特大型洞室过浅埋段的开挖与支护

彭伟平，李海清，尹 伟，张 洋

（1.中铁五局 （集团）第五工程有限公司，湖南 郴州 423000；2.中国水利水电建设工程咨询中南公司泸定监理中心，四川 泸定 626100；3.四川华电泸定水电有限公司，四川 泸定 626100）

泸定水电站2号泄洪洞洞长1 432 m，进口闸室底板高程1 315.00 m，洞身断面为城门洞型，开挖断面尺寸为16 m×23 m （宽×高），出口底板高程1 296.00 m。

浑水沟段桩号为K0+680～K0+715，水平埋深70～200 m，垂直埋深6～40 m。浑水沟常年过水。过沟段覆盖层厚6.69 m。洞室上覆岩体最小厚度约6 m，岩石破碎，岩体节理裂隙较发育，钻孔RQD≤20%；压水试验透水率为3～10 Lu，局部裂隙密集带部分透水性较强；围岩以Ⅳ～Ⅴ类为主，属稳定性差～极不稳定围岩。

根据地质勘探资料及现场地表勘查情况，决定对浑水沟段分3段采取不同开挖与处理措施。①K0+690～K0+710段。该段属浅埋段，地表覆盖层及岩层厚度介于13.1～55m之间，施工时先对地表进行固结灌浆处理，再进行洞室开挖。开挖前根据地质情况采用超前小导管及超前锚杆支护。洞室开挖采用 “先中导洞再扩挖”施工法。②K0+670～K0+690和K0+710～K0+715段。这两段顶拱部位埋深较大，施工中采用全断面开挖。

1 地表处理

1.1 地表水引排

浑水沟上游常年有水，在2号泄洪洞过浑水沟段，K0+695桩号洞轴线方向原地面右侧顶部为一陡坎，水从其流出延伸到下游。为防止水渗入洞身范围，影响地表固结灌浆处理效果，保证浑水沟段施工时洞内施工安全，在地面进行了固结灌浆，同时对该段浑水沟内水流进行了有效引排。

在陡坎部位采用C15片石混凝土挡水进行封闭，混凝土顶部厚0.8 m，高1 m，两侧与坎壁连接（坎壁在施工前其表面必须清理干净，并凿毛与混凝土紧密连接），混凝土中间埋入两排φ100 mmPVC塑料管，长度沿水流方向伸出开挖洞轴线以外5 m。保证水流顺利排出浑水段地表范围。

1.2 地表预固结灌浆

根据浑水沟段地形条件，布置固结灌浆孔67个，间排距1.5 m×1.5 m，呈梅花形分布。靠山脚两侧基本采用斜孔，其余为竖直孔，同时在伸入洞身后间距过大的孔位中间加密布孔，以使灌浆后在洞顶位置形成一个稳定的固结圈。孔深入2号泄洪洞相应洞身起拱线部位，最大钻孔深度22 m，钻孔顶角0°～20°。

1.2.1 施工方法

灌浆施工采用自上而下分段灌浆施工方法，最多可分为四段灌注。其中钻入2～3 m后开始镶嵌孔口管，第一段钻入深度3～7 m，灌浆压力0.4 MPa；第二段钻入深度7～12 m，灌浆压力0.6 MPa；第三段钻入深度12～18 m，灌浆压力0.8 MPa；第四段钻入深度18～22 m，灌浆压力1.0 MPa。

1.2.1.1 钻 孔

采用仪器和人工相结合测放孔位、安装钻机，孔位偏差应小于10 cm。

首先钻灌先导孔，再Ⅰ序孔，然后Ⅱ序孔，最后是施工检查孔。钻孔采用引孔导入法，先采用φ90 mm钻头钻引导孔，装入φ90 mm孔口管并进行镶嵌、堵孔后，改用φ76 mm钻头继续钻孔，直至第一段设计钻孔深度，进行灌浆施工。第一段灌浆施工完成后，重新钻孔至第二段设计钻孔深度，进行灌浆施工。如此循环，直至完成。

钻孔完成后进行钻孔冲洗，采用敞开式水冲法，要求孔内岩屑残留厚度不大于20 cm。冲洗压力为灌浆压力的80%，可结合灌前简易压水进行。

压水试验检查孔数为灌浆孔总数的5%，试验压力为灌浆设计压力的80%，压水时间20 min。

1.2.1.2 灌 浆

（1）灌浆采用自动灌浆记录仪记录。

（2）固结灌浆采用 “自上而下分段灌浆，小孔径钻进，栓塞阻塞，孔内循环”的工艺。

（3）严格按分序加密的原则进行。施工顺序为导孔→I序→Ⅱ序→检查孔。

（4）灌浆采用R32.5普通硅酸盐水泥，水灰比采用 3∶1、 2∶1、 1∶1、 0.8∶1、 0.5∶1 等 5 级， 按 DL/T 5148—2001《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》要求逐级变换。开灌水灰比采用3∶1。

（5）灌浆应尽快达到设计压力，禁止低压灌浆、高压结束。

（6）灌浆浆液变换。①灌浆过程中，灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率不变而压力持续升高时，不改变浆液水灰比；②当某一级浆液的注入量达300 L以上或灌注时间超过1 h，灌浆压力或注入率均无改变或改变不显著时，可改浓一级水灰比的浆液进行灌注；③当注入率大于30 L/min时，视具体情况越级变浓水灰比；④浆液水灰比改小后，如灌浆压力突增或灌浆注入率突减到原注入率的1/2以下时，立即回稀到原级水灰比进行灌注，并查明原因。

（7）灌浆结束标准。设计压力下，当注入率不大于1 L/min，继续灌注40 min，即可结束该段灌浆。

（8）封孔。全孔灌浆结束后，经监理工程师验收合格，采用压力灌浆封孔法封孔。封孔灌浆水灰比为0.5∶1，封孔压力为该孔最大灌浆压力。

1.3 特殊情况处理

（1）回浆变浓。灌浆过程中，每隔15～30 min测记一次浆液浓度。当回浆变浓时，更换相同水灰比的新浆进行灌注；若回浆仍继续变浓，应停止灌浆，立即改用稀一级水灰比浆液重新扫孔灌注。

（2）串浆。①若被串浆孔正在钻进且串浆量不大，可继续钻进，否则应立即停止钻进，封闭串浆孔，待灌浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后继续钻进施工。②若与待灌孔串浆且串浆量不大时，可于灌浆的同时在被串孔内通入水流，使水泥浆不致在孔内沉淀而堵塞钻孔内的岩石裂隙；串浆量较大时，如条件具备可同时灌浆，如不具备，则封闭被串孔，待灌浆孔灌结束之后，立即打开被串孔进行扫孔，冲洗后尽快灌浆。③若两个孔同时灌浆且两孔段使用的灌浆压力又不相同时出现串浆，若无法结束灌浆，应封闭使用较低灌浆压力的浅孔，待深孔灌浆结束后再灌浅孔。

（3）大耗浆量孔段 （大于500 kg/m）。在灌注水灰比为0.5∶1浓浆的前提条件下，采取以下措施：①降低灌浆压力、限流、限量、间歇灌浆；②在浆液中掺加速凝剂；③掺入粉细砂，掺砂量不大于水泥质量的200%。

（4）孔段返浆。此类孔段在灌浆结束时应适当延长屏浆时间，或先采用纯压灌浆结束后闭浆待凝，然后扫孔灌浆直至达到结束标准。

（5）孔内返砂。①先用水灰比为0.5∶1浓水泥浆液冲孔，以将孔内的砂子冲出孔外，再安装孔口高压阀门进行正常灌浆，使用大过流面积的高压阀门及回浆管路；②在回浆管口装过滤网，通过过滤网后再进入灌浆搅拌桶。

2 洞内处理

2.1 超前支护

2.1.1 超前小导管施工

（1）施工程序。在开挖前，先喷射混凝土将开挖面封闭，然后沿设计开挖轮廓周边向前方围岩内打入带孔小导管，并通过小导管向围岩内注浆。

（2）施工方法。现场采用φ42 mm钢管制作长6 m的小导管，钢管前端做成尖锥形，前段管壁上每隔15 cm交错钻眼，眼孔直径8 mm。喷射混凝土封闭岩面后，采用φ50 mm钻头钻孔。将小钢管以10°～15°外倾角打入孔内，钢管环向间距30 cm。用注浆机压注水泥浆。多排管注浆时为避免串浆，每钻完1孔及时注浆，注浆与钻孔同步进行。注浆顺序由下而上，由里向外。

（3）施工工艺。①小导管注浆量Q=πR2Lη。其中，R为浆液扩散半径；L为小导管长度；η为岩体孔隙率。②超前小导管保持3 m的搭接长度。③注浆采用纯水泥浆，必要时加入适当的速凝剂。④注浆参数，水泥浆水灰比为1∶1。⑤注浆压力，初压0.5～1.0 MPa，终压2.0 MPa。⑥注浆前先进行现场试验，注浆参数通过现场试验按实际情况确定。当每孔注浆量达到了设计注浆量时可以结束注浆。

（4）注浆异常现象处理。①发生串浆时，采用多台泵同时注浆或堵塞串浆隔孔注浆。②当出现压力突然升高，可能发生了堵管，应停机检查。③注浆进浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短胶凝时间，进行小量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的胶凝时间，才能避免产生注浆不饱满。

2.1.2 超前锚杆支护

开挖前，沿拱部开挖轮廓线以外10～15 cm环状布置孔位，孔间距50 cm，设置φ28 mm、长9 m的超前锚杆，锚杆沿隧洞轮廓线径向以10°～15°夹角施工。

超前锚杆按照 “先注浆后插锚杆”的方法施工。风钻造孔，钻完孔后，以高压风清孔。先注浆，待注浆管全部拔出之后，立即采用人工 （必要时辅以大锤）将锚杆迅速插入孔底。锚杆尾部按设计要求留出外露长度，并用干性砂浆将孔口封堵好。注浆后的锚杆，在砂浆凝固后72 h内不得有敲击、碰撞和拉拔等任何方式的扰动。

2.2 洞身开挖

2.2.1 开挖方案

（1） 在开挖 K0+670～K0+690、 K0+710～K0+715段时，采用全断面施工。开挖前视地质条件，先进行超前锚杆施工，然后进行开挖，开挖循环进尺控制在1.5 m以内。每开挖一循环就支护一循环，支护采用钢支撑、挂网喷混凝土、锚杆等相结合的支护方式，钢支撑间距控制在0.5 m左右，根据围岩实际地质情况稍作调整。

（2）K0+690～K0+710段，采用中导坑开挖。开挖后及时对开挖面初喷5 cm钢纤维混凝土，以确保施工安全。在开挖至K0+690桩号时，先在顶拱部位进行超前小导管支护 （视地质情况或采用超前锚杆施工），小导坑每进尺2～3 m后，停止小导坑掘进，进行小导坑段扩挖处理，并及时对扩挖面进行型钢 （18号工字钢）支撑、锚杆及挂网喷混凝土支护，随后再在顶拱部位进行超前小导管支护，待凝后进行小导坑开挖，依此循环类推，直至小导坑贯通 （根据小导坑开挖后暴露的地质情况，开挖方案可另做调整，但总体以施工安全为主）。

2.2.2 洞身开挖施工

（1）中导洞开挖。中导洞断面为 4 m×4.5 m（宽×高），采用 “短进尺、弱爆破、勤支护”的施工方法，每循环进尺控制在2 m左右。开挖之后，初步进行危石清理，立即初喷5 cm厚钢纤维混凝土封闭岩面，然后进行扩挖施工，再进行上层断面钢支撑喷锚支护。

（2）扩挖施工。①扩挖前进行超前小导管及超前锚杆支护。扩挖断面按立型钢支撑断面尺寸开挖，扩挖前沿开挖轮廓周边向前方围岩内进行超前小导管注浆及超前锚杆加固。超前小导管及超前锚杆支护每6 m进尺进行一次。②扩挖施工。仍采用 “短进尺、弱爆破、勤支护”的施工方法，扩挖每循环进尺控制在1.5 m以内。每循环开挖后立即初喷5 cm混凝土封闭岩面，然后进行型钢 （18号工字钢）支撑、锚杆及挂网复喷混凝土支护工作，以确保施工安全。以上支护工作完成后再进入下一循环开挖支护工作。

2.3 洞身钢支撑支护

钢支撑分节制作，每节型钢由连接钢板用螺栓连接，然后焊接牢固。支护施工示意见图1。

图1 支护施工示意

K0+670～K0+715段上层开挖后及时安装钢支撑，间距50 cm/榀。每榀钢支撑设φ25、长6 m的锁拱锚杆，锚杆间距0.8 m，与钢支撑焊接在一起；钢支撑之间采用φ28纵向连接钢筋连接形成整体。同时，为保证中下层开挖的施工安全，钢支撑底部布设φ28、长9 m的锁脚锚杆，每榀4根，两侧各两根。钢支撑纵向间距误差范围应在±100 mm内。

钢支撑安装后，钢支撑之间采用钢筋网制成挡网，以防止岩石掉块。钢筋网挡网，采用焊接或其他方式与钢支撑牢固连接。喷射混凝土时应先喷钢支撑处，然后喷钢支撑之间的混凝土，直至喷够设计厚度，将钢支撑完全覆盖2 cm以上。

3 结语

在K0+690～K0+710段开挖中，先对地表进行固结灌浆处理，处理完成后再进行洞室开挖。开挖前根据地质情况采用超前小导管及超前锚杆支护，洞室开挖采用先中导洞施工法，中导洞完成后，进行扩挖及型钢支撑、锚杆、喷钢纤维混凝土 （或喷混凝土挂网）等联合支护。在K0+670～K0+690、K0+710～K0+715段，采用全断面开挖，开挖前视地质条件，先进行超前锚杆支护，然后进行开挖，开挖循环进尺控制在1.5 m之内，支护采用钢支撑、挂网喷混凝土、锚杆等相结合的形式。通过采取上述施工工艺，对加快工程进度、保证施工质量和安全起到了良好的作用。

［1］ DL/T 5148—2001 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.

［2］ DL/T 5181—2003 水电水利工程锚喷支护施工规范［S］.