土，然后从导向钢拱架开始向洞口方向每0.5m依次立一榀钢拱架，每两榀钢拱架支立完成后，立即进行联系筋焊接（φ22，环向间距 1m）和挂网（φ8，15cm×15cm）施工，并对钢拱架后有砂砾石部位采用喷C25混凝土厚20cm进行加固处理，该工序直至进洞第一榀钢拱架安装完成为止。

c.在钢拱架架设、联系筋安装、挂网全部完成后，将洞脸挂网φ8钢筋与钢拱架网片可靠焊接，在钢拱架(两侧临空的)外侧覆盖黑塑料布，在内侧喷C25混凝土直至20cm厚，并与已喷混凝土及周围边坡连接成一个整体，为安全进洞打好基础。

d.洞口的开挖和支护，严格遵照“短进尺，强支护，快封闭，勤测量”的施工原则进行。开始进洞后施工顺序为先顶拱后边墙，为保证隧洞锁口安全，减少渐变段施工所需时间，进洞后30m范围内锁口均采用每40cm设一榀钢拱架，钢拱架之间环向每1m设一根φ22联系筋，挂网（φ8，15cm×15cm）喷 20cm 厚 C25混凝土进行锁口，强行进洞。

2.2 洞室开挖与支护

由于砂砾石结构松散、不胶结，地质条件复杂，洞室一经开挖周边围岩松动变形快、早期压力大，如果施工方法和辅助施工措施不当，易造成边顶拱坍塌和支护严重变形。

一般在Ⅳ类和Ⅴ类围岩中，当洞径超过5.5m时，从安全的角度出发，必须实行分部开挖，每一循环开挖后应立即支护，防止围岩变形过大而造成塌方事故。实行分部开挖的目的是限制开挖后围岩与一次支护的变形速率，防止全断面开挖时围岩和一次支护变形过大而失稳，是保护围岩稳定的重要措施。该隧洞开挖时通过对常规工序与现场地质条件的充分研究，基于新奥法（NATM）施工原理，调整开挖顺序，创新开挖工序，制定新的施工规则，提出了T型开挖法，在保证施工安全的前提下，优化作业循环，提高快掘进速度。

a.洞室开挖。洞室开挖采用两台阶分步平行开挖法进行施工，施工顺序见下图。先开挖上导洞，上导洞部分Ⅰ区人工用风镐、铁锹开挖至设计线，小挖掘机（0.2m3）配合出碴。当Ⅰ区开挖完成后立即进行钢筋拱架、网片和连系筋的安装，并喷护C25混凝土至一衬设计线。然后用小挖掘机（0.2m3）开挖上部台阶的核心土台（Ⅱ区，长3m左右）和下部台阶首端断面的Ⅲ区。同步错开进行下部台阶首端断面边墙部位Ⅳ区和Ⅴ区的开挖，即采用小挖掘机直接开挖装碴，3～5辆5t自卸车进行运输，同时人工用十字镐、风镐配合挖掘机修至设计面，开挖完成后立即进行钢筋拱架、网片和联系筋的安装，并喷护C25混凝土至一衬设计线。洞室开挖每循环进尺一般以控制在0.5～1.2m为宜。为尽量避免施工干扰，并有效减小核心土台的高度，确保施工安全，上下台阶应相错15～20m为宜。并将台阶开挖成斜坡，以减小核心土台的高度。此方法的改进，不仅提高了施工进度，同时确保了施工安全。

洞室开挖分区、顺序图

b.钢拱架安装、挂网。安装顶拱钢筋拱架过程中应确保拱架位置在设计断面上，各项偏差在规范的允许范围内，拱架安装、调整好后将φ8钢筋网（15cm×15cm）紧贴开挖面，用钢拱架顶住并牢固地焊接在拱架上，每两榀拱架支立完成后，环向每1m立即焊接一根联系钢筋（φ22），以增强格栅拱架的整体支护强度，之后跟进喷护混凝土和开挖核心土台、边墙部位，再安装边墙拱架、网片、联系筋。

钢拱架支撑由主筋（φ25螺纹钢）、附筋（φ12、φ8圆钢）组成△形，底部宽度为18cm，高度为16cm。每榀钢拱架由四段组成，每段钢拱架的端部设一块钢脚板（δ=1cm），钢拱架与钢板用U形和L形φ20螺纹钢筋可靠焊接，相临两块钢板采用3根φ20螺栓连接，每榀拱架之间用φ22螺纹钢筋连接。钢拱架固定采用两侧起拱处分别增设2根L50×5角钢（长度60cm，向上仰角15°）深入砂砾石中，并浇筑条形C25混凝土固定，角钢要与钢拱架焊接牢固。为确保拱脚牢固，防止围岩侧压力造成钢拱架变形破坏，增设了格栅拱架混凝土基座，尺寸为0.5m×0.5m×0.5m，浇筑C25混凝土，确保了格栅拱架的钢度和强度。

2.3 喷射混凝土

待钢拱架、网片安装完成经过验收后，进行顶拱或边墙的喷护，喷射作业先从拱脚或墙脚向上堆喷，以防止上部喷射回弹料虚掩拱脚（墙脚）使混凝土不密实，造成失稳。喷射时先将凹洼部分找平，然后喷射凸出部分，并使其平顺连接。喷射操作应沿水平方向以螺旋形划圈移动，并使喷头尽量与受喷面保持垂直，喷嘴口与受喷面距离以0.6～1.0m为宜。喷射混凝土表面应大面平整并湿润、光泽。

喷射混凝土用水泥选用普通硅酸盐水泥，强度不低于32.5MPa，砂石料采用坚硬耐久且磨圆度较好的天然砂和豆料石，细度模数为2.5～3.0，豆料石最大粒径为15mm。为降低洞内粉尘，选用“湿喷法”喷射混凝土，将砂、豆料石和水泥按配合比拌和，在喷射处加水喷射，速凝剂在喷射时加入喷射机上料口。控制好喷射水灰比在0.4～0.5之间，要注意岩面起伏情况，一次喷射厚度为5～7cm，后一次喷射应在前一层终凝后进行，以保证喷层厚度，提高层面均匀性，减少回弹率。喷射时风压要均匀。喷射过程中，如发现混凝土表面有松散下坠、滑移或拉裂，应及时清除，重新喷射。

2.4 塌方处理方案

洞挖中在松散的砂砾石段发生塌方现象时，立即暂停隧洞洞挖施工，采用喷混凝土的办法将已形成的空腔段封闭，同时封闭掌子面。喷混凝土前预留灌浆管，向顶部空腔内灌注水泥净浆。灌浆分时段进行，一次灌浆厚度不得大于25cm，以防止顶部荷载过大，影响支护安全。灌浆分多次进行，直至顶拱灌浆厚度达到二衬厚度（即50cm）以上。灌浆过程中对各检查孔随时进行检查，同时加强钢拱架变形观测。处理完成后，采用短进尺、强支护的原则继续进行施工，结合实际情况调整钢格栅榀距。再次开挖时，采用钢丝网对塌落部位立即进行封闭，封闭端部采用φ25钢筋制成三角架支撑，完成后用C25混凝土喷护8cm厚进行防护。防护完成后，再按常规施工方法进行钢拱架φ8钢筋网片和连接筋安装及喷护施工，直至喷护达到设计厚度即0.2m，必要时对空腔再进行灌浆处理。上述处理完成后，即可安全顺利地穿越塌方段。在隧洞施工过程中，多次采用该方法处理塌方段和隧洞顶部托空问题，确保了隧洞施工安全和工程质量。

当遇到松散的砂层透镜体及流砂时，先将制作好的条状钢板（厚 2～3mm）超前打入待开挖顶拱区域（120°～150°范围），施工人员再进行顶拱开挖、格栅拱架安装、喷混凝土。采用缩小格栅拱架榀距(适用榀距0.2～0.5m)、喷射混凝土封闭掌子面方法，进行回填灌浆加固。开挖后，在钢板下部挂网喷护C25混凝土20cm厚，预留灌浆孔进行灌浆。应注意控制灌浆压力。灌浆厚度顶部为50cm，分几次间歇向顶部空腔灌注，待二衬混凝土完成后，对其余空腔部位采用回填灌浆灌注密实。

2.5 贯通施工

贯通施工是隧洞施工的一个重要环节，主要目的是确保贯通安全和贯通施工精度。在松散的砂砾石隧洞施工中，贯通安全尤其重要。

在隧洞剩余30m和15m洞挖时，再次校正隧洞轴线和四等高程点，并进行贯通测量，确保贯通精度；在隧洞洞挖进尺剩余2倍洞径，（15m左右）时，停止一端掌子面开挖，并喷混凝土5cm厚封闭该处掌子面，另一端掘进；考虑应力集中对隧洞的影响，将钢拱架逐渐递增加密；开挖时尽量少扰动或基本不扰动围岩，保持围岩的固有承载力；在距掌子面1倍洞径（7.5m）时，采取人工开挖的形式进行开挖。在上半拱贯通后，测定隧洞贯通精度，同时两端交错进行拱脚开挖支护，直至全断面贯通。施工时，必须加强变形观测，以确保安全。

3 结语

该工程洞挖历时15个月，采用进出口两个工作面施工，月进尺120m，比合同工期提前一个半月胜利贯通，单元工程合格率100%、优良率89.6%，分部工程全被评为优良，获得了质量、进度、安全奖励。施工中严格遵循“短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则，加强施工质量控制，确保了工程质量与工程进度，为今后类似工程施工积累了宝贵经验。