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摘 要在隧洞开挖施工中，全断面炭质板岩破碎带遇水易软化，常引起塌方，难于处理。在某水电站引水隧洞炭质板岩破碎带大塌方处理中，遵循“管超前、严注浆、短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的施工原则，成功探索出了一套安全、经济的施工技术，对同类工程施工具有一定的指导意义。
关键词全断面；炭质板岩；破碎带；隧洞；施工技术
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)091-0138-02
近年来，随着开挖技术的不断进步及工程设计中的实际需要，特殊地质段隧洞为越来越多的工程所采用。对于各类围岩的隧洞施工，目前已有相当成熟的理论、经验，但全断面炭质板岩隧洞施工方法还在不断探索中。笔者结合某水电站引水隧洞大塌方处理的成功经验，对全断面炭质板岩破碎带开挖支护及变形处理施工技术进行了初步研究和探讨。
1概述
某水电站引水隧洞上游段为弱V类围岩，岩性为炭质板岩，断层带宽约1.0m-1.5m，组成物质为糜棱岩，地下水较发育，断层附近出现股状涌水。受断层及裂隙切割影响，围岩破碎，开挖中出现塌方和局部
变形。
2发生塌方及变形的原因
在引水隧洞开挖中，K0+256-K0+365段全断面出现炭质板岩，岩石完整系数小，并伴有大量渗水。K0+256-K0+276段拱顶出现大塌方，根据已揭露岩石情况显示，塌方段岩层产状为N35°-40°W/SW40°-55°。K0+276-K0+315段，多处喷射混凝土从工字钢上脱落，工字钢扭曲变形厉害，钢拱架侵入永久支护净空，并处于变形发展状态，地下水丰富，渗水量大。
3塌方段处理施工技术
3.1处理过程
第一步：重新喷砼10cm，对初期支护喷射砼进行补强。
第二步：对K0+266-K0+276段，逐品打对口撑，并布量测点。示意图如图1。
第三步：对K0+256-K0+276段，径向注浆，采用Φ48的小导管，长度4m，按1.0m×1.0m梅花型布置。注完浆后，使浆液在钢拱架周围3.5m范围内形成一个人工加强拱。
第四步：在K0+256处，钢拱架拱部160°范围内施作超前小导管，小导管采用Φ48的钢管，长度4m，外插角30°，小导管间距30cm。然后在塌方体上面施作小导管，塌方体小导管按2m×2m梅花型布置。钢拱架采用I20a的工字钢，间距50cm。
第五步：封闭撑子面，进行超前预注浆和塌方体注浆，浆液水灰比按0.5:1。
第六步：塌方段开挖时，先开挖第一步，等开挖过塌方体2m后，依次开挖第二、三步。
3.2施工注意事项
1）在开挖塌方段前，一定要经量测认定围岩稳定后才能开挖。
2）每开挖二榀拱架施作一排超前小导管，进行一次超前预注浆。
3）开挖第二步和第三步时，一定要左右交替进行。每次开挖不得超过二榀拱架。
4）对口撑的位置和高度以不影响开挖台架进出为准。
5）分步开挖高度，可以根据现场围岩情况调整。
4变形段处理施工技术
1）对K0+276-K0+315段在开挖底板以上4.5m高的位置，加对口撑，施工方法同K0+266-K0+276段。
2）对K0+276-K0+315段拱腰线以上全面进行固结注浆处理，形成砼壳体抵御上部围岩压力。该段打设注浆小导管，导管采用Φ48mm的花管，长度为4m，按1.0m×1.0m梅花型布置。
3）灌浆压力控制1.0MPa-2.0MPa之间，水灰比采用1:1，并根据现场灌浆实际情况进行调整。
4）对该段全面进行断面复测，等灌浆凝结到一定强度后对已经变形的钢支撑进行置换，钢支撑置换施工必须制定方案，采取措施确保施工安全。
5）加强围岩变形监测。量测频率开始6h观测1次，然后根据变形量的减小而减小量测频率，即12h、24h、48h、72h、168h，根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等，便于指导施工，确保施工安全。量测点每隔5m布设1组。
6）实时对变形监测结果进行分析，对于围岩不稳定的洞段采取预固结灌浆加固、钢管灌浆锚杆加固和混凝土衬砌加固等方法及早加固并持续进行安全监测。
7）灌浆处理完成后，继续对该段进行变形观测（利用收敛计），为是否进行砼衬砌提供决策依据。
5全断面炭质板岩破碎带开挖及支护技术
5.1开挖方案
引水隧洞K0+315-K0+365段围岩属于全断面炭质板岩破碎带，围岩自身稳定性差，在侧压力作用下，易出现顶拱及边墙坍塌问题。开挖时分为上、下两个坑道进行开挖，上坑道开挖采用预留核心土，掏出一个环形槽，进尺50cm后，把制作好的拱架顶部及时放置在开挖面；用人工在边墙开挖一个能放置拱脚的槽；把拱脚及时安装并和顶拱用螺丝连接好；再开挖和连接另一侧拱脚，这样一榀拱架就安装完成了。进行钢支撑加固，安装锁脚锚杆及连接钢筋，每个接头处锁脚锚杆为4根Φ25，L=3.0m钢筋，连接钢筋为Φ25@0.8m×1.0m，然后安装Φ8@20cm×20cm的钢筋网，并喷C20砼，厚25cm。再按照此方法隔50cm安装下一榀拱架。钢拱架安装时应预留2cm-5cm的变形量。
5.2超前小导管施工
1）工艺原理。在破碎松散岩体中超前钻孔，打入小导管并压注具有胶凝性质的浆液，浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；使超前小管棚与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。
2）小导管及注浆设计。顶拱范围内布设一排超前注浆小导管，小导管直径为φ48，L=4m，小导管环向间距20cm，纵向间距2.5m。并要求超前小导管尽可能精细施工，外插角度5°-7°，外露端与钢支撑爆接牢靠，形成拱圈受力。压注1:1水泥浆液，采用P.O42.5水泥，浆液中掺水泥用量3％-5％的水玻璃，以缩短浆液的胶化固结时间，控制浆液的扩散范围。
3）施工要点。①小导管加工4m/根的Φ48mm小钢管一端加工成尖锥形，距另一端100cm的位置开始至尖锥端之间按梅花型间距为20cm布设Φ8mm的孔眼4排，以利于小导管推进和浆液渗入破碎岩体。②小导管安设，如：岩体松软，采用YT-28型风动凿岩机直接推送，如：遇夹有坚硬岩石处，先用YT-28型风动凿岩机钻眼成孔后再推进就位。③在施作小导管前应注意：第一，喷3cm-5cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙，为注浆作好准备工作；第二，准确测量隧洞中心线和高程，并按设计标出小导管的位置，误差±15mm；第三，用线绳定出隧洞中心面，随时用钢尺检查钻孔或推进小导管的方向，以控制外插角达到设计的标准；第四，施工顺序为从两侧拱腰向拱顶进行，为提前注浆留好作业空间。④注浆。为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序从两侧拱脚向拱顶。由于岩体孔隙不均匀，考虑风镐环形开挖的方便，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力，采取注浆终压（0.8MPa-1.2MPa）和注浆量双控注浆质量，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。通过现场试验确定拱脚终压为1.2MPa，拱腰范围为1.0MPa，拱顶为0.8MPa。注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，又达到控制注浆量的
目的。
5.3挂钢筋
钢筋网片采用Φ8圆钢，除锈处理后按设计加工成网格为20cm×20cm的网片。挂设时网片必须随受喷面的起伏铺设，与受喷面间留3cm作为保护层，网片与系统锚杆焊接牢固，确保喷射混凝土时不
移动。
5.4喷射混凝土
开挖后为缩短围岩的暴露时间，防止围岩进一步风化，必须先初喷混凝土3-5cm厚再封闭围岩；待钢拱架及钢筋网安设好后，再喷混凝土10cm-12cm。最后在下一循环喷射混凝土时分两次喷射至设计
厚度。
1）采用掺STC型粘稠剂半湿式喷射混凝土工艺，减小洞内粉尘污染及回弹量。
2）喷射前用高压风将岩壁面的粉尘和杂物吹干净，水泥、粗、细骨料加少量水，用搅拌机干拌，水量按水灰比配制混凝土应加入水总量的20％；拌好后将干料运至喷射作业点再进行人工拌和，并按水泥用量的10％掺入粘稠剂。
3）喷射作业分段、分片由下向上依次分层进行，每段长度为3m。为加快混凝土强度的增长速度及提高混凝土的喷射效果，用多盏封闭式碘钨灯提高作业环境温度。
4）喷头喷射方向与岩面偏角小于10°，夹角为45°；喷头至受喷面距离在0.6m-1.0m之间，喷头呈螺旋形均匀缓慢移动，一般绕圈直径在0.4m为宜。
5.5监控量测
初期支护完成后，在拱顶、拱脚及边墙的顶面标高处埋设测点进行拱顶下沉和水平收敛量测。测试元件用Φ12圆钢加工而成，每根元件长25cm，锚入初期支护体20cm，外露5cm，以防震动影响量测结果。量测点每隔5m布设1组。量测频率开始6h观测1次，然后根据变形量的减小而减小量测频率，即12h、24h、48h、72h、168h，根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等，便于指导施工，确保施工
安全。
5.6全断面炭质板岩破碎带隧洞施中应注意的问题
1）开挖时，严格按“预留核心土、分部开挖、及时安装拱架”的原则进行。
2）开挖面及时封闭的问题：在软弱围岩中，开挖面及时封闭是成功的关键，许多工程实践都充分证明了这一点。在任何情况下，使隧洞在最短时间内封闭，是极为重要的，因此，必须尽可能简化一次支护施工工序，并作好支护前的一切准备工作，缩短围岩暴露时间，这一点在土质地质带开挖中尤为重要。
3）隧洞塌方施工中，水的处理是一个重要环节，应通过“截、排、引”等多种手段将地表水和围岩水引排至施工区以外，为围岩的稳定创造有利条件。
4）应及时组织人员，配备足够的设备和材料快速通过塌方地段。
参考文献
[1]谢云发.论土砂层进洞施工技术研究.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词全断面；炭质板岩；破碎带；隧洞；施工技术
中图分类号U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)091-0138-02
近年来，随着开挖技术的不断进步及工程设计中的实际需要，特殊地质段隧洞为越来越多的工程所采用。对于各类围岩的隧洞施工，目前已有相当成熟的理论、经验，但全断面炭质板岩隧洞施工方法还在不断探索中。笔者结合某水电站引水隧洞大塌方处理的成功经验，对全断面炭质板岩破碎带开挖支护及变形处理施工技术进行了初步研究和探讨。
1概述
某水电站引水隧洞上游段为弱V类围岩，岩性为炭质板岩，断层带宽约1.0m-1.5m，组成物质为糜棱岩，地下水较发育，断层附近出现股状涌水。受断层及裂隙切割影响，围岩破碎，开挖中出现塌方和局部
变形。
2发生塌方及变形的原因
在引水隧洞开挖中，K0+256-K0+365段全断面出现炭质板岩，岩石完整系数小，并伴有大量渗水。K0+256-K0+276段拱顶出现大塌方，根据已揭露岩石情况显示，塌方段岩层产状为N35°-40°W/SW40°-55°。K0+276-K0+315段，多处喷射混凝土从工字钢上脱落，工字钢扭曲变形厉害，钢拱架侵入永久支护净空，并处于变形发展状态，地下水丰富，渗水量大。
3塌方段处理施工技术
3.1处理过程
第一步：重新喷砼10cm，对初期支护喷射砼进行补强。
第二步：对K0+266-K0+276段，逐品打对口撑，并布量测点。示意图如图1。
第三步：对K0+256-K0+276段，径向注浆，采用Φ48的小导管，长度4m，按1.0m×1.0m梅花型布置。注完浆后，使浆液在钢拱架周围3.5m范围内形成一个人工加强拱。
第四步：在K0+256处，钢拱架拱部160°范围内施作超前小导管，小导管采用Φ48的钢管，长度4m，外插角30°，小导管间距30cm。然后在塌方体上面施作小导管，塌方体小导管按2m×2m梅花型布置。钢拱架采用I20a的工字钢，间距50cm。
第五步：封闭撑子面，进行超前预注浆和塌方体注浆，浆液水灰比按0.5:1。
第六步：塌方段开挖时，先开挖第一步，等开挖过塌方体2m后，依次开挖第二、三步。
3.2施工注意事项
1）在开挖塌方段前，一定要经量测认定围岩稳定后才能开挖。
2）每开挖二榀拱架施作一排超前小导管，进行一次超前预注浆。
3）开挖第二步和第三步时，一定要左右交替进行。每次开挖不得超过二榀拱架。
4）对口撑的位置和高度以不影响开挖台架进出为准。
5）分步开挖高度，可以根据现场围岩情况调整。
4变形段处理施工技术
1）对K0+276-K0+315段在开挖底板以上4.5m高的位置，加对口撑，施工方法同K0+266-K0+276段。
2）对K0+276-K0+315段拱腰线以上全面进行固结注浆处理，形成砼壳体抵御上部围岩压力。该段打设注浆小导管，导管采用Φ48mm的花管，长度为4m，按1.0m×1.0m梅花型布置。
3）灌浆压力控制1.0MPa-2.0MPa之间，水灰比采用1:1，并根据现场灌浆实际情况进行调整。
4）对该段全面进行断面复测，等灌浆凝结到一定强度后对已经变形的钢支撑进行置换，钢支撑置换施工必须制定方案，采取措施确保施工安全。
5）加强围岩变形监测。量测频率开始6h观测1次，然后根据变形量的减小而减小量测频率，即12h、24h、48h、72h、168h，根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等，便于指导施工，确保施工安全。量测点每隔5m布设1组。
6）实时对变形监测结果进行分析，对于围岩不稳定的洞段采取预固结灌浆加固、钢管灌浆锚杆加固和混凝土衬砌加固等方法及早加固并持续进行安全监测。
7）灌浆处理完成后，继续对该段进行变形观测（利用收敛计），为是否进行砼衬砌提供决策依据。
5全断面炭质板岩破碎带开挖及支护技术
5.1开挖方案
引水隧洞K0+315-K0+365段围岩属于全断面炭质板岩破碎带，围岩自身稳定性差，在侧压力作用下，易出现顶拱及边墙坍塌问题。开挖时分为上、下两个坑道进行开挖，上坑道开挖采用预留核心土，掏出一个环形槽，进尺50cm后，把制作好的拱架顶部及时放置在开挖面；用人工在边墙开挖一个能放置拱脚的槽；把拱脚及时安装并和顶拱用螺丝连接好；再开挖和连接另一侧拱脚，这样一榀拱架就安装完成了。进行钢支撑加固，安装锁脚锚杆及连接钢筋，每个接头处锁脚锚杆为4根Φ25，L=3.0m钢筋，连接钢筋为Φ25@0.8m×1.0m，然后安装Φ8@20cm×20cm的钢筋网，并喷C20砼，厚25cm。再按照此方法隔50cm安装下一榀拱架。钢拱架安装时应预留2cm-5cm的变形量。
5.2超前小导管施工
1）工艺原理。在破碎松散岩体中超前钻孔，打入小导管并压注具有胶凝性质的浆液，浆液在注浆压力的作用下呈脉状快速渗入破碎松散岩体中，并将其中的空气、水分排出，使松散破碎体胶结、胶化，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆胶为骨架的固结体，从而提高围岩的整体性、抗渗性和稳定性；使超前小管棚与固结体形成一个具有一定强度的壳体，在壳体的保护下进行开挖支护施工。
2）小导管及注浆设计。顶拱范围内布设一排超前注浆小导管，小导管直径为φ48，L=4m，小导管环向间距20cm，纵向间距2.5m。并要求超前小导管尽可能精细施工，外插角度5°-7°，外露端与钢支撑爆接牢靠，形成拱圈受力。压注1:1水泥浆液，采用P.O42.5水泥，浆液中掺水泥用量3％-5％的水玻璃，以缩短浆液的胶化固结时间，控制浆液的扩散范围。
3）施工要点。①小导管加工4m/根的Φ48mm小钢管一端加工成尖锥形，距另一端100cm的位置开始至尖锥端之间按梅花型间距为20cm布设Φ8mm的孔眼4排，以利于小导管推进和浆液渗入破碎岩体。②小导管安设，如：岩体松软，采用YT-28型风动凿岩机直接推送，如：遇夹有坚硬岩石处，先用YT-28型风动凿岩机钻眼成孔后再推进就位。③在施作小导管前应注意：第一，喷3cm-5cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙，为注浆作好准备工作；第二，准确测量隧洞中心线和高程，并按设计标出小导管的位置，误差±15mm；第三，用线绳定出隧洞中心面，随时用钢尺检查钻孔或推进小导管的方向，以控制外插角达到设计的标准；第四，施工顺序为从两侧拱腰向拱顶进行，为提前注浆留好作业空间。④注浆。为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序从两侧拱脚向拱顶。由于岩体孔隙不均匀，考虑风镐环形开挖的方便，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力，采取注浆终压（0.8MPa-1.2MPa）和注浆量双控注浆质量，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。通过现场试验确定拱脚终压为1.2MPa，拱腰范围为1.0MPa，拱顶为0.8MPa。注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，又达到控制注浆量的
目的。
5.3挂钢筋
钢筋网片采用Φ8圆钢，除锈处理后按设计加工成网格为20cm×20cm的网片。挂设时网片必须随受喷面的起伏铺设，与受喷面间留3cm作为保护层，网片与系统锚杆焊接牢固，确保喷射混凝土时不
移动。
5.4喷射混凝土
开挖后为缩短围岩的暴露时间，防止围岩进一步风化，必须先初喷混凝土3-5cm厚再封闭围岩；待钢拱架及钢筋网安设好后，再喷混凝土10cm-12cm。最后在下一循环喷射混凝土时分两次喷射至设计
厚度。
1）采用掺STC型粘稠剂半湿式喷射混凝土工艺，减小洞内粉尘污染及回弹量。
2）喷射前用高压风将岩壁面的粉尘和杂物吹干净，水泥、粗、细骨料加少量水，用搅拌机干拌，水量按水灰比配制混凝土应加入水总量的20％；拌好后将干料运至喷射作业点再进行人工拌和，并按水泥用量的10％掺入粘稠剂。
3）喷射作业分段、分片由下向上依次分层进行，每段长度为3m。为加快混凝土强度的增长速度及提高混凝土的喷射效果，用多盏封闭式碘钨灯提高作业环境温度。
4）喷头喷射方向与岩面偏角小于10°，夹角为45°；喷头至受喷面距离在0.6m-1.0m之间，喷头呈螺旋形均匀缓慢移动，一般绕圈直径在0.4m为宜。
5.5监控量测
初期支护完成后，在拱顶、拱脚及边墙的顶面标高处埋设测点进行拱顶下沉和水平收敛量测。测试元件用Φ12圆钢加工而成，每根元件长25cm，锚入初期支护体20cm，外露5cm，以防震动影响量测结果。量测点每隔5m布设1组。量测频率开始6h观测1次，然后根据变形量的减小而减小量测频率，即12h、24h、48h、72h、168h，根据量测结果及时调整工序及预留变形量、开挖进尺等，便于指导施工，确保施工
安全。
5.6全断面炭质板岩破碎带隧洞施中应注意的问题
1）开挖时，严格按“预留核心土、分部开挖、及时安装拱架”的原则进行。
2）开挖面及时封闭的问题：在软弱围岩中，开挖面及时封闭是成功的关键，许多工程实践都充分证明了这一点。在任何情况下，使隧洞在最短时间内封闭，是极为重要的，因此，必须尽可能简化一次支护施工工序，并作好支护前的一切准备工作，缩短围岩暴露时间，这一点在土质地质带开挖中尤为重要。
3）隧洞塌方施工中，水的处理是一个重要环节，应通过“截、排、引”等多种手段将地表水和围岩水引排至施工区以外，为围岩的稳定创造有利条件。
4）应及时组织人员，配备足够的设备和材料快速通过塌方地段。
参考文献
[1]谢云发.论土砂层进洞施工技术研究.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文