缓倾斜岩层隧洞施工关键技术研究

杨 磊

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

水工隧洞工程，是在岩(土)体中修建隧洞,主要用于完成引水、泄水和导流等任务,目前我国已建成的各类水工隧洞总长超过1万km，在建总长超过3000km[1-5]。相对于其他露天开挖工程而言,缓倾斜岩层隧洞施工具有施工范围狭小、工序复杂、干扰因素多、施工条件差、投入成本高、安全风险高等特点,其施工方法取决于工程所在地的地质状况、断面设计、施工器械、工期要求和技术水平等[6-8]。作为水利工程建设的重要组成部分,隧洞工程的施工质量直接影响到水利工程的整体质量[9-12],因此,应根据实际情况合理选择施工技术和施工工艺,严把工程建设质量关,提高隧洞的安全性和稳定性,从而促进水利事业的健康可持续发展。

1 工程概况

香炉山隧洞洞线长63.43km，布置多条施工支洞进行施工，施工支洞主要解决香炉山隧洞不良地质处理、施工运输、通风、排水问题，并兼顾相应段地质勘探工作的需要，在运行期还作为检修通道或补气通道。

香炉山2号施工斜井进口位于白汉场坝子西侧对民房影响较小的吾都克沟边，洞底与主洞(香炉山隧洞，下同)交接处位于龙蟠—乔后断裂(F10)上游处，且与断层走向成较大夹角。2号施工斜井进口高程2372.00m，中心点坐标(X=2960240.0717，Y=498153.9101)；洞底高程2020.90m，中心点坐标(X=2961363.3404，Y=498507.5059)。2号施工斜井与主洞水平投影夹角36.77°，在距主洞45m处布置一条施工岔洞通向引水斜井下游，交主洞中心点坐标(X=2961315.7090，Y=498524.1791)。

1.1 水文气象条件

香炉山隧洞2号施工斜井所在冲沟为吾都克沟(洞口断面的各频率设计洪峰成果见表1，设计洪水位成果见表2)。

表1 2号施工斜井洞口段面设计洪水成果

表2 2号施工斜井洞口段面设计洪水位成果

香炉山隧洞地处低纬度、高海拔区，夏秋季湿度大，降水多而集中(香炉山隧洞2号施工斜井附近的气象站气象要素见表3)。

表3 香炉山隧洞2号施工斜井附近的气象站气象要素统计

1.2 地形地质条件

1.2.1 地形地貌

2号施工斜井布置在白汉场—九河线状断层槽谷西侧山体内，洞轴向为N17°E。白汉场槽谷南北长大于10km，东西宽200～700m，地面高程从北往南呈2430～2300m降低，斜井部位东侧槽谷地面高程一般2360～2340m；西侧山体高程一般2650～2800m，坡角一般20°左右，局部稍陡达30°；东侧山体高程一般3000m，最高3350m，坡角一般30°。斜井进口位于槽谷西侧吾都克沟沟口，其走向与槽谷成小锐角相交，沿线地面高程2350～2508m，高差约132m，地形坡角9°～34°，地形较连续。吾都克沟常年流水，由西向东流向白汉场大沟。

1.2.2 地层岩性

1.2.3 主要工程地质条件

2号施工斜井末端穿越龙蟠—乔后F10-1断裂带，存在工程抗震及抗剪断问题，据中国地震局地质研究所最新鉴定研究成果，断裂带100年位移设防水平向量值为1.90m，垂直向量值为0.33m，最大突发地震地表变形带宽度300～500m，需要进行工程抗剪断设计。

斜井进口边坡自然坡角一般34°～57°，为下陡上缓的横向坡，自然边坡现状稳定性较好，斜井施工如需开挖人工边坡，岩体破碎，存在人工边坡的稳定问题。斜井Ⅴ类围岩长255.5m，占比20.4%，Ⅳ类围岩长620m，占比49.4%，Ⅲ类围岩长380m，占比30.3%，Ⅳ、Ⅴ类围岩累计约占69.8%，洞室围岩特别是穿越断层破碎带的围岩稳定问题突出。

斜井末端存在沿断层破碎带的高外水压力与洞室涌水问题。斜井软岩大变形问题总体上不突出，但在桩号K1+050～1+227.52段穿越F10破裂岩、角砾岩时，会发生中等挤压变形，局部穿越F10-1主断带的碎粉岩时，叠加相对丰富的地下水影响，洞室围岩有产生较大变形的可能性。

2 缓倾岩层洞段施工破坏规律

缓倾斜岩层常呈软硬岩层相间的互层型式(其破会力学模型见图1)，破坏规律一般如下：隧洞开挖后，边墙部位围岩基本稳定，但拱部则不稳定，薄层状岩体的隧洞拱部90°～120°范围内易出现塌落现象；新暴露以薄层为主，伴随着岩体软化、剥落、掉块现象,致使拱顶围岩断裂失稳。

图1 缓倾斜岩层隧洞变形破坏力学模型

3 缓倾斜岩层隧洞施工关键技术

3.1 超前支护

首先判定岩性，然后超前支护。缓倾斜层结构爆破后易造成结构性超挖,拱部出现塌落现象，需要根据围岩情况局部或拱顶部位施作超前锚杆或小导管,有效控制超挖和坍塌。

3.2 重视初喷和初期支护

对于强度不太高、层厚不大、节理发育的岩层，由于爆破震动扰动后围岩结构受到破坏,易掉块,对施工安全威胁很大，必须安排专人找顶,消除威胁。重视初喷和初期支护，使缓倾斜层围岩地段收敛变形尽快趋于稳定。

3.3 锚杆施工

锚固及时,方向正确,保证长度,严格按设计施作到位。平层结构的特殊性,要求锚杆沿垂直围岩结构面的方向(施工困难时至少保持60°以上)打入,才能起到应有的作用,否则会更加破坏围岩的结构。由于存在多层结构,锚杆的锚固深度如果不够,提供的拉力则不足以抵抗岩石的自重和地层应力。因此,锚固深度必须满足要求。开挖后在围岩岀现塑形变形前及时施作锚杆,能很好地起到加固地层的作用,既充分利用围岩的自稳性能,又能保证施工安全。

4 软岩大变形施工技术

4.1 软岩段概况

隧洞段挤压变形总长约867m，占本段隧洞总长4.1%。其中极严重挤压变形洞段158m，占变形段长度18.2%，占本段隧洞总长0.75%；严重变形洞段124m，占变形段长度14.3%，占本段隧洞总长0.59%；中等挤压变形洞段129m，占变形段长度14.9%，占本段隧洞总长0.61%；轻微变形洞段456m，占变形段长度的52.6%，占本段隧洞总长2.15%，工程围岩变形主要原因为深埋和构造应力作用下软岩产生的大变形问题(见表4)。

表4 软岩大变形段落统计

4.2 断层破碎带及轻微挤压变形段施工方案

针对断层破碎带及轻微挤压变形段软岩变形的问题,采取“加固围岩、支护加强、变形留够、底部加强”的整治原则。具体为加强支护结构的刚度：软岩段根据现场地质情况及时调整支护参数，确保初期支护结构具有足够的刚度。建议Ⅴ类软岩段采用I20a钢架@50cm，锁脚锚杆采用L=5.0mΦ48×3.5注浆锚管。调整预留变形量。Ⅴ类软岩段预留变形20～25cm。

4.3 高地应力段软岩隧洞支护预案

系统锚杆施作让压锚杆，软岩大变形段系统锚杆采用让压锚杆，长度6m(间距和数量见图2)。

图2 让压锚杆结构示意图

为适应软岩变形支护特点，初期支护拟采用可限制支护阻力、控制围岩压力释放的“限阻器”结构(见图3、图4)。限阻器用于与隧洞初期支护的环向连接，其设计原则为：限阻器峰值须大于仰拱闭合前结构内力，并小于结构极限抗压强度，保证初期支护的施工期安全稳定与后期限阻变形。

5 施工进度保障措施

为确保工程尽快投入施工，确保施工进度满足工期要求，进场后及时进行地材调查、配比试验、人员进场、技术方案、施组的制定和优化等相关施工准备工作。做好技术准备，熟悉设计文件，领会设计意图，办理交接桩，做好复测和材料取样鉴定，编制好实施性施工组织设计，做好技术交底。

图3 软岩变形段支护“限阻器”设置示意图

图4 软岩支护“限阻器”设置工程案例照片

对各分项工程施工全过程进行进度监控管理，监控的原则为：目标明确，事先预控，措施有效，履行合同，并根据监控情况进行调整，制定进度风险管理措施及保证工期的经济措施(见表5、表6)。

表5 进度风险管理措施

表6 保证工期的经济措施

6 结 论

缓倾斜岩层隧道施工中需要充分了解缓倾斜岩体结构的具体破碎状况，同时，采取有效处理措施，防止在施工过程中出现安全隐患。同时，对隧洞岩溶地质处理技术的使用，可有效保证隧洞顶部区域贯穿岩溶隧道工程的整体施工效率和质量，从根本上提高整个隧洞工程的施工效率和稳定性。