引洮二期工程七干渠隧洞開挖支護(hù)及圍巖監(jiān)控量測技術(shù)

邊振榮

(甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

引洮供水二期工程屬Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大(2)型。本項目包含七干渠16#隧洞出口控制段-20#隧洞進(jìn)口。主要建設(shè)16#隧洞39+650—41+040長1390m，10#暗渠長40m，17#隧洞41+080—43+330長2250m，19#分水閘長17m，18#隧洞43+390—46+115長2725m，19#隧洞46+133—48+000長1867m，4#倒虹吸48+010—48+150.328長140.328m，20#隧洞48+164.828—49+494.16長1329.332m。

2 工程地質(zhì)條件

七干渠隧洞工程地處黃土高原丘陵區(qū)，施工地質(zhì)條件十分復(fù)雜。隧洞圍巖主要以極不穩(wěn)定強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，巖層并伴有一定程度的地下水，因此地層比較破碎、易坍塌，隧洞開挖風(fēng)險高。16#隧洞39+650—39+913 Z1為變質(zhì)砂巖、大理巖洞段，屬Ⅳ類圍巖。C3-P1砂巖夾頁巖及耐火黏土洞段為16#隧洞39+913—41+040，17#隧洞41+080—43+330，18#隧洞43+390—45+310。除16#隧洞39+913—41+040及17#隧洞41+080—41+221段為Ⅴ類圍巖外，其余均為Ⅳ類圍巖。18#隧洞45+310—46+115為γ43花崗巖洞段，屬Ⅳ圍巖；19#隧洞46+133—46+333，屬Ⅳ圍巖，46+333—47+217，屬Ⅲ圍巖，47+217—47+348為斷層影響帶，屬Ⅴ類圍巖。19#隧洞47+348—48+000，20#隧洞48+164.828—49+000 N1為砂質(zhì)泥巖夾砂礫巖洞段，均為Ⅴ類圍巖，圍巖磚紅色。20#隧洞49+000—49+494.16 N1為砂礫巖洞段，屬Ⅴ類圍巖。Ⅳ、Ⅴ類圍巖不穩(wěn)定，施工時要及時進(jìn)行支護(hù)措施。工程涉及多條隧道，施工點(diǎn)多、面廣、線長，隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)最長2725m，隧洞掘進(jìn)穿越復(fù)雜地層是本工程的難點(diǎn)所在。因此施工期間要做出針對性的支護(hù)和監(jiān)控量測措施[1- 2]。

3 隧洞開挖

3.1 黃土隧洞開挖

3.1.1進(jìn)洞措施

黃土穩(wěn)定性不足，在進(jìn)洞進(jìn)一步開挖前需做支護(hù)[3]。在隧洞拱頂先做φ42mm管棚超前支護(hù)，支護(hù)長度設(shè)置為10m。拱頂支護(hù)完成后，由拱頂向隧洞兩側(cè)壁面環(huán)向設(shè)置支護(hù)以達(dá)到較好的隧洞超前支護(hù)效果，確保隧洞黃土段施工安全[4]。

3.1.2隧洞開挖

由于隧洞圍巖地質(zhì)條件為極不穩(wěn)定的V類圍巖，開挖成洞條件差，因此采用短進(jìn)尺。該工程隧洞斷面設(shè)計小，采用全斷面掘進(jìn)進(jìn)行隧洞開挖。每個循環(huán)開挖進(jìn)尺控制在0.80～1.80m。黃土質(zhì)軟，因此黃土洞段采用掘進(jìn)機(jī)配合人工開挖施工。

3.1.3施工支護(hù)

該段黃土隧洞支護(hù)施工分2次進(jìn)行，斷面開挖前制作好相應(yīng)的鋼拱架，斷面開挖完成后立即進(jìn)行支護(hù)。隧洞開挖循環(huán)后立即進(jìn)行1次噴錨支護(hù)，噴錨支護(hù)結(jié)束隧洞斷面穩(wěn)定后進(jìn)行2次混凝土襯砌施工。1次支護(hù)采用全封閉I12工字鋼鋼拱架。由于黃土隧洞穩(wěn)定性極差，鋼拱架間距設(shè)計要小，該工程間距設(shè)置為0.60m。

3.2 巖石隧洞開挖

3.2.1圍巖鉆爆設(shè)計

(1) 炮眼布置

炮眼直徑設(shè)置為為Φ42mm；掏槽眼深1.7m、輔助眼深1.5m、底眼深1.5m。炮眼布置數(shù)目的多少關(guān)系到隧洞的爆破效果，因此直接影響到隧洞的施工進(jìn)度。按式(1)計算炮眼布置數(shù)目[5]。

(1)

式中，f—巖石堅固性系數(shù)，這里取值為8；S為隧洞所需開挖面積，15.6m2；N—炮孔數(shù)目。

根據(jù)式(1)計算得到炮眼數(shù)目為37個，但是考慮到光面爆破效率，實(shí)際施工炮眼布置為48個。

3.2.2炮眼裝藥量

炮眼的裝藥量按式(2)進(jìn)行計算：

Q=η×L×r

(2)

式中，η—炮眼的裝藥系數(shù)，這里取值0.6；L—炮眼深度，掏槽眼深度為1.7m，輔助眼深度為1.5m；r—每米爆破長度所需的炸藥量，取值0.78kg/m。

根據(jù)式(2)計算得到掏槽眼裝藥量為0.79kg，輔助眼裝藥量為0.70kg。

3.2.3炮眼布置圖

該設(shè)計的炮眼布置及爆破參數(shù)如圖1及表1所示。

圖1 圍巖起爆順序及爆破參數(shù)圖

4 隧洞支護(hù)

4.1 隧洞超前支護(hù)

超前注漿小導(dǎo)管主要用于Ⅳ、Ⅴ類圍巖的隧洞開挖[6]。超前小導(dǎo)管為φ42×3.5無縫鋼管，制作長度3m，環(huán)向間距30cm，超前小導(dǎo)管斷面布置如圖2所示，施工檢查要求見表2。

圖2 超前小導(dǎo)管橫斷面布置示意圖

表1 布置炮孔參數(shù)表

圖3 超前小導(dǎo)管縱斷面布置示意圖

表2 超前小導(dǎo)管質(zhì)量檢測項目

4.2 隧洞初期支護(hù)

4.2.1錨桿施工

錨桿施工采用YT- 28型氣腿式鑿眼機(jī)鉆孔，采用?22水泥基藥卷錨桿，長度為2m。在錨桿布置為梅花形，且垂直于隧洞面[7- 10]。

4.2.2掛鋼筋網(wǎng)

隧洞錨桿支護(hù)施工完成后進(jìn)行掛鋼筋網(wǎng)施工，鋼筋網(wǎng)規(guī)格采用φ6.5@200×200。

4.2.3鋼拱架支護(hù)

鋼拱架為Ⅰ16、Ⅰ14和Ⅰ12工字鋼。采用焊接連接鋼支撐與規(guī)格為15cm×15cm，δ=8mm鋼板，鋼板采用AM20×70螺栓、螺帽進(jìn)行連接?？v向每榀鋼架間采用φ22mm鋼筋連接。

5 監(jiān)控量測

5.1 監(jiān)控量測的內(nèi)容與方法

5.1.1周邊收斂位移量測

隧洞在開挖施工過程中進(jìn)行隧洞周邊位移觀測[11- 12]。隧洞的周邊位移觀測是通過在隧洞周邊兩個相對位移方向設(shè)置固定點(diǎn)，測量前這兩個點(diǎn)在同一水平線，一旦發(fā)生位移，通過測點(diǎn)連線便知道隧洞周邊的位移量距離。通過位移值可以直觀地觀測到隧洞圍巖的變形程度和范圍。該工程使用隧洞凈空變化測定計(簡稱收斂計)對隧洞周邊位移量進(jìn)行測量。隧洞周邊位移量測的測點(diǎn)和量測基線如圖4所示，點(diǎn)1和2、3和4為隧洞同一水平面的固定點(diǎn)。測點(diǎn)布置間距依圍巖類型而定，Ⅴ級圍巖間距為20m，Ⅳ級圍巖30m，Ⅲ級圍巖40～60m。

圖4 洞內(nèi)收斂基線布置示意圖

5.1.2拱頂下沉量測

在布置洞身收斂位移檢測的同時也布置洞身拱頂下沉測點(diǎn)，且將兩種檢測點(diǎn)布置在同一斷面。測點(diǎn)布設(shè)使用鑿巖機(jī)鉆孔，然后注漿，再插入預(yù)埋件[13]。預(yù)埋件必須與與洞身中心線平行且處于垂直狀態(tài)。圖4中的監(jiān)測點(diǎn)5即為隧洞拱頂 下沉距離測量點(diǎn)。測量點(diǎn)距離布置依圍巖類型而異，V、IV級圍巖量測布設(shè)間距為15～30m，III、II級圍巖50～60m設(shè)置。

5.1.3地表下沉

為監(jiān)測隧洞開挖過程中的地表下沉距離，在洞段淺埋地段布置觀測點(diǎn)，使用精密水準(zhǔn)儀監(jiān)測觀測點(diǎn)下沉量變化且計算出當(dāng)天的下沉值。量測斷面間距設(shè)置為20m。該項量測的測點(diǎn)布置如圖5所示，在隧洞中心線正上方原地面線處布置測點(diǎn)。

圖5 洞口地表沉降觀測點(diǎn)布置示意圖

5.1.4圍巖內(nèi)部位移量測

本工程隧洞圍巖內(nèi)部不同深度的位移量測采用多點(diǎn)位移計。位移計的量測距離便為隧洞內(nèi)部的圍巖的變化相對位移值。隧洞量測的重點(diǎn)布置在開挖過程中出現(xiàn)的破碎不穩(wěn)定、易出現(xiàn)塌方點(diǎn)，通過位移計的變化可隨時可知隧洞內(nèi)部圍巖的變化情況，以便隨時做出應(yīng)對措施，該工程圍巖內(nèi)部觀測點(diǎn)設(shè)置如圖6所示，在隧洞拱頂和隧洞拱腰出分別布設(shè)孔位量測。圖6中A點(diǎn)為拱頂測點(diǎn)，B、C為拱腰布置測點(diǎn)，D、E為邊墻布置測點(diǎn)。

圖6 圍巖內(nèi)部位移測點(diǎn)布置示意圖

5.1.5鋼支撐內(nèi)力

為保護(hù)隧洞開挖安全，通過對職稱鋼架的應(yīng)力測試，一方面可以獲得鋼架的應(yīng)力變化曲線，從而得到鋼架的安全系數(shù)。另一方面可以通過應(yīng)力測試曲線變化得到隧洞開挖斷面的穩(wěn)定性。一旦隧洞圍巖出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，可通過鋼架支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化曲線可知。該工程通過對鋼拱架的上、下緣每10～50m分別安裝測力計來獲得鋼支撐的內(nèi)力及外力。

5.1.6錨桿拉拔力

錨桿抗拔試驗(yàn)?zāi)芫C合反映出施工錨桿的質(zhì)量，通過拉拔實(shí)驗(yàn)可以掌握錨桿能承受的最大拉力。本工程的錨桿抗拔力量測采用快速量測法，即采用錨桿拉力計進(jìn)行量測。本工程錨桿拉拔測量在錨桿砂漿施工完畢28d后進(jìn)行。

5.1.7噴射砼支護(hù)表面應(yīng)力量測

該隧洞對噴射混凝土支護(hù)段圍巖表面應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測布置位置如圖7所示，在圍巖與初支之間布置測點(diǎn)[14]。

圖7 噴層接觸壓力量測測點(diǎn)布置圖

5.1.8彈性波測試

通過雙孔穿透法現(xiàn)場進(jìn)行彈性波測試，在隧洞施工過程中由聲波發(fā)射器和接收器分別發(fā)射和接收聲波。根據(jù)彈性潑在巖體中的傳播特性，觀測波速變化、波的能量衰減、波的傳播頻率等物理特性來判斷圍巖的密實(shí)度等物理指標(biāo)。根據(jù)圍巖的密實(shí)度可以推測得到巖體的完整度和松動情況。

5.2 監(jiān)測頻率

該工程隧洞開挖各監(jiān)控量測項目的監(jiān)測儀器及頻率要求見表3。

6 結(jié)語

本工程隧洞由于地處黃土丘陵區(qū)，隧洞圍巖穩(wěn)定性差，施工困難。通過對隧洞黃土段實(shí)行2次支護(hù)及巖石隧洞的超前小導(dǎo)管支護(hù)和錨桿、掛網(wǎng)和鋼拱架初期支護(hù)措施確保了施工的正常進(jìn)行。與隧洞開挖支護(hù)同時進(jìn)行的還有隧洞周邊位移和拱頂下沉、隧洞內(nèi)部位移監(jiān)控測量等。通過相關(guān)隧洞開挖過程中監(jiān)控量測技術(shù)的實(shí)施最大限度地杜絕了安全事故的發(fā)生，保證了工程的按期進(jìn)行，節(jié)約了成本。復(fù)雜地段隧洞工程的安全施工不僅需要地質(zhì)勘測做到準(zhǔn)確，隧洞開挖支護(hù)及圍巖穩(wěn)定性監(jiān)控量測更具有重要作用。

表3 各項目的監(jiān)測儀器及頻率統(tǒng)計表