新疆下坂地软岩隧洞的施工工艺

朱伟国

(黑龙江省水利四处工程有限责任公司，黑龙江牡丹江157000)

1 工程概况

新疆下坂地水利枢纽工程导流隧洞位于新疆喀什地区塔什库尔干县境内，全长1 350 m，为水利枢纽的咽喉工程，属一级建筑物。隧洞分进口渐变段、洞身段、出口消能段、出口渐变段，纵坡i=1/380，洞身断面尺寸:b×h=5.6×5.6 m，为马蹄形断面。洞身段衬砌厚40 cm，渐变段衬砌厚100 cm，均采用C25现浇钢筋混凝土衬砌。上下游沿渠道为八字形重力式挡土墙，出口设底流式消能设施。

下坂地导流隧洞地质条件为穿越第三系地层构成的V级侵蚀、剥蚀平台，平均埋深30～40 m，局部地段达60 m，下伏岩性为第三系乌伦古河组(E2～3W)灰白色含砂砾岩、砂质泥岩及泥岩，层理不明显，岩层产状316°SW＜4°～5°，产状不稳定。洞身处在新鲜或微风化岩内，岩性为含砂岩、夹砂质泥岩和泥岩，强度极低，属极软岩，岩体为层状，在59+930～60+300 m段洞室侧墙和底板以砂质泥岩和泥岩为主，洞顶主要为含砂砾岩，呈潮湿状态，岩石强度极低，围岩自稳能力差，属IV类围岩。

2 工程施工特点及施工方案的选择

下坂地导流洞工程由新疆工程局中标承建，该局于2006年8月正式破土动工开挖进口连接段，11月30日正式开始洞身掘进，于2009年10月完成洞身混凝土衬砌施工。本工程施工的主要特点有:工作面小、工序多、干扰性大、劳动条件差、施工组织复杂、地质条件成洞困难、易塌方、安全隐患大。这是该工程局首次在极软岩地质条件下进行的隧洞施工。在历时3 a多年度的施工过程中，连续2 a进行冬季施工。克服了高寒、多风沙地区艰苦的施工环境及多种困难，顺利完成了工程施工任务。经过反复调查研究，总结较成熟的施工经验，并经现场不断调整，按照新奥法施工原理，遵循“短进尺、强支护、快封闭、勤测量”的施工原则，逐渐形成如下施工方案:

洞挖施工采用分断面2次开挖，在施工准备(包括测量及资源布置)充分后，先开挖上半洞，进行一次支护后，再开挖下半洞。这样可以让顶拱的应力传递至下半洞未开挖的岩体上，有利于应力的重分布。

一次支护由原设计打锚杆、挂网支护的方法进行一次支护，改为采用锚杆固定钢格栅或槽钢拱架联合体支撑，挂网喷护。

二次支护由原施工方案用两套钢模台车进行洞衬砌施工，边顶拱一次衬砌，底拱滑模施工，改为采用钢支撑骨架，组合钢模板随浇筑高度插板式进行。

3 施工工艺及方法

3.1 隧洞掘进施工

开挖工艺为:

然后转入下一循环，开挖进尺控制在2 m/d，60 m/mo。按表1数据控制开挖进度。

表1 全断面开挖支护作业循环时间表

上半洞开挖:由熟练的风镐作业技工4人，严格按照施工放样断面作业，分区、分部位定人定位施工。因风镐作业受空间限制，挖掘土料由人工装车，三轮车运土至停在下半洞施工断面前的自卸车上，由自卸车运输出洞。开挖前在洞口布置9 m3空压机2台集中供风站，同时建好供水、供电设施及风水电线路，保证作业。

图1 上导洞开挖示意图

下半洞开挖:首先人工风镐开挖两边墙位置土料，开挖以能够安装边墙支承为宜，宽度1.0 m，开挖完成后，按设计进行径向锚杆施工，0.7～1.0 m间距垂直岩面布置，地质条件极软弱段，采用超前锚杆，与边墙拱架连成整体，安装完成后，日产SH－60反铲短臂挖掘机开挖剩余土方，直接装车由自卸车运输出洞。考虑高度因素，机械土方开挖分两次完成。见图示2。软弱地层固定支撑见图3。1.5×1m，根据洞内需要的宽度进行，网眼加工大小按松散岩层加工成100 mm×100 mm～200 mm×200 mm。

图2 下半洞两次开挖及支护示意图

图3 软弱地层固定钢支撑示意图

3.2 隧洞一次支护

本工程一次支护措施及时间是否及时，是保证隧洞安全及工期最关键最核心的环节。工程前期进口200 m采取锚杆挂网支护，由于多次塌方的影响，后期全部改为锚杆固定钢格栅或槽钢拱架联合体支撑，挂网喷护。若遇地质条件差，成洞困难的断面，根据地质条件用锚杆稳定钢拱架无法施工，在拱角处或下支架底部，向内掏槽浇筑混凝土，使钢拱架与洞壁连成一体，不发生变形。

3.2.1 钢格栅(或钢拱架)施工

1)选材:根据围岩地应力情况，本工程前期采用【12槽钢制作刚拱架，这种支护仍出现多次塌方，后改为φ20钢筋制作的10 cm×15 cm柱型桁架式钢格栅，加强一次支护。

2)加工:按照设计在加工厂加工成型、分件组装。

3)安装:钢拱架安装与挂网同时进行，拱架顶住网片，拱架间用φ22圆钢联系筋@70～100 cm环向布置，注意根据岩层情况，因自稳时间很短(一般在12 h内)循环的进尺要尽量短一些，不宜过长，在1～2 m。

4)拱圈间距根据岩层情况定，正常间距0.8～1.2 m，岩层自稳差，减少间距，即加密支撑拱圈。

3.2.2 挂网施工

1)洞挖开挖到循环进尺的长度后，立即修整好轮廓边线，进行挂网。

2)预先在加工厂焊接好φ6圆钢网片，规格为长×宽=

3)固定网片可用3个/m2的喷混凝土厚度钢筋桩焊牢，直接由钢拱架支承。

4)钢筋网要尽可能贴紧岩面，对于局部超挖或掉块，形成的凹坑，把网片增加一层，错开布置，增加强度。

3.2.3 喷混凝土

1)拌合:采用小型拌合机现场拌合。

2)喷射:搞好喷射前的供水、供风、钢筋网片、拱架、喷射机的检查，砂料及水泥的就位，喷射时先用风吹一下岩面，吹掉岩粉，先喷一层2 cm厚的水泥砂浆结合层，待砂浆初凝后，再喷混凝土，喷射距离一般为喷嘴距喷面在0.8～1.2 m，角度尽量垂直，厚度要逐渐加厚。

3)喷护混凝土受管路和喷面回弹的因素制约，骨料的粒径不宜过大，用5～10 mm的石子，砂子选用中、粗砂，细度模数≥2.5，配合比为水泥∶石子∶砂 =1∶2∶2，水灰比为0.45～0.5，砂中含泥量＜3%，石子非滚圆的成份＜20%，因太多的棱角对在管中的流动不利。

4 二次支护施工

下坂地导流洞为马蹄形断面，边顶拱衬砌混凝土厚40 cm，前期衬砌方案选择采用钢模台车，即边顶拱一次衬砌，每掘进60 m衬砌一个浇筑段，考虑到施工进度要求，采用钢模台车的衬砌只能从前、后洞进行，因立模时间长，台车移动、就位速度缓慢，不利于施工，不具有灵活性。改为先采用分段跳仓浇筑，采用φ22圆钢15 cm×20 cm的焊制的钢架@=75 cm的定型桁架，作为支撑骨架，组合钢模板随浇筑高度插板式进行。按设计结构缝长度分块分段浇筑。

4.1 浇筑工艺及措施

工艺流程为:

施工方法:人工清理基础，进行地质资料收集整理，基础验收;用全站仪、经纬仪、水准仪等进行测量放线检查，焊钢筋架立筋;用自卸车将加工场按设计要求制作好的钢筋运输到施工现场工作面，分类编号堆放，之后利用钢筋台车绑扎到位;架设定型桁架，校核到位，做好纵横支撑，清理仓位内的杂物;模板就位后测量校模、定位，提交测量资料进行仓位验收;检查砂骨料的贮备情况，生产用水、车辆情况等是否能满足混凝土开仓浇筑的条件;混凝土统一由洞外集中拌和站按设计配合比拌制，采用混凝土运输车运至洞内泵车。采用泵送方式入仓，进行人工平仓。边拱混凝土对称均匀下料，混凝土面均匀水平对称上升，仓内用插入式振捣器振捣密实，仓外辅以附着式振捣器振捣，顶拱混凝土采用退管法垂直封拱。混凝土浇筑结束(夏季1 d，冬季2 d)强度达到一定值后，经监理人批准后拆模。为加强养护效果，并避免洞内集水，采用喷养护剂养护，养护时间≥7 d。

4.2 进度及质量控制

为保证进度，混凝土作业队伍的作业时间严格按表2执行。

表2 洞身边顶拱混凝土浇筑作业循环时间

混凝土施工中质量控制是关键，要严格执行“三检”制度，按照水利水电施工规范操作，做好资料收集及记录，把好过程控制关。采取领导、质检、施工人员联合值班制度和交接班制度，不放过任何一个细微环节和疏忽，确保每仓混凝土达到优良标准。

5 大塌方处理

该隧洞施工过程中累计发生大小塌方几十次，中等塌方10余次，大塌方4次，其中桩号0+165处于2008年11月顶部出现直径为12 m的塌陷圆形坑冒顶，塌方达15余万m3，处理塌方明挖方量达35万m3。经地质方面采用多功能面波仪对隧洞塌方进行特探测试分析:自0+125～0+205桩号为80 m已全部形成塌方，局部地段洞顶上方有空洞存在。

造成此次塌方的主要原因是:该段富含地下水，围岩基本没有自稳能力，在此经常遇到小规模塌方，致使围岩稳定性日趋恶化，施工过程中由于经验不足，缺乏对极不良地质条件下的隧洞施工的正确认识，估计不足，同时采取的一次挂锚喷护支护措施无法确保围岩的稳定，全断开挖后，采用钢模台车进行的永久性混凝土衬砌没有能及时跟进而造成了此次大塌方。

针对此次塌方，选择了“管棚法”及“明挖”两种方案，经过认真的分析和研究比较，从工期、造价、安全等因素考虑，上报业主同意，决定并采用了明挖处理。总结多次塌方经验，在处理塌方时应注意:

1)首先突击加固处理未塌地段，防止塌方扩大。

2)组织人力、查明塌方性质、范围、塌方围岩的地质构造，塌方间歇规律和地下水活动情况。

3)为抢险工作提供比较安全的基地(场所)。

4)迅速定出抢险方案，积极组织人力、物力慎重处理。

5)加强安全检查，变形观测，防止发生意外事故。

6 结束语

因新疆“三山夹两盆”的地质构造原因，新疆地区软岩条件下的隧洞较为普遍。在下坂地隧洞的施工中，耗费了大量的人力、财力、物力，付出了艰苦的努力，赢得了阶段验收质量优良的评定。为疆内软岩条件下的隧洞设计、施工、质量评定探索出了一套较成熟的经验，为后期类似工程建设奠定了一定基础。本工程采用的新奥法原理施工，在理论联系实际的过程中，软岩隧洞施工采用新技术、新工艺，新设备还需不断的创新、丰富和发展。

[1]赵英鹏.软弱围岩地质条件下灌浆平洞成洞施工技术[J].西部探矿工程，2003.

[2]张之钰.全断面掘进机施工隧洞的围岩地质条件[J].山西水利科技，2008.

[3]程英.隧洞掘进中一次支护措施在各种不同围岩地质条件下的应用[J].甘肃水利水电技术，2009.