不良地质浅埋暗挖取水隧道施工技术浅析

陈戴文 靳 旭

（海南核电有限公司 海南昌江）

一、工程概况

1.工程地质概况

CB2隧道是海南昌江核电厂1#、2#机组循环水和重要厂用水取水工程。两条取水隧道闸门井以内至PX泵房部分长度分别为：CB2-1#（西侧隧道）隧道长1645.185 m，CB2-2#（东侧隧道）隧道长1652.843 m，属于中长隧道，其中Ⅲ类围岩1096 m（33.2%）、Ⅳ类围岩558 m（16.9%）、Ⅴ类围岩1622 m（49.9%）；根据不同围岩类别隧道衬砌断面尺寸分别为 6 m、6.42 m、6.76 m、7.32 m，开挖面积30～50 m2不等，二衬设计内径为5 m。隧洞中心线纵坡由南向北逐渐降低，CB2隧洞纵坡从PX泵房（中心标高-7 m）至取水闸门井段(中心标高-14.5 m)坡度约为0.45%，设计为倒坡。

取水隧洞工程地质分段中靠近海域及海域部分，尤其是海域部分的B、C段（养虾塘范围）中顶板较薄地段，顶板以上强风化岩体厚度 8 m，全风化岩体 4 m，残积层、砂砾层约 6.4 m，渗水量大，成洞条件差。根据隧道开挖暴露情况，隧道中心以下基本属于中风化岩体，中心以上左侧强风化岩体，整体结构较完整，中心贯穿一条构造带，岩体较破碎，渗水量大。隧道中心标高-14.5 m，地面标高逐渐降低，隧道施工至K0+885 m进入虾塘区域，隧洞顶部覆盖层总体厚度 9～20 m，属于浅埋暗挖隧道。

2.隧道与虾塘位置关系

隧道进入养虾塘，虾塘由几十个规模大小相似的养虾池组成，总长约460 m，人工抽取海水用作海产养殖，池底有简单隔水措施。进入虾塘后，养虾池底部地面高程约6.35 m，两隧道从养虾池底部穿过。

根据地勘资料显示，隧道施工至虾塘底部K1+027 m（勘点：QP53）后进入V类围岩段，隧道顶部分布围岩中逐渐出现珊瑚礁混砂层，混砂层下部分布强风化花岗岩或闪长岩，一直贯通至海边，由于海岸一带均为海积砂层和珊瑚礁混砂层，透水性较好，易造成塌方、海水倒灌等事故。

3.CB2取水隧道所采用的施工方法

本隧道进口段围岩主要为Ⅲ类围岩，围岩稳定性较好，与地质勘察报告基本相符，故采用全断面爆破开挖方案进行施工，施工较为顺利。但施工至K0+600 m左右时，地质勘查报告与实际开挖所揭露的岩体情况相差很大，大部分为Ⅳ、Ⅴ类围岩，加上施工承包商未采取超前地质预报及超前探孔措施，对隧道开挖前方的地质情况并未真正掌握，只是认为该工程隧道洞径小，安全风险比较小，片面的考虑施工进度的因素，故对各类围岩均采用全断面的开挖方式进行掘进。由此而导致在掘进过程中发生了不同程度的塌方、片帮等安全事故。

二、隧道开挖施工方法及适用条件

1.全断面法

全断面法，即按隧道设计断面轮廓一次开挖成形的施工方法。适用于Ⅰ～Ⅲ类围岩自稳性较好的石质隧道，可采用深孔爆破施工。其优点是有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，干扰少，采用深孔爆破时，可加快掘进速度，且爆破队围岩震动次数较少，有利于围岩稳定。缺点是要求施工单位有较强的开挖、出渣和运输及支护能力，采用深孔爆破时，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。

2.台阶法

台阶法是将设计断面分成上、下断面先上后下分次开挖成形的施工方法。比较适于Ⅳ、Ⅴ类自稳性差、成洞条件差的围岩隧洞中，同时台阶长度不宜超过隧道开挖宽度的1.5倍。

3.单侧壁导坑法

单侧壁导坑法，即一条侧壁导坑超前，另一侧断面跟进施工。特点是每个开挖断面跨度小，断面受力合理，使隧道开挖更安全、可靠。但工序复杂，不利于机械化作业，施工速度较慢。比较适于围岩差、隧道跨度大、地表沉降难于控制等地段。

4.双侧壁导坑法

双侧壁导坑法是先开挖隧道两侧的导坑，并进行初期支护，再分部开挖剩余部分。比较适于隧道形状近似于椭圆形断面，同时导坑跨度宜为整个隧道跨度的1/3，适用于地铁隧道施工。

5.预留核心土环形开挖法

预留核心土环形开挖法是先开挖上部环形导坑，并进行支护、再分部开挖中部核心土、两侧边墙的施工方法。适用于围岩地质条件差，自稳性时间短，开挖前应按设计要求进行超前支护，同时核心土面积应不小于整个断面面积的50%。

三、隧道V类围岩全断面法施工出现的问题

1.浅埋软弱V类围岩段施工出现问题分析

CB2取水隧道浅埋软弱V类围岩段最初施工中，采取超前小导管注浆支护加固拱顶后，按全断面法施工，该施工工艺起到了稳定掌子面，加固拱部地层的作用，但因隧道位于珊瑚礁混砂层，混砂层下部分布强风化花岗岩或闪长岩，且混砂层松软、松散、含水，地基承载力低，不能形成有效地基承载结构而出现隧道拱顶下沉、围岩收敛量超出设计预留量，地表出现不同塌方、塌腔现象。从超前支护结构看，隧道掌子面拱顶出现不规则掉块现象，超前支护小导管基本随塌体塌落、压弯。这说明拱顶的垂直压力通过拱顶超前支护整体下沉进行释放，且临空面大，同时隧道拱顶土体松软无法提供足够水平摩擦力，导致拱顶出现不同（程度）塌方、塌腔现象。

2.隧道前期发生事件统计

自2011年6月至2012年3月发生塌方、片帮及掉块事件统计情况，详见表1。从该统计表中可见2012年2月份以后CB2隧道发生掉块及片帮等事件的频率突然升高，现场施工难度增大。经分析，认为其主要原因是围岩突变为V类围岩岩体破碎程度严重、掌子面渗水严重、围岩自稳性差。

四、隧道V类围岩预留核心土环形开挖施工方法的提出

1.预留核心土环形开挖法及其研究现状

实践证明，在隧道施工中，预留核心土法是增强掌子面稳定的一种有效的辅助施工方法，现已广泛应用于铁路、公路等隧道建设中。优点是①核心土支挡掌子面，提高了掌子面稳定性；②拱部初期支护及时，施工安全性较好；③施工难度小，工序简单；④不需要临时支撑，作业空间能满足机械化要求，施工较快。缺陷是①对隧道断面下半部围岩条件有一定要求，有时需在拱脚和墙脚围岩进行注浆加固或增设锁脚锚杆；②需有强支护、辅助施工、监控量测、合理布距等相应的保证措施。

对于预留核心土环形开挖法，迄今已在众多隧道中取得成功应用，包括彭水隧道、河源洞隧道、磨子潭I#隧道、鹅岭隧道等。该工法常用在力学性质差的围岩段，核心土长度多为2～4 m，一次环形进尺一般为0.5～1 m，常采用挖掘机、人工辅助及弱爆破开挖。例如，在IV类围岩和V类较好围岩段，常用超前锚杆或超前小导管；在V级较差围岩段，常用套拱。

表1 CB2隧道发生塌方、片帮及掉块等事件统计

2.与全断面开挖法对比分析

在浅埋隧道的受力共同点是：①拱顶部分的锚杆、超前小导管与钢支撑在不同的施工阶段受力都很大；②完工后受压较大的拱底所承受的围岩应力最大，而且拱底往往都是应力集中的地方；③锚杆、超前小导管与钢支撑的受力在施工中间阶段往往是两侧受力稍大，而完工后则拱底最大。不同点是：锚杆、超前小导管所受轴力、钢拱架所受轴力和弯矩以全断面法施工最大，预留核心土环形施工法最小。

综上所述，可以看出相比全断面法，预留核心土环形开挖法有利于控制隧道拱顶沉降，同时提高了隧道稳定性。结合预留核心土环形开挖法的施工特点和力学性能，并充分考虑到该隧道的地质条件、特点，以及安全性和工期要求等，最终决定采用预留核心土环形开挖法作为Ⅴ类围岩的施工方法。

3.预留核心土环形施工法施工工艺简易描述

（1）留核心土环形开挖法施工步骤。①拱部安设超前小导管或超前锚杆，然后预注浆；②开挖上台阶Ⅰ，施作拱部初期支护，打锁脚锚杆；③开挖下台阶Ⅱ，Ⅰ部与Ⅱ部开挖间距保持2～5 m，最后施作边墙、仰拱初期支护封闭成环。

（2）V类围岩拱顶小导管加强技术措施。V类围岩采用预留核心土环形施工法法施工时，对于正常V类围岩施工段，超前小导管纵向排距为2 m一循环，小导管长度为4.5 m，搭接长度2.5 m，环向间距为0.25～0.35 m，一环25根，约127°范围。对于风化严重的V类围岩，超前小导管纵向排距加强到1.5 m一循环，小导管搭接长度增加到3 m，其他参数不变。

V类围岩在进行支护施工时，上台阶高度以拱架能够安设高度为宜（尽量设置在起拱线位置），因施工环境受限，为兼顾施工进度，上下台阶距离可根据现场实际情况进行调整，但必须确保上台阶掌子面与下台阶掌子面距离在1 m左右。上台阶开挖采用人工配合机械开挖，掘进0.5～1 cm后，及时进行钢拱架、网片、喷砼封闭工作，缩短掌子面与已支护段距离，减少开挖临空面。

针对V类围岩风化严重岩性软弱，尤其是虾塘区域范围，岩体破碎程度严重，洞内掌子面渗水严重，围岩自稳性差，所以在施工过程中，把确保围岩稳定、杜绝坍塌放在首位，一般采用机械辅助爆破开挖，严格控制装单洞单段装药量，并不断修正爆破参数。及时有效地做好初期支护工作，严禁盲目掘进。施工原则是弱爆破、强支护、短进尺、多循环和勤量测。

五、施工安全技术措施

（1）及时对已开挖裸露的围岩进行喷射砼封闭，在提高围岩强度的同时，隔绝水和空气与岩层的接触，使裂隙填充物不至于软化、解体，失去围岩的自稳性。

（2）提前预测开挖面前方的地质情况，包括围岩的整体性以及断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响，地下水情况等，以便及时了解预开挖的围岩情况，并及时调整爆破参数及开挖支护方式。

（3）加强对隧道围岩的监控量测工作，根据监控量测的数据，对围岩的变形趋势做出准确地分析判断，据此指导现场施工。

（4）结合现场实际围岩情况，加大超前支护强度，增加超前小导管的搭接长度及加密施打间距，及时对临空面进行支护封闭，形成有效的拱形防护，确保施工安全。

（5）加强洞内防排水工作，给隧道创造良好的施工环境，加快施工循环作业，减少围岩暴露时间。

（6）加强现场安全监督工作，开挖与支护施工过程中加强安全监督等管理工作，发现围岩有异常时立即采取相应措施，及时撤离施工人员。

（7）顶部出现异常塌方时，在超导上层铺设钢筋网片并喷射砼，形成临时拱顶壳体，对施工人员形成安全的保护层。

（8）在塌方严重地段，立即启动应急预案，采用异型轻型拱架，及时对围岩进行顶撑，形成支护层对施工人员进行防护。

CB2隧道自开工截止到全面贯通，历经2年多时间，因受地质条件等因素影响，施工中存在片帮、掉块、冒顶等安全风险，通过从安全管理、安全技术等多方面采取措施，化解了这些安全风险，施工过程中不但安全、质量得到可控，也确保了CB2取水隧道开挖和安全贯通。

六、结束语

本隧道工程在确保安全的前提下保质保量的如期完工，说明针对V类围岩风化严重岩性软弱，尤其是虾塘区域范围调整施工方法及工艺是合理的，预留核心土环形施工法，不仅为超前支护提供了有利基础，还能超前探明地质情况。为安全施工创造了条件，也为类似的地下工程提供了重要的参考价值。