维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年第5期 探矿工程(岩土钻掘工程) 55 极破碎地质条件下的隧洞开挖施工技术 邱荣城 (云南地质工程勘察有限公司隧道工程分公司,云南晋宁650600) 摘要:着重介绍在景洪水电站左岸下游渣场排水洞开挖施工中,对于V类围岩洞段,针对不良地质条件下的隧洞 开挖施工技术难点,应用超前小管棚预注浆、格栅钢架(或型钢支撑)、顶拱挂网、系统锚杆、喷射混凝土等多种支护 措施,安全顺利地进行隧洞锁口和通过洞身段长达574 m的V类围岩洞段,其中还包含3条断层破碎带。 关键词:地质条件;锁口;开挖施工;小管棚;注浆;格栅;锚杆 中图分类号:TV554 文献标识码:B 文章编号:1627—7428(2006)05—0055一o4 Tunnel Excavation Tech.under Extremely Broken Geological Conditions/QIU Rong・eheng(Tunnel Engineering Branch of Yunnan Geotechnical Survey Co.Limited,Jinning Yunnan 650600,China) Abstract:The various measures,such as pre—casting through advanced installed pipe shed,grilie steel frame or profiled bar support.top arch net,system roekboh,and injecting concrete,were USed to deal with the technical dififcuhies under bad geological conditions during excavation of tunnel within V type surrounding rocks.The tunnel section of 574 m length was safely excavated through V type surrounding rocks.including 3 broken belts.The fore shaft was successfully made. Key words:geological conditions;fore shaft;excavation;small pipe shed;casting;grille;rockboh 1 概述 2施工技术措施 景洪水电站左岸下游渣场是为该电站主体施工 2.1 洞口锁口 中堆放废渣而设置的,是电站前期辅标项目,其中排 隧洞进口受Fb断层影响、出口受F1断层影响,次 水洞则用于引排该渣场上游河道的常年流水。排水 级构造发育,围岩风化剧烈,进洞口岩体呈散体、碎裂 洞全长797.78 m,断面形式为方圆形,设计开挖断 结构,围岩稳定性极差;出洞口岩体呈碎裂、薄层状结 面积为25.08 m ,二衬混凝土厚度0.5 m,衬砌后净 构,围岩稳定性差,为此,两边锁口采取了以下措施。 断面积为l6.83 m ,隧洞通过的岩层为二叠系下统 (1)由于岩层过于风化破碎,影响范围大,应尽 绢云母板岩、千枚岩、砘质岩夹岩屑砂岩及侏罗系中 量减少洞口边坡土石方明挖工作量,进出洞口均采 统和平组下段泥岩、粉砂质泥岩,围岩类别为水工 取提前锁口进洞方案。 Ⅲ、Ⅳ、V类3种,并要通过F6、F、F1三条断层破碎 (2)锁口前先进行洞脸加固,洞脸部位风化岩 带,其中稳定性最差的V类围岩洞段,其长度占全隧 面以C20混凝土喷护封闭,喷射厚度为10 am,并完 洞的72%,而且处于地下水位线以下,大部分洞段 善洞脸和洞口排水设施,待隧洞锁¨混凝土衬砌完 有渗水、涌水等地下水作用,工程地质条件很差,经 成后,再作洞脸浆砌石护面墙。 常出现掉块塌方,为能安全、顺利地完成该隧洞的施 (3)锁口段岩体采取小管棚预注浆加固,进洞 工,必须采用一套适合该工程地质条件的开挖、支护 口岩层过于风化破碎,顶拱布置双排小管棚,边墙为 措施,以克服不良地质条件下的隧洞开挖施工技术 单排小管棚;出洞口地质情况比进洞口稍好,边墙和 难题。经过实践探索,在破碎地层中应用了上、下台 顶拱布嚣单排小管棚。 阶分步开挖、顶拱小管棚预注浆、格栅钢架(断层破 小管棚规格为042.3 mm钢管,长度4.5 m/根, 碎带和挤压带采用型钢支撑)、顶拱挂网、喷射混凝 前端打尖,插入岩体4.2 m,并在前端2 m管段布没 土和系统锚杆、随机锚杆等多种支护措施相结合的 透浆孔,管棚布置间距0.3 m(中心距),顶拱双排管 施工方法,有效避免了极破碎地层常遇到的冒顶、坍 棚弧线距离为0.4 m,呈梅花形布置,采用风钻造 塌事故,安全、顺利地完成了这一施工项目。 孔,孔径为54 mm,每造好一孔,及时装进管棚,其插 入岩体深度必须满足要求。 收稿日期:2005—12—20 作者简介:邱荣城(1963一),男(汉族),广东人,云南地质工程勘察有限公司隧道工程分公司工程师,岩土工程专业,从事水利水电隧洞工程 施工技术工作,云南省晋宁县昆 ,(0871)7896889。 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 探矿工程(岩土钻掘工程) 2006年第5期 管棚预注浆:进VI顶拱先注内排,再注外排,每 砼封闭围岩。进洞后,根据地质情况适当调整格栅 排又分一序、二序分别灌注,水泥浆液水灰比为0.5 钢架安装间距,V类围岩取间距0.8—1.2 m,格栅 —1,早强剂掺量为3%~5%,注浆终压0.3—0.4 架之间以16—17根018 mm螺纹钢纵向连接,焊接 MPa,凝胶时间10~15 h。 牢固,并及时进行系统锚杆和喷射C25砼支护,喷 (4)采取强有力的初期支护措施,洞口段岩体 射厚度15 cm,根据地质情况布设随机锚杆,确保建 在小管棚预注浆加固的前提下,按上下台阶分步开 立安全的初期支护体系。 挖法,短浅开挖0.5 m后,及时安装第一榀格栅钢架 (5)锁口段进洞后,及时进行锁口砼衬砌。洞 支护,格栅钢架用锁脚锚杆加以固定,并喷射C25 口锁口支护体系见图1。 护向 C25 图1 洞口锁口支护结构图 其中格栅钢架横断面为15 cm×15 cm,主筋为4 注浆或超前锚杆对破碎地层进行预加固,其主要作 根 5 1,/l/n螺纹钢,加强筋为018 mm螺纹钢;锁脚锚 用是充分利用加固后的围岩自身承载能力,使得开 杆和随机锚杆采用 5 mm螺纹钢,长度3.0 133或 挖后能在围岩稳定期问内及时施作格栅和锚、网、喷 3.5 m,锚入深度为2.85 m或3.35 m;系统锚杆则根 等支护,形成强有力的初期支护体系。 据设计进行布置,规格为 5 nqlTl螺纹钢,长度3.5 2.2.1开挖、支护总体技术措施 m,锚入深度3.35 m,问、排距为1.5 m,呈梅花形布 开挖采取上、下台阶法分步进行,上台阶开挖后 置,上述各类锚杆全孔段均以M25水泥砂浆锚固。 总长为2.5—2.8 m,下台阶开挖后上台阶保留长度 2.2 洞身V类围岩洞段开挖与支护施工 《0.5 m,并保留1榀上半洞格栅支护。上台阶断面 对于V类围岩洞段和断层破碎带,整个施工过 高度2.05 m,主要以人工采用风镐进行开挖,地质 程遵循新奥法原则,采取“管超前、严注浆、短进尺、 情况好转时,则采用小药量松动爆破。具体开挖和 早封闭、强支护、勤量测”基本措施。采用小管棚预 支护措施见图2。 格栅钢架(或型钢立撵) 预注浆小管棚 喷射C25 挂钢筋网 格栅钢架 连接钢筋 _f磺注浆小管棚 格栅钢架 台阶开挖后。t:台 阶保留故度丰0.5m 连接钏筋 (1 8~l_2m L—l 图2 V类围岩台阶法开挖、支护结构图 维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年第5期 探矿工程(岩土钻掘工程) 57 顶拱部位根据地质情况采取超前小管棚预注浆 加固,上台阶每循环开挖长度为2 m以内,开挖后立 即喷砼3~5 cm,然后进行顶拱挂网,施作上半榀格 栅钢架和锁脚锚杆,再第二次喷砼,如遇地下水,则 先打孔,再插PVC管引排。 下台阶采用小药量松动爆破,周边辅以人工风 镐修整,每循环开挖长度控制在2 m以内,采用zL 一5O型装载机装渣,为提高装载效率,进洞约200 m 处设置一个回车洞(回车洞设于地质条件比较好的 洞段),以3.5 m 自卸汽车配合运输。下台阶开挖 后,先初喷封闭,然后安装下半榀格栅钢架、锁脚锚 杆和喷射C25砼。 系统锚杆滞后于下台阶工作面l~2 m,根据地 质情况,每开挖2~3个循环,按设计进行造孑L安装。 布置系统锚杆后,两侧墙和顶拱最后再喷射一次混 凝土,使喷射厚度达到设计要求的15 cm。施工中, 根据具体地质情况布设随机锚杆。 隧洞形成格栅钢架(或型钢支撑)、锁脚锚杆、 顶拱挂网、系统锚杆和喷射混凝土初期支护体系后, 便进行围岩变形量测,量测项目主要为边墙收敛和 顶拱下沉,以掌握初期支护后洞室围岩变形动态,提 供有关数据,修改支护参数,并为二衬施作提供依 据。 2.2.2分项支护工序 2.2.2.1顶拱小管棚预注浆 对于围岩极松散破碎洞段,顶拱采取小管棚预 注浆加固,小管棚规格为阱2.3 mm钢管,钢管壁厚 3.25 mm,长度6 m/根,前端打尖,插入岩体5.7 m, 并在前端4 m管段布设透浆孔,透浆孔孔径为8 mm,布置密度为:沿管棚每30 cm布设1个断面,每 断面按圆周均布3孔,呈梅花形布置。管棚布置问 距0.3~0.35 m(中心距),顶拱每排管棚数量为18 —2l根,管棚布置位置比顶拱开挖轮廓线高3~5 cm,采用风钻造孔, 50 mm三刃钎头开孔,为防止 破碎岩层引起塌孔影响安装,每钻好一孔,就及时装 进管棚,其插入岩体深度必须满足要求,管棚倾角以 3%~5%管长向外放射。 小管棚预注浆:注浆分一序、二序问隔跳孔分别 灌注,注完一序,再注二序,注浆前,全排管棚的管外 孔口均先用水泥棉纱严密封堵,防止孔口漏浆。灌 注时,如遇串浆,对串浆管棚也需封堵,水泥浆液水 灰比为0.5一l,早强剂掺量3%~5%,注浆终压控 制在0.3~0.4 MPa,凝胶时间lO~15 h。其管路连 接方法、现场布置见图3。 进浆胶管 铁丝搠扎闭浆闸阀 水泥棉纱(封堵) 图3小管棚预注浆布置示意图 注浆结束后,在待凝期间,上台阶应暂停开挖, 这段时间可进行前期工作面系统锚杆造孔安装和喷 砼支护,或进行下台阶开挖支护。施工中,应控制好 上台阶循环开挖长度,一般上台阶经过3个循环开 挖,则向前方掌子面顶拱布设一次注浆小管棚,前后 排小管棚首尾重叠长度为0.5~0.8 m。 2.2.2.2格栅钢架支护 格栅钢架支护用于Ⅳ、V类围岩洞段,其作用主 要是与顶拱挂网喷砼一起承载,构成联合支护体系, 格栅钢架布置间距:Ⅳ类围岩为1.2~1.6 m,V类 围岩为0.8—1.2 m。格栅钢架由一拱两腿组成,拱 全高2.05 m,腿全高3.60 m,拱与腿采用连接钢板 对接,螺栓紧固。 根据围岩变形量测提供的资料,除两边洞口段 15 m采用15 cm X 15 cm四角格栅支护外,其余洞 段均优化为三角格栅支护,即由3根025 mm主筋 构成,横断面为边长17.32 cm的等边三角形(三角 形高为15 cm),加强筋仍采用 18 mm螺纹钢,通 过优化,三角格栅比四角格栅每榀节省钢筋用量 137.5 kg,降低了钢筋?肖耗量。 2.2.2.3型钢支撑 过断层洞段和隧洞中部挤压破碎带均采用型钢 支撑,并结合顶拱挂网、系统锚杆和喷射C25砼联 合支护。支撑构件采用l8工字钢制作,由一拱、两 腿、底部横撑3部分组成,拱全高2.05 m,腿全高 3.60 m,拱与腿采用连接钢板对接,螺栓紧固,腿和 底部横撑采用现场焊接。 量测数据显示,挤压破碎带洞段变形量过大,因 此个别洞段在上下榀之间的连接钢板部位还增加顶 部横撑,一直等到二衬完成以后再割除,上下横撑主 要作用是使型钢支撑能形成封闭环,控制极破碎地 质条件下的变形破坏。边墙部位锁脚锚杆不可缺 少,且锁脚锚杆与型钢支撑必须焊牢。 2.2.2.4顶拱挂网 顶拱挂网用于松散破碎的V类围岩洞段,采用 维普资讯 http://www.cqvip.com 58 探矿工程(岩土钻掘 1二程) 2006年第5期 .5 mm钢筋,布置间距为20 cm×20 cm,上台阶 开挖初喷后,布挂顶拱钢筋网,然后安装上半榀格栅 钢架,再喷射C25砼,及时对破碎岩体提供足够的 支护抗力。 2.2.2.5系统锚杆支护 系统锚杆在初期支护体系中属于后步工序,由 于岩层稳定性太差,开挖后必须先初喷、挂网和安装 格栅或型钢支撑,使围岩能及时稳定,在此基础上方 进行系统锚杆布置,以改善围岩应力状况。Ⅳ类围 岩段,系统锚杆参数为:规格025 mm螺纹钢,长度 3.0 m,锚入深度2.7 in;V类围岩段,系统锚杆参数 为:规格 5 mm螺纹钢,长度3.5 m,锚入深度 3.35 m;锚杆孔径为45 mm,全孔段M25水泥砂浆 锚固。采取先注后锚的施工方法,施工中如遇到锚 杆孔有地下水渗出或涌出时,则在周围其他部位用 风钻布设排水孔,插入PVC管引排。 2.2.2.6喷射混凝土支护 隧洞边墙、顶拱全长均为C25砼喷护,设计喷 射厚度为15 cm。在不良地质条件下,喷射砼对开 挖后围岩支护起到很大作用,由于喷层密贴围岩,在 喷射过程中能充填岩层外露面的裂隙,且由于速凝 剂的作用,喷层凝结速度快,强度增长迅速,能及时 对围岩起到补强作用和改善应力状态,为后续支护 提供安全保障。根据当地材料,C25喷射砼配合比 为:水:水泥:砂:细石:速凝剂=0.48:1:1.54 :1.47:0.03,采用32.5普通硅酸盐水泥,每立方 米砼水泥用量504 kg,细石最大粒径1.5 em,连续 级配。 3施工注意事项 前述各项支护措施中,作为施工工序是的, 但通过施作后,所起到的作用是相互影响、共同承担 的,因此,每道支护工序均应精心施作,确保质量,在 施工中应注意以下问题。 (1)必须严格按照规定的“开挖一支护”作业程 序进行施工。其基本作业程序为:上台阶开挖 初 喷 挂网 上半榀格栅或型钢支撑 锁脚锚杆 二 次喷护 出渣 下台阶开挖、出渣 初喷 下半榀 格栅或型钢支撑 锁脚锚杆 二次喷护 边墙、顶 拱系统锚杆 第三次喷护 完成一个作业循环。小 管棚预注浆基本为3个开挖循环进行一次。 (2)施工中,小管棚预注浆需根据地质情况施 作,其插入岩体深度必须满足要求。由于采用风钻 造孔、人工插管施工方法,在插管时可能会因岩层破 碎塌孔,使插管受阻,这时可用短钎杆在前端焊接管 棚冲击套,采用风钻强行冲击,把管棚插至预定孔 深。 (3)格栅钢架或型钢支撑必须保证砼二衬空 间,顶拱预留3—5 cm下沉量,边墙也预留3—5 cm 收敛量,同时应紧贴围岩。由于岩层破碎,不可避免 有超挖情况,对钢架外围小于15 cm的间隙,选用坚 硬毛石楔紧,如有较大的掉块超挖空腔,安装后,连 同外围空腔一起用毛石砼浇筑回填,使格栅或型钢 支撑能真正起作用。 (4)砼喷射前用高压风把受喷面吹扫干净,再 进行喷护,喷射手应掌握好水灰比,以减小回弹,同 时保证喷层厚度。 4体会与建议 本排水洞的施工,为不良地质条件下修建水工 隧洞拓宽了思路,为以后类似工程积累了有益的经 验,现将几点体会和建议简述如下。 (1)对于复杂松散破碎地层,应注重超前支护, 做好超前支护,方能为下步开挖和后续支护打下基 础。超前支护应随地质情况变化而作相应调整,地 质情况好转时,管棚布置间距可适当加大,或采用超 前锚杆,不能千篇一律,死搬硬套。 (2)真Ⅱ:意义的新奥法是动态设计、动态施工, 一切以数据说话,而且量测与控制贯穿于整个施工 过程。但目前这种工程还少见,多数仍停留在经验 类比水平,设计是静态的,施工则必须依照设计而 行,设计上没有的措施、没有的项目,施工单位就不 能做,每当地质情况变化时,施工方应随时重新上报 方案和措施,还要等批复后才能实施,消耗了许多宝 贵时间,给工程施工造成被动。因此建议实行动态 设计,动态施工,取消一些人为因素,一切以地质条 件为前提、量测数据为依据,有些支护项目能取消就 取消,需加强就加强,能变更就变更,这个过程中要 体现一个“快”字。 (3)排水洞中部洞段为挤压破碎带,施作型钢 支撑、锚、网、喷后仍出现较大的变形,部分洞段在二 衬前边墙的最大变形值达到23 cm,给处理造成困 难。这说明在极破碎地质条件下,砂浆式系统锚杆 作用有限。建议采用迈式中空注浆锚杆,其优点是 集钻、注、锚于一体,施工方便,锚入深度长短可调, 并能施加预应力,能有效控制围岩变形破坏。 (下转第61页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年第5期 探矿工程(岩土钻掘工程) 6l ・ …r / m扳 . 1 H :l /钏护筒 : ’ ~ 侧噬端 l / I :: 卜~ll 水钏极 J ‘ - /中间桩柱(嗣护桩) 中800钻孔闱护桩 叠 、、侧埔模极 : .- * 《 ! 底扳 图3钻孔桩施工穿越18工事的处理不意图 斗 / 制,采用小型挖掘机进行挖土、装车,小型运土车运 至出口处,由地面上的挖掘机装上大型运载车运走。 5.3通风及照明措施 由于是采用逆作法施工,顶板施:E完成后,后续 土方开挖及结构施工基本在封闭环境中进行,能见 围4逆作法施工侧墙施工缝处理示意图 度差、空气不流通,施工时产生的有害气体不能排 出,所以必须采取通风和照明措施。与暗挖隧道类 6 结语 似,本工程通过出入口拉入通风、照明、水管等线,固 南宁市新华街地下人防 程采用逆作法施_r。『 定在两侧围护桩(侧墙)上,以改善地下作业环境。 艺,首先保证了基坑的施T安伞,同时占川道路的时 5.4侧墙施工处理 间最短,最大限度地减少了对川边商铺的订 和交 逆作法施r[中外侧墙的施工比较关键,为了便 通的影响。在商业繁华地段和交通繁 h、:地段建造地 于施工操作和保证工程质量,在施工人防地下室顶 下工程,可以采用类似施工方法。 板时,侧墙往下施工700 mill,形成下返墙。后浇侧 人防工程逆作法施T中最大的难点址± JI:挖 墙与下返墙之间的施工缝是外侧墙的质量关键部 和侧墙的施工,地下窜层高币¨朴网问 对f: 施J: 位。为保证这条施_丁缝的质量,下返墙施工时要在 影响较大,层高和柱网间距>6 rn,则土 ‘施l 比较 墙中问安装止水钢板,另外侧墙施工时支撑一斜模 方便。挖土机械以小型挖掘机为土,十 坑l』、J水 板高于施-丁缝100 mm以上,并加强该处混凝土的 平运输可以采用小型运土车或推土机。侧墙的施l 振捣,使混凝土浇筑密实,在初凝前进行二次振捣, 关键是在顶板施工时要同时施 J ‘卜返墙,下返端 注意要不断地添加混凝土,确保该处混凝土的密实。 据土质尽可能施工高些,这样柯利于 jJ『j侧墙的施 拆模后凿掉多余的混凝土,如图4。 工,也容易保证工程质量。 ・—— -.+“+ +u - ”+ +n+”+n+n+n— -・+ --I-・・+“+“—-卜“+“+”+“+“+“+“+“+“+“十一— ・— “十“+”—.卜一+・+ (上接第58页) (6)要重视地下水对施工造成的影响 地i水 (4)对于Ⅲ类围岩洞段,其稳定性比Ⅳ、V类围 的渗透,对围岩起到软化作用,使用 松他 化,火 岩好,可取消系统锚杆。施工中根据岩层节理走向 去稳定。遇到地下水时,膻及时钻孔_不1l捅1 :排水,坐 和分布情况,有针对性地布设随机锚杆即可,其起到 分散渗滴为集中引排,这也有利} 保 喷身寸阶腰』 }, 的支护作用将比系统锚杆更为有效,这能节省锚杆 确保围岩稳定。 工作量,缩短工期,降低费用。 (7)遇到强烈破碎的地质情况叫‘, 能忽视 (5)系统锚杆设计为M25水泥砂浆全孔段锚 子面喷砼封闭。 固,且不作变更。在实际施工中,经常遇到地下水影 (8)围岩变形量测是新奥法施I 的 耍 成部 响锚杆的砂浆灌注,从而直接影响锚固质量,建议在 分,必须配备专职量测人员负责这项 作,及时提供 有地下水的洞段,以水泥锚固卷代替砂浆灌注。 围岩稳定情况信息,为支护提供可靠的依据