浅谈岩溶区域洞室泥槽段开挖支护施工

(中国水利水电第四工程局有限公司西南分局，成都，610091)

岩溶区域泥槽段洞室开挖、支护施工难度大，泥槽沉积物塌陷危害大且不可预见，安全风险高，解决岩溶区域泥槽段洞室开挖、支护施工安全，保证施工进度是岩溶区域泥槽段洞室开挖、支护施工的关键问题。

1 工程概况

三岔河水库左岸灌浆平洞工程，左岸防渗帷幕全长约1231.104m，左岸共设计3条灌浆平洞，其中坝左0+069.72m～坝左0+108.274m、坝左0+608.338m～坝左0+816.144m为明挖段，其余均为洞身段，其中坝左0+816.144m～坝左1+231.104m为左岸3#灌浆平洞，洞长414.96m。洞室围岩以Ⅲ类为主，少部分IV类围岩。平洞衬砌段开挖断面尺寸为3.1m×4.1m(宽×高)，无衬砌段开挖断面尺寸为2.5m×3.8m(宽×高)，衬砌断面为2.5m×3.5m(宽×高)，断面形式为城门洞型，顶拱为标准半圆形。

2 水库岩溶地质情况

本工程水库左岸发育有低邻谷，有下坝支沟、平山冲沟和鱼梁河，低谷河床高程较水库正常蓄水位低120m～300m。在库区左岸水落洞槽谷，受水落洞断层(F4)影响，水落洞槽谷岩溶发育，地表岩溶洼地、落水洞呈串珠状发育，其发育方向与F4大体一致。库区处于龙岗向斜的北端，小谷光断层(F1)、尖坡断层(F2)和长麻窝断层(F3)从库区下游通过，水落洞断层(F4)从库区水落洞槽谷通过。库区岩层总体为单斜构造，岩层倾上游偏右岸。对本工程防渗影响较大的为F4断层。水落洞断层(F4)发育于库区左岸水落洞槽谷，该断层为平移断层，地层断距2m～6m，接触面多闭合。

根据库区岩溶水文地质调查资料分析，工程区域内以碳酸盐白云岩为主，区内岩溶发育程度除了受岩性控制外，受断层构造控制亦较明显。据现场地质调查，区内岩溶发育形态多种多样，特别是左岸水落洞范围内岩溶较为发育。库区岩溶形态主要表现为溶沟、溶洞、落水洞和一系列大小不一的岩溶洼地及漏斗。根据岩溶发育的区域和成因进行分类统计，落水洞3个、洼地46个，对应分布面积约22km2，面岩溶率约2个/km2～3个/km2。

3 泥槽段支护工艺原理

在岩溶地区洞室开挖施工，由于岩溶发育形态多种多样，在开挖洞室之前，岩体处于应力平衡的初始应力状态，洞室开挖后洞壁周边失去原有岩体的约束，围岩向内变形，围岩的变形与破坏因岩性、岩体结构和初始应力状态不同而异。洞室开挖后破坏了洞室四周原有的应力平衡状态，使洞室四周一定范围内的岩体中应力重新分布，当岩溶槽内的泥石沉积物打破四周岩石应力平衡时，泥夹石沉积物瞬间冲出，造成人员及设备伤害。

岩溶区域洞室泥槽段开挖支护施工工法利用超前导管(钢花管)对泥槽段土层内部进行注浆固结，灌浆的压力为0.3MPa～0.5MPa，可提高泥槽段浅层土层应力。待强度达到施工要求后，再采用“超前锚固钢筋+钢筋网片+钢拱架”组合支撑系统的方法进行，塌方段超前钢筋锚固间距按照20cm控制，且超前锚固钢筋的一端与已加固完成后的钢拱架连接，在垂直洞轴线方向采用φ25mm钢筋连接形成整体受力网片，钢筋网片制安后及时采用钢拱架进行支撑加固，支撑加固完成后采用C20混凝土喷护封闭，从而形成一个稳定可靠的围护结构，避免土体下滑坍塌，形成安全施工空间。泥槽段洞室开挖施工过程中采用人工配合机械开挖，开挖采用短进尺、强支护形式向洞内掘进，在掘进0.5m后及时进行钢拱架支护，如遇大孤石采用钻孔、小药量解爆。以此循环开挖施工，直至泥槽段施工完成。此工法充分利用工地现有施工材料，施工速度快，操作简单，安全性高，确保了岩溶区域泥槽段洞室开挖过程中的施工安全，控制泥槽段每次开挖进尺长度，支护系统跟进施工，及时封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系。安全顺利地完成泥槽段洞室开挖支护施工。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程

岩溶区域洞室泥槽段开挖支护施工工艺流程：施工准备→测量放样→掌子面C25混凝土喷护封闭→灌浆孔钻孔→超前导孔泥槽浅层灌浆→循环钻孔、灌浆→钢拱架制安→超前锚固钢筋制安→钢拱架制安→锚杆制安→钢筋网片制安→锚喷支护→下一循环，直至施工至完整岩面(如图1)。

图1 岩溶区域洞室泥槽段开挖支护施工工艺流程

4.2 操作要点

4.2.1 泥槽浅层灌浆施工

岩溶地区洞室开挖时遇到的泥槽，多为前期流动水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行化学溶蚀作用造成，泥槽中存在较多泥夹石沉积物，可灌性较差，为确保支护时顶部起到整体支撑作用，应先采用超前导管对泥槽外部浅层进行灌浆固结，提高粘结强度。在灌浆前应先进行掌子面喷护封闭，后沿洞穹顶120°范围内的洞轮廓线造孔安装超前导管，导管入岩部分采用全断面花管形式布置，导管灌浆采用分序造孔灌注的方式进行，灌浆采用纯压式灌注，灌浆压力为0.3MPa～0.5MPa。

(1)掌子面封闭：灌浆平洞泥槽顶拱塌方段采用C20喷混凝土对掌子面、洞壁四周进行封闭，喷混凝土厚度为20cm。

(2)造孔：采用YT-28手风钻在塌方段顶拱土石渣层进行造孔，孔径不小于40mm，孔深为3m～6m，孔间距20cm～30cm，造孔完成后安装5～10根长3m～6m导管(φ32mm钢花管)。

(3)灌浆：导管灌浆需在喷护混凝土达到70%设计强度后进行灌浆，灌浆前采用压缩空气进行冲洗，冲净孔内岩粉、杂质。灌浆采用P.C32.5复合硅酸盐水泥，灌浆压力为0.3MPa～0.5MPa，灌浆采用纯压式灌浆，分两序进行，灌浆顺序自较低端开始向较高端推进灌浆。低处灌浆时，高处孔可用于排气、排水。当高处孔排出浓浆后，可将低处灌浆孔口关闭，依此类推，直至结束。浆液的水灰比为 1、0.5两级，一序孔可直接灌注 0.5级浆液，灌浆停止吸浆，延续灌注 10min 即可结束。

4.2.2 组合支撑系统施工

(1)在未进入泥槽段前，首先立设3～5榀Ⅰ22mm工字钢钢拱架支护，钢拱架净间距为50cm，横向连接筋间距为50cm，每榀采用7组φ25mm，L=2.5m的锚杆加固。

(2)在已支护好的钢拱架上开孔，手风钻通过造好的孔进行超前锚固钢筋制安，超前锚固钢筋采用φ25mm、L=6m的钢筋，一端穿过已加固好的钢拱架，另一端锚固在泥槽中，采用钢筋将超前锚固钢筋与钢拱架加固牢靠，开始掌子面渣体清运。渣体清运采用小型反铲或装载机，拉运时应减少对周围岩体的扰动，当进尺50cm时，立即进行钢拱架制安，钢拱架顶部将超前锚固钢筋支撑牢固，在垂直洞轴线方向采用φ25mm钢筋与锚杆连接形成整体受力网。泥槽段范围内钢拱架支撑间距为30cm，连接钢筋间距为30cm，当泥槽段开挖至原超前锚固钢筋长度4m时，再利用支撑钢拱架造孔，继续制安超前锚固钢筋，依次循环直至泥槽段开挖支护完成。

4.2.3 喷锚、支护

灌浆平洞泥槽塌方段外侧2m左右岩面钢拱架支护完成后，采用C20喷锚混凝土进行及时喷护封闭，喷护厚度12cm。

灌浆平洞泥槽塌方段开挖按照0.5m～1.0m分段进行，每段开挖组合支撑系统制安加固完成后及时进行C25混凝土(厚20cm)喷护封闭，喷护前预留排水孔，以此循环支护，直至塌方洞段施工完成。

4.2.4 泥槽塌方段开挖

泥槽段施工时，多为泥夹石渣体，施工时采用人工配合小型机械开挖，开挖采用短进尺、强支护形式向洞内掘进，在掘进0.5m～1.0m后及时进行钢拱架支护，如遇大孤石采用钻孔、小药量解爆，以此循环开挖施工，直至塌方段施工完成。

5 质量控制

5.1 测量质量控制

(1)所有测量设备必须检验合格才能使用，控制测量采用全站仪做导线控制网，施工测量采用全站仪进行。测量作业由富有经验的专业人员进行测量放线、复测。

(2)开挖断面测量误差不大于10cm，相对于中线的误差不大于±5cm，断面间距为5m，对起伏较大、变径或转弯段适当增加测绘断面。

5.2 泥槽段开挖、支护质量控制

(1)泥槽段洞室开挖，必须严格按照设计图纸断面进行，断面不得欠挖，严禁未支护野蛮开挖，须遵循短进尺，循环支护的方式。

(2)超前锚固钢筋制安后，立即与钢拱架连接加固，迅速制安钢筋网片，成为一个受力整体。

(3)钢拱架锁脚锚杆注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔。

(4)超前锚固钢筋施工时，必须严密注意地质变化，及时调整钻进深度。

(5)喷射混凝土作业应分段分片依次进行，喷射顺序自下而上，素混凝土一次喷射厚度应现场试验确定，并报监理人批准；分层喷射时，后一层应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再行喷射，应先用风水清洗喷层面。

(6)泥槽段开挖终止后，钢拱架支护还需继续制安至少2m范围。

(7)施工时，必须按隐蔽工程要求做好相关记录，在质检人员和技术负责人验收复核后方可进入下道工序施工。

(8)加强施工过程控制，严格按照已批准的施工方案、方法、工艺技术参数和指标进行严密的监督控制。

6 安全措施

岩溶区域泥槽段洞室开挖施工以人工配合机械挖掘为主，因此施工安全问题尤为重要。除应严格遵照隧道或地下工程相关技术安全规范与规程外，还应重点加强以下几点安全工作：

(1)实行班前安全教育制度，做到“安全第一，预防为主”；

(2)严格按照安全技术操作规程进行操作，由技术部门负责人按工序进行技术交底，合理组织劳动力，明确分工；

(3)作业地段必须保证足够的照明。各种电气设备和输电线路有专人进行检查、维修、调整等工作。所有的动力线和设置都保持在最佳的绝缘和安全状态；

(4)应根据地质条件，采取可靠的施工方法和技术措施保持洞壁的稳定；

(5)开挖工作平台应加固稳定，做好安全支护施工，防止在施工中顶拱及洞壁滑动垮塌；

(6)挖出的土渣或石料及时运离洞内，不得堆放在灌浆平洞内；

(7)施工现场的一切电气作业必须由持证电工操作，所有电器设备必须有可靠的漏电保护装置；

(8)现场设专职安全员，在施工前和施工中进行认真检查，发现问题及时处理；

(9)加强爆破作业人员的技术培训和安全教育，爆破员持证上岗；

(10)做好地质超前预报，在钻孔过程时，密切关注钻进异常情况，如出现异常掉钻、卡钻、进尺突然加快等情况，及时上报。

7 结语

针对岩溶地区泥槽段安全风险大，处理时段较长的特点，本处理方法在三岔河水库工程左岸岩溶区域灌浆平洞泥槽段洞室开挖的成功应用，为本工程的设计和施工提供了非常有价值的指导，保证了施工作业人员的安全，节约了工程成本，为实现安全施工、环境保护、控制工程成本、保证项目的按期完成起到了重要的作用，取得了较好的社会效益。可为类似地质条件的工程提供参考和经验，在其它类似工程中予以借鉴和推广应用，这具有较大的应用价值和社会效益。