水利水电项目具有无污染、收益广的特点，发展态势良好，而水工隧道占其中的比例较大，隧道一般是项目的控制性工程，其工期直接决定项目的总工期，快速施工是方法。
摘要：结合具体的工程实例，针对富水凝灰岩小断面水工隧洞的超欠挖、塌方、支护形式、止水等常见病害及处理方法进行分析和研究。结论证实，引排水、快速封闭、强支护是开挖富水凝灰岩隧洞的关键。
关键词：富水；凝灰岩；快速封闭
引言
凝灰岩属于火山碎屑岩，火山碎屑物质组成颗粒直径小于2mm，比例为50%，凝灰岩的主要成分是火山灰，比较疏松或致密，这样的层里的称为层凝灰岩。根据其含有的火山碎屑成分，可以分为：玻屑凝灰岩、岩屑凝灰岩、晶屑凝灰岩。凝灰岩特性为细粒之火山碎屑沉积物，由火山喷出之灰、砂胶结而成。其中岩屑凝灰岩具有遇水易坍塌的特性，故对岩屑凝灰岩隧道施工的要求及难度比较大。
1.工程概况
某水利隧道位于长白山脉，其中大部分岩层为岩屑凝灰岩，施工过程中出现涌水，涌水量为40m³/h，且为有压水；掌子面出现坍塌现象，拱顶坍塌高度为3米，岩层及不稳定；并且此隧道断面为10㎡，属于小断面隧道，大型机械很难进入施工，一般适用于大断面隧道的处理方法在此很难实施。
2.涌水处理
因为掌子面围岩比较破碎不稳定，岩层暴露后容易变性风化，围岩的强度降低，围岩自稳能力变弱，有压水比较容易渗透。涌水补给有两个方面：1）地表水通过断层处进入隧道。2）断层间沟壑、溶槽等。可通过超前地质预报来进行提前探测。
2.1超前地质预报
针对涌水需要采取的超前地质预报主要分为两种方法：钻探法和物探法。其中钻探法采用水平地质钻机，在掌子面选择3个点进行钻孔，例如采用TKL-100型钻机可以在4个小时内钻孔50米，利用超前钻探可以非常直观的观测到地质情况及是否有涌水。物探法主要有红外探水、地震波法。红外探水的作用：①.探测地下温度的变化；②.判断地下水带、水体等位置；地震波法包括折射波法、反射波法、散射波法。
折射波法：①.根据波形判断围岩级别；②.纵波值的测定
反射波法：①.划分地层界线；②.探测断层带；③.探测空洞；④.测定含水层分布
散射波法：①.划分地层界线；②.探测隐伏断层、破碎带；③.探测地下洞穴
2.2处理方法
针对此种围岩一般采取超前小导管注浆方案，注浆液一般采取水玻璃和水泥浆混合液，以水玻璃模数M=2.8-3.1，水玻璃溶液浓度Be’=35-40，水泥浆水灰比W/C=0.75：1-1.0：1，水泥浆：水玻璃=1：0.5-1：1.0，注浆压强为0.6-3.5MPa，浆液扩撒半径为0.5-1.3m。
3.爆破开挖
3.1爆破参数的选择
凝灰岩隧道开挖及支护要本着“短进尺、弱爆破、速封闭”的原则进行施工，采用钻眼爆破法施工，多台气腿式凿岩机打眼，光面爆破，耙装机出渣的方法施工。此种围岩稳定性较差，应采用欲裂爆破的开挖方法。
当开挖工作面爆破时，周边眼采用爆速、猛度、密度低、高爆力炸药。孔深大于2.5米时，内圈炮眼与周边眼的斜率相同。具体实验方法和参数如下
一、掏槽方式：楔形掏槽法
二、炸药、雷管：使用岩石乳化炸药、毫秒电雷管（表3-1）。
三、装药结构：反向装药。
四、起爆方式：使用MFd-100型发爆器全断面大串联一次起爆。
五、炮眼布置图：如图3-1
试炮用的爆破参数如下设置 表3-1
注释：1、炮眼深度1-2.5m。
2、炮眼直径40-50mm，药卷直径20-25mm。
3、装药集中度适用于岩石乳化炸药。
炮眼布置图3-1
注释1：掏槽眼、2：辅助眼、3：底眼：、4：周边眼
断面爆破参数
3.2开挖方法
小断面隧道采取全断面开挖，如有必要可采取台阶法开挖。当爆破后如果发现掌子面不太稳定可采取喷射混凝土的方法，加强稳定，出渣一般采取有轨出渣，降低洞内空气污染。
4.支护
4.1砂浆锚杆
⑴锚杆及砂浆等原材料经检验合格后才能投入使用。
⑵锚杆直径、长度、材质和锚孔的孔深、孔斜、孔径、间距均严格按设计要求控制。
⑶锚杆注浆采用专用注浆设备，注浆前用水润滑注浆机管路，检查注浆器工作状态。砂浆要搅拌均，不能混入石块等杂物，即拌即用，水泥浆初凝前要全部使用完。
⑷砂浆锚杆要先进行孔内注浆，注浆完毕后再插入锚杆，安装后必须保证孔内砂浆饱满，孔口采取止浆塞止浆。
4.2喷射混凝土
⑴在喷射前做好准备工作：把开挖面的浮石、墙脚的石渣和堆积物清理干净；安设工作平台；岩面采取用高压水枪冲洗或者采用高压风清扫；埋设喷射混凝土厚度控制桩。
⑵现场喷射混凝土的施工配合比必须按照质检单位通过试验所得配合比，不得擅自更改。
⑶当遇到涌水地段时采取以下措施：当涌水不多时，在涌水处埋设导管排水，导水性差的岩石可以采用盲沟、导水槽进行排水，大面积滴水处可以设置防水板挡水；当地下水的流量较大时可以埋设导流管来进行引导，喷射混凝土应该在保证施工准备完毕的情况下再进行施工。
4.3钢拱架（格栅）
⑴钢拱架（格栅）的原材料符合设计及规范要求。安装前检查钢拱架（格栅）制作的质量满足设计要求。
⑵每榀钢拱架（格栅）通过纵向连接件连接成整体，并与锚杆头焊接，拱架施工完成后要按设计施工锁脚锚杆，然后喷射混凝土，覆盖后最少4h后方可进行爆破作业。
初期支护能迅速控制或限制围岩松驰变形，充分发挥围岩自身承载能力，是“新奥法”施工的重要环节。
4.4超前小导管施工：一般拱顶范围内采用直径为42的钢花管，长度一般为3米，钢管前端1.5米范围内梅花状打孔，孔距为30-50cm，钢管末端止浆塞堵孔。
5、监控量测
5.1地质状态、支护状态观察
掌子面的状态和已支护状态观察，随时在每个开挖面进行，每天至少进行一次。在围岩完整性不好的条件下，出渣完毕后需进行地质素描，以地质素描图的形式展现。在观察中若出现塌方、涌水等不正常现象，现场看护人员应立即撤出洞外，通知施工负责人采取必要的处理措施。
①无支护围岩的观测
涌水的部位，涌水量大小，是否为有压水等。
掌子面是否稳定，边墙和顶板是否掉块、坍塌现象。
②对开挖后已支护地段围岩动态的观测：
检查锚杆状态，是否被拉断或者有位移现象。
喷混凝土是否开裂，脱落等现象。
③围岩危险征兆形态分析：
危险性较小，不会发生大面积破坏。采取临时支护措施后可以保证安全的情况。
危险性较大。如喷射混凝土产生裂缝的情况。
5.2围岩压力监测
①测点布设：围岩压力的量测是测量围岩与拱架间的接触压力。其测点按有代表性地段一个断面确定，为了全面了解支护背后的压力情况，该项量测在横断面上布置较多的测点，一般每断面布置5～7个测点，测点布设于支护的关键受力部位（按三点法布置）。采用钢架地段，把压力盒安装在围岩与拱架之间。
②监测方案：采用预埋设的频率接收仪、土压力计及电阻应变仪进行监控量测。
根据监测计划，定期监控量测，绘制压力曲线，通过计算取得石压力值，根据计算结果调整支护参数等。
5.3拱顶下沉量测
①测点布设：在喷锚时，按纵向间距15m～60m一个断面设1～3对测点。
②监测方案：拱顶下沉量测，采用精密水平仪，水准尺等仪器，按期定时量测，通过数据了解围岩的下沉、位移等变化情况。
拱顶下沉量测结果，最能直观反映施工安全程度，它是最重要的量测监控项目之一。拱顶绘制下沉回归曲线，通过计算结果调整支护参数。
5.4水平收敛量测
①测点布设：洞内净空水平收敛测点，按纵向间距15m～60m布置一个断面，每断面布设两个测点。测点布设断面与拱顶下沉测点断面相一致（二者处于同一断面上）。测点要在喷射混凝土前及时埋设。
②监测方案：采用收敛定时量测，记录数据，了解围岩收敛状态。通过记录的数据绘制水平收敛－时间曲线，了解围岩变化情况，计算最终位移值。
5.5锚杆抗拔监测
①测点布设：锚杆抗拔力监测仅在必要时进行。测点布置在隧道拱顶、左右拱腰、左右墙中位置处，共设五个监测断面，锚杆内力测点15个，锚杆抗拔力测点15个，对锚杆抗拔力进行测试。
②监测方案：锚杆抗拔力采用锚杆测力计进行量测。在隧道锚杆施作并达到规定时间后，及时进行量测。通过实测值与锚杆设计抗拔力的对比，掌握锚杆的施工质量，对锚杆施工起信息反馈和指导作用。
5.6测量结果的处理与应用
①依据现场量测的数据结果，绘制时态曲线和空间关系曲线。
②对初期的时态曲线进行数据处理，回归分析，计算位移量，了解位移的变化规律。并与隧道设计规范的洞室允许变形值进行比较。
③在开挖面通过量测断面前后的1～2m以外，当位移-时间曲线出现反弯点时，表明围岩出现危险性征兆，此时增加量测频率，安排专人监视围岩变化状态，如有特殊情况可以暂停开挖，制定专业的处理方案。
④根据开挖面的状态，净空水平收敛值，拱顶下沉量及地表下沉量的大小和速率综合判断围岩及支护的稳定性，并及时反馈于施工中。
结语
由于隧道施工具有极大的不确定性，很难对各种地质条件等作出准确的判断，所以在施工时要严格按照施工步骤、技术参数等施工。本文针对富水凝灰岩小断面隧道容易出现的问题进行系统的分析，结合工程实例，阐述施工方法及处理问题方法，为类似的隧道工程提供参考。
参考文献：
[1]徐庆.软弱土层开挖施工方法的研究.南昌大学2015.12.05。
[2]温定煜. 软岩隧道施工技术方法.山西水利科技2010.04.25。
论文作者:刘建
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/1
标签：围岩论文; 凝灰岩论文; 断面论文; 隧道论文; 拱顶论文; 量测论文; 锚杆论文; 《基层建设》2018年第36期论文;