“滇中红层”软岩引水隧洞变形控制技
术
摘要：隧洞开挖后，围岩在应力的作用下，会产生一定量的洞室收敛、顶拱沉降等塑性变形， 特别是在岩体破碎的洞室内，该种变形会造成围岩失稳 ，从而产生掉块或塌方等现象 ，给施工 设备和人员带来安全隐患。隧洞施工过程中，如何减少围岩变形对隧洞产生的不利影响至关重要。本文结合云南省滇中引水工程“滇中红层”地质条件简要阐述施工阶段软岩引水隧洞变形控制技术。
关键词：软岩；引水隧洞 ；变形 ；控制技术 前言
滇中引水工程地处青藏高原边缘，新构造运动强烈，断裂构造发育，地震活动频繁，地质条件复杂。本项目内隧洞占比高达98.1%、隧址区水文地质与工程地质状况复杂，标段隧洞穿越地层大部分为“滇中红层”软岩地层，地质条件变化频繁，地层以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，围岩遇水成泥，强度低、抗风化能力弱、稳定性差，易崩解、易下沉、变形，给施工安全带来很大隐患，制约了施工进度。
1软岩引水隧洞变形常规控制方法
1.1做好超前地质预报工作，准确掌握待开挖洞段的地质信息，编制合理的施工方案。
1.2掌子面超前注浆，加强待开挖洞段围岩的自稳性。
1.3加强初期支护的支护参数：加密超前大管棚和超前小导管的间距；采用锁脚锚管代替锁脚锚杆并增加根数；钢支撑下台阶增设横向支撑，使钢支撑封闭成环，并及时喷射混凝土封闭。
1.4加强围岩量测监控的密度和频次，及时准确掌握围岩变形的情况，确保在出现大变形的情况下能够及时调整施工方案。
1.5及时跟进底板及衬砌混凝土的浇筑，缩短掌子面到二次衬砌间的距离，尽早消除安全隐患。
2软岩引水隧洞变形监控量测
2.1根据本工程特点、规模大小和设计要求综合选定，设拱顶下沉、净空变化、二衬后净空变化
2.2每次量测结束后，在二小时内进行资料整理工作。及时将资料填入有关图表，便于了解数据反映的变化规律。
2.3设有量测日报，作为日常工作向工区领导和项目部及时汇报初支的稳定状况。每周的周一作一次汇总，向工区总工、工区领导、项目经理部作汇报、分析。每月月末整理出阶段性的分析报表，对过去一段时间内的量测成果作一次总结，以进一步指导施工。
2.4净空变化、拱顶下沉等必测项目应设置在同一断面，其量测断面间距及测点数量根据围岩级别、隧洞埋深、开挖方法确定。
2.5净空变化量测点的布置：两个水平收敛测桩分别布置在起拱线下3m及上0.5m的左右拱墙上；拱顶下沉量测点的布置：拱顶正中。
2.6净空变化、拱顶下沉量测要在初喷混凝土后或在每次开挖12小时内取得初始读数，地表沉降点要在相应里程掌子面未到达1B（隧洞宽度）前进行设点，并取得初始读数。且在下一循环开挖后必须完成。
2.7洞内监控量测标使用5cmX5cm钢板连接直径20mm的钢筋制作，钢筋与钢板焊接牢固
2.8洞内观测标埋设必须深入基岩不小于20cm，使用钻机钻孔后插入观测标并使用锚固剂进行固定，观测标禁止与钢拱架及钢筋网片焊接固定。
2.9初支混凝土喷射完成后，及时将反射片粘贴到观测标志钢板上，确保粘贴牢固可靠。
2.10洞内观测标反射片均面向洞口，以便测量数据采集。
2.11测点的标识及保护测点布设在量测组的指导下，由开挖工区协助完成，做到牢固可靠。易于识别，并有利于保护测点，量测组在测点形成之后，立即用油漆标示出明显的红“△”，并标有此测点断面的编号。在布点时让量测桩露出初期支护面尽可能短，严防意外损坏。
2.12拱顶下沉和洞内水准基点建立联系。在正洞内，量测基点必须保证其稳固和不动性，为此要做到科学选位，在选定位置上用风钻竖直向下打1m深的眼，注入砂浆，插入一根1m长经过处理的钢筋（顶端打磨成圆形，底端焊成十字叉以利于稳固基点），并对量测基点作明显标志。
2.13施工中注意保护，防止爆破和其它情况的破坏，量测点不得挂其它任何物品。
2.14量测数据整理完成以后，由量测组长组织量测人员对量测数据的完整性和真实性进行审核，确认无误后上报工区技术室；
2.15工区技术室对原始数据进行整理、分析；出具《量测月报表》及《测量年报》并上报监理、设计及业主审核
3隧洞支护体系施工工法
3.1本工程主要混凝土为隧洞衬砌，且要求衬砌须跟随开挖进行的施工特点，为保证质量，衬砌采用钢模液压衬砌台车进行衬砌施工，边墙、拱顶同时全断面浇筑。砼在拌和站拌制，砼搅拌输送车运输，输送泵泵送入模作业，插入式振捣器振捣密实。
3.2每个隧洞作业面配备一台钢模台车，根据作业面围岩情况可进行衬砌跳打施工，先保证边挖边衬段落衬砌紧跟，确保施工安全，其他段落随后适时安排衬砌施工。
3.3钢模液压衬砌台车配合其它辅助机械，可大量降低劳动力，提高隧洞衬砌施工的效率，提升施工速度，还具有结构可靠、操作灵活、隧洞成型面光顺、满足边挖边衬的施工要求等优点。
3.4混凝土配合比。根据施工图纸的要求和监理人指示，通过室内试验成果进行混凝土配合比设计，并报监理人批准，包括配合比试验的配料及其拌和、制模和养护等的配合比试验计划。严格按混凝土配合比施工，在搅拌机旁挂牌作业。混凝土原材料按重量计容许偏差为：水泥、混合材料为±2%，粗、细骨料为±3%，水、外加剂为±2%。
3.5砼模板方案。模板采用自带栈桥式钢模液压衬砌台车，立模时通过轨道将其运至工作面，机械配合人工进行立模。标准段模板采用钢模液压衬砌台车，非标准段模板采用定型钢模板。分段堵头模板在木加工厂加工，现场人工拼装，模板采用内拉外撑加固。
3.6钢筋加工、运输、安装：钢筋在钢构件加工厂加工成品钢筋，分类编号运送至现场，人工绑扎，边墙和顶拱的钢筋利用小车上设平台进行安装。
3.7砼施工方法及措施。清基和施工缝处理、冲洗→ 测量放线→钢筋加工和安装→止水、灌浆管及预埋件安装→拆模、修整
3.8混凝土拌和。配料拌和时根据砂、石含水率情况由试验人员及时调整施工配合比，混凝土浇筑塌落度控制在8～18cm，但要视实际情况合理掌握，最好采用掺加粉煤灰提高可泵性。拌和机司机应固定，严格按配合比拌和；冬季施工时采用热水拌和，同时加热骨料，配料机斗仓上设钢筋网过滤超径碎石，并设专人清除超径碎石；由施工经验丰富的拌和站长负责搅拌设备维修保养，尤其是易出故障的配料机计量系统。
3.9混凝土运输。本工程各个工区和不同隧洞的混凝土运输形式各有不同：隧洞2#与3#斜井支洞的混凝土运输比较复杂，洞外采用混凝土输送车从混凝土拌和站接料运输至斜井支洞洞口，斜井支洞内拟采用溜槽下放混凝土，洞内采用混凝土输送车接料后直接汽运至台车跟前泵送进入台车的方式组织施工；其余工
区隧洞内混凝土的运输均比较单一，采用混凝土输送车直接运输至洞内台车跟前泵送即可。隧洞洞内的车辆调头均在未衬砌段的加宽处进行。
3.10混凝土振捣。混凝土自模板窗口灌入，由下向上，对称分层灌筑，倾落自由高度不超过2.0m。在混凝土浇筑过程中，观察模板、支架、钢筋、预埋件和预留孔洞的情况，当发现有变形、移位时，及时采取措施进行处理，因意外混凝土灌筑作业受阻不得超过2个小时，否则按接缝处理。采用插入式振动棒辅助捣固。
3.11混凝土养护。混凝土养护及整修：混凝土灌筑后，强度达到设计强度70%时，方可拆模，并进行养护。等砼初凝拆模后即开始洒水养护，最少养护14天。混凝土脱模剂须采用无毒无味的，避免对水质造成影响。
3.12混凝保护。栈桥下底板混凝土浇筑后养护3天方可移动栈桥，并采用草帘加土工织物的方法继续养护并覆盖保护底板混凝土方可通行，当底板混凝土强度达到100％后，将草帘及土工织物转移至栈桥附近，继续保护后续新浇筑底板混凝土。
4本工程软岩隧洞大变形技术控制措施
4.1开挖工法采用台阶法加临时横撑确保结构稳定，即：上台阶增加临时横撑，临时横撑采用I20a工字钢，上台阶拱架拱脚处与横撑焊接牢固闭合成环，横撑间距0.5m，采用Φ22连接筋焊接牢固。
4.2超前支护采用Φ108mm超前大管棚+Φ42mm超前小导管支护。超前大管棚采用热轧无缝钢管，外径108mm，壁厚6mm，每根6m，环向间距35cm，纵向搭接2m，拱部120°范围布置，外插角1°～3°，管棚上钻注浆孔，孔径10mm，孔间距15cm，呈梅花型布置，钢管前段20cm呈锥形，尾部留不小于300cm止浆段。超前小导管采用φ42热轧无缝钢管，外径42mm，壁厚3.5mm，间距30cm，单根长度3m，两组纵向搭接2m。超前大小管棚注浆浆液采用水灰比为1:1的纯水泥浆液，注浆终压为2.0MPa。
洞内大管棚支护施工 洞口大管棚支护施工
超前小导管
4.3型钢拱架采用I25b工字钢，间距50cm，为避免上导拱架水平应力集中，左右侧拱脚不应落在同一水平面上至少错开50cm(即左右错开、前后错开)；连接筋采用Φ28mm钢筋，间距50cm；喷射混凝土厚30cm，钢筋网采用Φ6mm钢筋加工，网格尺寸15cm×15cm。锁脚调整为Φ108mm钢管(壁厚6mm)，长6m，于上、中、下台阶各拱脚处设置2根，全环共设置12根，角度水平向下30°，使用锁脚环和拱架连接牢固，另外在中、上台阶每两榀工字钢之间左右各增加1根φ108钢管，布置位置为各台阶拱脚上1m处。钢管长度6m，下倾45°打设，钢管施工参数按《楚雄段施工2标柳家村隧洞超前大管棚设计图》施工，注浆采用水泥浆，注浆水灰比1:1，注浆终压不小于2.0MPa，并稳压5min以上。每根钢管处设置I20a工字钢纵梁，连接两榀钢支撑，纵梁焊接于钢支撑腹板处，钢管与纵梁焊接牢固，提高整体钢支撑承载能力，减小下沉变形。
4.4垫层于下台阶钢支撑拱脚处加设I20a型钢横撑，间距与拱墙部位拱架间距一致，横撑与下台阶拱架焊接牢固，封闭成环，每次开挖长度2榀，每榀横撑拱架之间采用Φ22mm连接筋连接，间距1m,焊接牢固，采用20cm厚C20喷射混凝土封闭后再浇筑20cm厚C20混凝土垫层。
4.5考虑到开挖临空面不稳定、渗水成泥等情况，每循环施工时对掌子面渣体采用从洞外渣场拉渣进行换填处理，每循环支护时采用玻璃纤维锚杆、粗纤维喷射混凝土进行封闭，保证掌子面稳定后及时施做初期支护。
4.6在风化砂岩裂隙水发育区段，采取了“堵”、“排”结合的方法，达到了较好的治水效果。施工中通过“抢堵+固堵”的办法，有效的隔断了地下水的渗流路径；通过合理设置排水孔，减小了地下水对已建支护结构的作用，确保了结构安全。在涌水突泥区段，采取了“堵+支+固”的综合治理措施。“堵”，即超前帷幕注浆技术；“支”，即超前大管棚结合TSS管补强技术；“固”，即通过段支护背后的径向注浆加固技术。通过上述三种措施的综合治理，使隧道成功的通过了涌水突泥区段，确保了工程的正常进展。
径向注浆加固
富水地段采取局部井点降水 仰拱底部砂层，采用换填片石混凝土加固。
4.7整体控制效果。（1）高强钢拱架构筑隧道安全施工空间（2）预应力锚索先柔后刚提供较高支护抗力（3）长系统注浆锚管加固围岩缩小松动圈（4）加大预留变形量防止围岩侵入净空（5）柔性初支及刚性二衬先柔后刚先放后抗 （6）喷钢纤维砼减掉块 （7）开挖减震弱爆破或不爆破控扰动 （8）底部仰拱加强抑隆起 （9）“三快”施工工序保安全 （挖支衬）（10）勤量测勤反馈
以上是本项目根据实际情况所采用的软岩隧洞大变形技术控制措施，对于变形的控制起到了非常明显的效果，因软岩隧洞的变形由于项目地质条件复杂、岩
石土体结构、以及所处的环境等因素影响不同，我们必须要认清软弱围岩“变形与坍方的发展过程和变化规律”，严格执行“三超前、四到位、一强化”的施工方针，完全能够避免软弱围岩隧道事故的发生，确保工程安全和生命安全。
首先，在施工中严格规范施工行为，严肃施工纪律，认真坚持以质量保安全、以技术保安全的基本原则。针对每项工序都制定详细的作业流程，对每循环的作业时间进行分析和总结，制定科学合理的进度指标，严防突击冒进。
其次，加强超前地质预报，综合运用TSP、超前钻探、地质分析和素描等手段，尤其是通过每一循环的地质素描，对开挖工作面围岩的岩层走向、节理裂隙发育、地下水发育等情况进行综合分析，对开挖工作面稳定情况进行综合判定，以确定下一循环的施工方法和支护参数。
再次，是以监控量测为依据，动态调整施工方法和支护参数，确保施工安全。施工中结合量测数据，分析围岩变形和支护结构受力状况，及时采取减小钢支撑间距，增加喷射混凝土厚度，加设临时仰拱等措施，控制围岩变形，防止坍方变形。
最后，针对软弱围岩稳定性差，裂隙水丰富等特点，及时采取超前管棚、超前小导管、超前周边帷幕预注浆等超前支护措施，提高地层强度和整体性，在稳定开挖工作面下方进行施工。
其它需要注意事项：须采用短台阶法施工，力求尽快形成闭合的初期支护受力环，绝不能采用长台阶法施工；大变形段初期支护应该是刚柔结合的，满足“先放后抗、先柔后刚”的要求；二次刚性混凝土衬砌应尽早施作，否则初支护会变形太大无法收敛，但因围岩变形压力未分释放，二次衬砌结构必然承受较大的应力，这就求二次衬砌结构必须有足够的刚度和强度；尽可能采用“环形导坑法”施工且全过程采用机械开挖，实现对围岩的零扰动，对维护围岩的相对稳定起到了积极的作用。
结束语
软岩隧洞施工挖过程中，开挖面对洞周附近同岩有空间约束作用，开挖完成后，软岩隧洞拱顶 、拱底变形量值较大 ．拱顶可作为沉降的主要监测点，在软岩隧洞施工前，需要确定合理初期支护措施 ，提高围岩的自承能力，洞周位移的增长，岩隧洞开挖完成后需尽早施作初期支护 ，提高开挖后洞周围岩的稳定性。
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