四川省汉源建筑总公司 四川省雅安市汉源县 625300
摘要：在地质条件较复杂的干热河谷区进行水利水电工程建设及病害整治，使用隧洞工程在软弱地层中施工，总结了二十余年的成功施工方法和经验教训，对今后在同类地层中施工有普遍的参考意义。
关键词：小断面输水输洞；软弱地层；水利水电工程；施工方法与经验
水利水电工程受暴雨、泥石流、滑破袭击，病害较严重。近年来，对一些滑坡地段，多采用隧洞方案进行整治。根据笔者二十余年参加勘察设计并参与施工大小隧洞十多个，累计长度一万多米，有三分之一的隧洞进、出口在软弱的第四系古岸坡山麓坡积层或河湖相地层中（Q1）通过，有少量在强风化地层中，这些隧洞95%均取得了成功。
总结其经验，关键是在软弱地层及破碎岩层中施工方法正确与否。施工方法正确将大大缩短工期，降低成本，否则半成数倍增加投资，甚至改变批准施工轴线方案，导致失败。现将在软弱地层中的施工方法与经验教训作一简要小结行成本文，供读者参考。
1.适用施工地层条件和隧洞规格
本文所述的施工地层条件是专门指经初步设计地质勘察确定能成洞的软弱地层，指第四系下更新统（Q1）、中更新统（Q2）山麓坡积块、碎石亚粘土，粘土或河湖相半固结厚层砂岩，粉砂岩、粘土岩韵律层，个别有中更新统阶地堆咱们砂卵石层。岩土呈密实状，颗粒骨架结构或层状构造，fk值在2.5-4之间。水文地质条件简单，易于傍山排泄。一般单掌子面掘进稳定流，在3升/秒内（上部稻田或其它人为因素除外），局部滞流潜水带初次切穿可涌水在15升/秒。但经一段时间导流后会减小稳定下来。隧洞设计断面小于10平米，用常规风钻凿岩爆破，人工或小型机械出碴，轨道运输。
2.施工方法
2.1 全断面开挖
1）边开挖边衬砌
该方法适用于所处位置在地下潜水位以上，地层干燥或稍湿，无地下滞留水渗滴。具体操作为开挖和衬砌连续作业，一次成型，一般用手工开挖，必要时可用松动炮。但具体炮眼位置、数量、装药量必须对地层进行充分研究使用，开挖长度多少才衬砌视稳定状况确定，但应控制中6米以内。该方法在隧洞挂口后均成功使用。
2）临时支撑法（紧跟支护）
当断面开挖进入潜水面，有地下水参与时或遇地层松软掉块时使用，其操作方法为开挖与临时支撑、衬砌平行作业，每开挖30-70厘米及时支护，并根据岩压和侧墙稳定状况采用劈柴封壁，当顶部较空时，应及时回填，以免掉块毁箱。开挖与支护多少，视压力情况而定衬砌的长度，但必须及时按水工设计进行衬砌。该方法注意事项：①施工测量必须每班紧密配合，保证轴线和衬砌净断面空间；临时支撑木必须在衬砌断面之外，坑木脚应低于开挖高程5-10厘米；②临时支撑外空间必须回填紧密，衬砌必须按设计要求材料回填和施工。该方法在水利工程隧洞施工软地层普遍采用。
3）超前支护法
当隧洞开挖断面宽度在2.5-3米以上，有地下水参与，有一定顶压产生掉块，而侧压小时使用。具体开挖有操作方法同临时支撑法，所不同的是掌子面开挖成向洞口方向约45-55度的斜面，每架一担坑木后，进行密集劈柴超前支护。顶部劈柴选用直径5-8厘米或更大，前端削成锥形打入掌子面未经松动的土中，第二次开挖待第二担坑木装好后进行第二轮的超前，如此往复循环作业前进。
该方法的注意事项：①每一担箱应在衬砌净断面以上，并预留劈柴位置，第二次低下来不得低于衬砌净断面，空间，第三次又高上去；②当土体松软或呈稀泥状，顶劈柴应选用质坚韧的板方材，厚5厘米，宽8-10厘米，且每根之间不留空间；③当冒顶段在2-3米内，土体松软可用钢钎或较大有刚性的材料作超前支护。该方法在隧洞软地层中广泛使用。
2.2 分部开挖法
分部开挖法是当地层土体遇水，全断面开挖产生拱顶稳定差，易掉块或冒顶时采用。其支护方法同超前支护法不同之处是开挖采用分部进行，该方法基本是大断面施工中的分部开挖在小断面隧洞中的灵活运用。具体操作方法是先在两侧开挖出临时支撑立柱部位，按间距放好立柱，再开挖顶横担土体，放好横担，开挖出超前支护劈柴位置，再开挖中部土体。该方法速度较慢，但能保证隧洞顺利成洞。
3.隧洞施工中的冒顶跨塌事故处理
在水利水电建设隧洞施工中，遇到多起塌方冒顶事故，但由于进行了正确的指导施工，使工程均按设计顺利建成。以下将简易塌方冒顶事故处理方法归纳如下：
3.1 清障法
清障法就是直接从掌子面清理出塌方冒顶岩土。该方法适于强风化的岩石地段或土体较密实，岩层或土体具一定稳定性，虽然冒顶，但冒顶后形成新的自然平衡，或呈间歇性的坍塌，冒顶空间不大，清理后即可支撑或直接衬砌。采用此法必须注意：①冒顶后对冒顶岩土有充分的认识；②支撑或衬砌必须密实回填侧墙拱顶，采取防冲击措施。
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3.2 “架桥法”
该方法适用于清障后，掌子面上能看清空腔，冒顶物与隧洞呈斜面堆积，空腔具一定高度（3-5米），呈间歇性掉块，堆积土体能承受一定压力（含较多碎石或能看到未松动原土层），无地下水或有地下渗流，当能看到空腔后，利用稳定间歇，用具一定承压能力木料封顶，立即采用前述超前支护法进行清理，并及时衬砌（中间可能有1-2次连续封顶操作。）该方法的原功能理是利用衬砌拱顶及冒顶堆积物起临时支撑作用而连续操作成洞。
3.3 “架桥”——空腔填塞法
该方法适用于多次清障，多次垮塌，上部已形成较大的空腔且空腔已处于暂时稳定状态，隧洞作永久衬砌（或临时支撑）距掌子面在5米以内。先进行“架桥”再填塞减冲击而渡过事故段的方法。根据事故段所处的地形地貌条件，又可分为直接“架桥”和间接“架桥”两种。
1）直接“架桥”一填塞法
即从掌子面可直接进入空腔“架桥”，并作上部填塞。
2）间接“架桥”一填塞法，又可分为洞内导洞“架桥”和洞外异洞“架桥”两种。
①洞内导洞“架桥”：当施工冒顶段埋深较大，为处理事故段，在已衬砌稳定地段破一壁，开挖一较小的人行、材料运输导洞进入空腔（导洞视具体情况，必要时要临时支撑），先用刚柔适宜材料“架桥”，（如果材料计算承力不够，可用“#”字型多层架设），作填塞后减轻上部荷载，再下面用清障法渡过事故地段。清障中，应特别视压力情况，采用临时支撑及时衬砌。
②洞外导洞“架桥”：故名实义，是在施工隧洞地表开挖人行、运输通道进入垮塌空腔进行事故处理。该方法适用条件为事故段为傍山隧道，且距地表在合理的距离内，或上部地形较缓，但附近有深切割的沟谷已接近垮塌腔高度。在使用方法时，必须充分估计垮塌空腔形态，进行空腔及已出、填的土体量。空腔边坡理论试算，进行精确测量定位，再实施设计和经济论证，然后实施。实施前作好一切准备，估计各种不利因素，随时修正补充。
3.4 绕道法
在冒顶垮塌事故段已无法开挖，经经济论证合算，地层条件又允许，不影响水流条件时，报废设计轴线方向，绕道通过事故地段的方法。值得指出的是，该方法是不得已而彩，必须充分论证绕道能成功且经济又合理时使用，如果地层条件不允许或不清，盲目使用，一旦失败，将带来更大的事故甚至使隧洞报废。
3.5 板桩掘进法
当冒顶事故段为较均一的粘土层，粘性强而软，地下水较小时采用，其方法同全断面开控超前支护法。但所采用的支撑劈柴为板方材，宽5-10厘米厚5厘米以上，一头削成锥状，一头用铅丝捆扎，用锤打入呈密集衬护，再掏土往复架箱通过事故地段是能成功的。
3.6 排水法
当垮塌事故段地下水较大时采用。有平行排水和单头排水两种。平行排水是在开挖前已预料洞内地下水丰富，必须进行先排水减压的施工方法，即与设计隧洞开挖高程低一些的部位打一较小断面的超前排水导洞，让施工隧洞顺利开挖，该方法事前作充分的勘探，计算水量、查清地下水状态，成本较高，单头排水是隧洞含水层在进口端，出口端为基岩，外部排泄条件又不好，隧洞底坡较陡，对水文地质条件认识清楚的情况下是能成功的。
4.经验与教训
4.1 隧洞施工是在常规地质勘察设计的基础上开挖，具有成洞先决条件，要综合运用各类施工方法与事故处理原则，只有不断的研究洞内土体，及时、果断判断应用，方能取得理想的效果。
4.2 隧洞施工是在地下进行，原生的岩土经人工开挖后，稳定性是暂时的，超过稳定期，即产生掉块冒顶现象，因此，开挖过程中，必须随时进行必要的支撑和永久衬护。产生冒顶事故后，对事故处理中的每一个环节必须有充分的预料和准备，方法选择要当，材料组织充分，人员调配分工合理，不放过任何一个细小环节连续作业，才能成功。从二十余年的施工经验看，绝大部分事故是可以避免的，造成事故的直接原因是施工思想麻痹，组织不合理，方法不当，不连续施工所造成的。
1）隧洞进口端施工至地下潜水位以下后，遇水局部掉块，未准备坑木或备料不足，容易造成冒顶事故。
2）隧洞坑木支撑过稀或临时支撑立柱未留够衬砌断面拆箱进行永久衬砌时造成冒顶，特别是隧洞出口端基岩开挖完进入密实纯粘土层，放炮施工形成一组密集顺洞轴方向挤压隐闭裂面，支撑坑木过稀超过稳定期还未作永久衬砌，侧压、顶压增加摧毁临时支撑容易形成垮塌事故段。
3）未作紧跟支护而采用边开挖边衬砌方法，已开挖掌子面与衬砌段有预留空间，造成较大事故，甚至造成严重人员伤亡。
4）垮塌空腔封顶后，其下部掏挖未作临时支撑，直接掏空作永久衬砌，空间大，超过稳定期导致冒顶处理失败。如果隧洞冒顶事故段在Q1河湖相沉积层与山麓坡积粘土层按触带上并有较大地下水，垮塌腔用直接“架桥”法封顶已成功，但下部掏土时未使用临时支撑再作永久衬砌的二次法，而是直接掏土成洞，再衬砌，导致上部压力增大，前方又不能支撑“架桥”钢管，未衬砌完即压塌下来，超过了衬砌净断面使隧洞不得不改变设计轴线。
5.总结
本文为作者二十余年小型隧洞在软地层中施工的经验与教训总结，只限个人认识，不同看法难免，欢迎商榷，如能对遇到同类地层施工的同志有所启迪，正是本文的出发点。
参考文献：
[1]倪小东，王媛，陆宇光.隧洞开挖过程中渗透破坏细观机制研究[J].岩石力学与工程学报.2010（S2）
[2]王媛，陆宇光，倪小东，李冬田.深埋隧洞开挖过程中突水与突泥的机理研究[J].水利学报.2011（05）
论文作者:李银刚
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/30
标签：隧洞论文; 方法论文; 断面论文; 空腔论文; 地层论文; 事故论文; 坑木论文; 《基层建设》2016年5期论文;