小断面两端开挖方式土洞贯通实施方案要点浅析

鲁西西,杨 帅,黄怡锋

（1.山西省小浪底引黄工程建设管理局，山西 太原 030002;2.山西小浪底引黄工程有限公司，山西 太原 030002）

0 引言

项目位于山西省小浪底引黄工程运城市闻喜县境内，建设内容是2#隧洞土洞段（52+966～59+590）及14#～17#支洞等永久及临时工程，2#隧洞设计纵坡1/3000，洞内水深2.97 m，断面尺寸为3.8 m×5 m（底宽×高度），城门洞形。此次研究实施贯通的是16#支洞控制主洞下游与17#支洞控制主洞上游段，区间桩号为56+299～56+328，29 m，根据运城市闻喜县地质水文条件,针对隧洞贯通问题进行分析。

1 工程概况

1.1 工程设计概况

该在建工程引水隧洞总长59.6 km，纵坡i=1/3000，断面为城门洞形，隧洞城门尺寸为3.8 m×5 m 高度设计，洞内设计水深2.97 m，其中52+966～59+590 为土洞段。

1.2 隧洞贯通两端施工现状

贯通前，16#主洞下游采取的超前大管棚及注浆施工方案设计。此次实施贯通的是16# 支洞，区间桩号为56+299～56+328，上中台阶施工至56+299，下台阶及底板混凝土垫层施工至56+283，控制主洞下游与17#支洞控制主洞上游段；17#主洞上游采取的超前水平高压旋喷桩及注浆，掌子面施工至56+328，底板混凝土垫层施工至掌子面，两工作面上台阶相距29 m，下台阶剩余45 m。

2 地质情况

17#主洞上游桩号56+328，开挖地质揭示隧洞拱部为粉细砂层，整体厚度约8 m～11 m，下方为富水含泥粉细砂层；施工过程中存在涌水、涌砂突泥等情况，施工中应采取短进尺、强支护措施，并采取地下水控制措施。

16#主洞下游桩号56+299，现场揭示地质为第四系中更新统洪积物（Q2pl)，掌子面为全断面粉细砂层，砂层颗粒松散，无自稳能力；开挖时易发生滑塌，底板附近有股状出水，下台阶及底板垫层开挖时易发生流砂现象，拱部侧墙易发生收敛及沉降变形。

3 实施方案

3.1 整体方案

根据当前的施工现状，本方案中剩余29 m 开挖洞段采用1 环超前水平高压旋喷桩及1 环超前大管棚进行贯通。即17#主洞上游掌子面56+328 施做超前水平高压旋喷桩及注浆，施做长度为20 m，开挖16 m；16#主洞下游掌子面56+299 上台阶及中台阶施做超前密排大管棚，施做长度为13 m，开挖9 m，旋喷桩与管棚搭接搭接里程为56+312～56+308，搭接长度为4 m，搭接洞段的开挖由16#主洞下游工作面完成，待隧洞上中台阶完成贯通后，对16#主洞下游未完下台阶进行开挖落底支护，见图1 贯通示意图。

图1 贯通示意图

3.2 17# 主洞上游56+328 超前水平旋喷及注浆施工方案

第一步，超前水平旋喷加固[1]。

在开挖轮廓线周边及掌子面施做超前水平旋喷桩，施工长度为20 m，开挖长度16 m，与16#主洞下游超前大管棚搭接4 m。

56+328 涌水粉细砂层段施工：周边水平旋喷桩，拱部布设一环，侧墙布设两环，底板布设一环，咬合旋喷桩沿开挖面周边拱部及侧墙部位布设并延伸至底板以下1 m 范围，周边旋喷桩拱部、侧墙及底板成环布设；为增加开挖面的整体稳定性，在掌子面布设稳定桩，水平旋喷开孔示意图见图2。为增强旋喷桩的抗剪力，待拱部外环180°范围内的旋喷桩凝固后，打入Φ76 管棚并对注浆（水泥- 水玻璃）止水[2]。水平旋喷深度10 m、15 m 断面图见图3。

图2 水平旋喷开孔示意图（尺寸单位：cm）

图3 水平旋喷深度10m、15m 断面图（尺寸单位：cm）

第二步，超前帷幕注浆。

开挖长度16 m，注浆长度20 m，对掌子面中下台阶注浆堵水加固；注浆孔注浆，注浆材料采用普通水泥- 水玻璃双液浆，普通水泥- 水玻璃双液浆配比：W∶C∶S=（0.8～1）∶1∶1。扩散半径1.0 m。超前注浆开孔、15 m 断面布孔图见图4。

图4 帷幕注浆布孔图（尺寸单位：cm）

3.3 16# 主洞下游56+299 超前大管棚及注浆施工方案

根据目前16#控制主洞下游方向掌子面水文地质情况，对56+299 掌子面前方地层进行超前大管棚及注浆支护，施做部位为开挖断面上台阶及中台阶。

3.3.1 大管棚施工工艺流程

3.3.2 管棚施工

采用地质钻机跟管钻进法施工。施工时采用一次性简易钢管作为钻头，泥浆作为钻进循环液，用φ108 管棚钢管作为钻杆，使用地质钻机将钢管打入砂层中，并在钻进过程中通过测量仪器随时控制钻进方位与角度，发现角度偏差及时进行纠偏，直至钻至设计长度13 m。然后进行封孔注浆，最终在隧道拱部形成一个砂层、水泥与钢管共同组成的环状承载圈，进而起到超前预支护的作用。

洞身拱部或侧墙粉细砂层分布范围，管棚施工长度为13 m，管棚与旋喷桩搭接长度为4 m。为与17#支洞控制主洞上游56+328 旋喷桩顺利搭接，经计算管棚外插角设为5.6°，方向与路线中线平行。

3.4 贯通段施工

待两侧掌子面超前支护结束后同时开挖，在三台阶开挖的基础上，预留核心土，再采用人工开挖，结合开挖围岩情况对开挖面进行5 cm 厚的C20 混凝土喷射支护[3]。

考虑到该洞段为软弱地层，在原设计支护参数的基础上进行加强，初期支护采用Ⅰ16 型钢钢架，钢架间距为50 cm；每榀钢架设置Φ25 锁脚锚杆，锚杆长3 m，每榀设置8 根。Φ8 双层钢筋网片，网格间距为15 cm×15 cm。采用Φ25 纵向连接筋对钢架进行连接，环向间距调整为0.5 m，喷射C20 混凝土，混凝土厚度为15 cm。

对地下水活动较严重的地段采用"排、堵、截、引"相结合的方法进行处理,岩塞留设长度根据岩体性质处理[4]。为防止围岩收敛变形，底板扩挖20 cm，底板采用Ⅰ16 钢支撑及时封闭成环，并浇筑C25 混凝土，浇筑厚度20 cm。

考虑到一次支护围岩变形，17#主洞上游56+328～56+312里程洞段钢架预留变形量10 cm，16# 主洞下游 56+299～56+312 里程洞段，考虑后期下台阶开挖落底施工可能发生的沉降收敛变形，钢架预留变形量20 cm；为保障开挖过程安全，上中台阶钢架设临时I16 钢横撑，间隔1 m，待下台阶钢架落底成环后再进行拆除。

旋喷桩与管棚搭接搭接里程为56+312～56+308，搭接长度为4 m，搭接洞段的开挖由16#主洞下游工作面完成，待隧洞上中台阶完成贯通后，再对16#主洞下游未完下台阶进行开挖落底支护。

3.5 现场贯通安全控制措施

（1）贯通前，现场统一协调指挥，使资源得到充分利用，生产各方合作协调、合理。

（2）加强安全教育与培训，提高现场施工人员的安全意识。

（3）施工过程中掌子面要有专人值班，并加强施工两侧的联络，严禁闲杂人员滞留在掌子面警戒区以内。

（4）超前支护的施工顺序为：同一部位先施做超前水平旋喷桩，后施做超前大管棚[5]。

（5）施工过程中密切注意掌子面动态，如有异常立即停止施工，撤离现场施工人员，并及时通知贯通领导小组。

（6）17#支洞控制主洞上游开挖至56+312 处时，严禁施工人员无故进入掌子面。

3.6 变形监测、方法及监测数据

采取洞内外现场观察、地表沉降、周边位移收敛、拱顶下沉监测等方法相结合进行隧洞施工期现场变形监测。

洞内观察：在每次开挖后进行。观察土体条件是否发生恶化，观察后及时绘制地质素描和记录。重点观察土体节理、裂隙走向及发育程度。对已施工地段的观察每天至少应进行一次，主要观察喷射砼、锚杆、钢架工作状态。

洞外观察：在洞口和洞身埋置深度较浅地段，包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。

变形监测断面按照分段控制的原则，沿隧洞中线每隔5m布设一个变形监测断面，每个断面设3 个点，分别为顶拱下沉点、周边收敛测点，见图5。

图5 监测断面布设示意图（尺寸单位：cm）

将量测数据进行记录，建立位移率u 和时间t 发展的时态函数，根据量测数据进行处理与回归分析，绘制纵横断面各测点的位移- 时间的关系曲线，见图6、图7。第27 天以后，周边收敛点位移量达到14.27 mm，拱顶沉降达92.02 mm，变形速度＜0.2 mm/d，各测试项目的位移速率明显收敛，围岩基本稳定，可进行混凝土衬砌的施作。

图6 收敛测点位移- 时间的关系曲线

图7 拱顶测点沉降量- 时间的关系曲线

4 结语

土洞段开挖过程中，遇到富水含泥粉细砂层不良地质，采取水平旋喷桩结合超前帷幕注浆施工，可以有效控制突泥涌砂发生；遇到粉细砂层段、且无出水的情况，采取大管棚结合小导管的超前支护，可有效控制塌方[6]。

小断面的土洞贯通，空间小，工艺复杂，要制定详细的施工方案，特别是施工顺序的安排、全过程安全保障措施的部分。为保障施工与结构的安全，贯通后及时进行变形监控量测，收集监测数据，指导施工管理。

2018 年12 月该段隧洞已按本方案进行实施，并顺利贯通，表明该贯通实施方案与措施切实可行。