1 工程概况

　　甘肃省引洮供水一期工程总干渠下段9座总长12.96km隧洞穿越黄土低山丘陵区第四系黄土状土及饱水粉质壤土地层，属软～极软Ⅴ类围岩，其中3座总长6.96km隧洞围岩主要为第四系饱水黄土，单洞最长4.65km，地下水丰富，开挖掘进后土体中有重力水析出，工程地质环境恶劣，属极不稳定的Ⅴ类特殊围岩。为适应极差的围岩工程地质条件，隧洞设计采用三心圆拱曲墙反拱底板类马蹄形断面形式，一次喷混凝土、系统锚杆、钢筋网、钢拱架、管棚支护体系，二次模筑钢筋混凝土衬砌的复合式支护衬砌结构，典型支护衬砌设计横断面如图1所示。

　　地下水位高、含水率大、围岩自稳性差的洞段，采用超前管棚法施工，小导管管棚采用42mm普通钢管，长3.0～5.0m，按洞身环向间距200.0～300.0mm、纵向每3～5榀钢拱架架设1排，以外倾角5.0°～10.0°布设于洞身顶拱180°范围，后端支撑于钢拱架工字钢腹板中部开孔中。

　　隧洞按照预支护、短进尺、多循环、快封闭、重支护、强排水、勤量测、紧衬砌的基本原则进行施工，一次支护紧跟开挖掘进掌子面，并尽可能减轻对围岩的扰动。施工过程中依据开挖掘进揭示的围岩状况以及监控量测分析成果，及时调整一次支护技术参数。洞身围岩预留变形量及周边允许位移相对值依据监控量测分析成果进行调整。

　　图1 隧洞典型支护衬砌设计横断面 

　　2 饱水黄土工程地质特性

　　饱水黄土隧洞围岩以第四系褐黄色可塑～硬塑状重粉质壤土和粉质黏土为主，夹薄层或透镜软塑状杂色粉质壤土、砂壤土及粉细砂层，结构中密～密实，性状差异大。饱水黄土围岩主要物理力学指标为黏聚力10.0～18.0kPa，均值16.0kPa;内摩擦角10.0°～17.0°，均值13.0°;变形模量6.25～14.92MPa，均值13.2MPa;泊松比0.3;侧压力系数0.43;坚固系数0.3～0.4，初期自然形成的塌落拱高度3.0～3.5m。

　　地下水位高于洞顶4.0～37.0m，洞身位于地下水位以下，围岩受长期浸润作用，呈饱和状态，属极不稳定的Ⅴ类围岩。地下水主要赋存于夹层中，构成疏松持水土体，有自由重力水渗出，重粉质壤土和粉质黏土构成相对隔水层，洞壁有线状及面状水流渗，极易形成流土。当隧洞围岩以可塑～硬塑状重粉质壤土及粉质黏土为主，软塑状土夹层少而薄时，开挖掘进后有短暂的自稳能力，较长时间暴露将发生较大规模的掉块、塌落，侧顶拱发生剥落、滑塌，洞壁有水滴渗，随岩体暴露时间延续，渗流增大，围岩产生大变形，洞身全断面失稳。当围岩以软流塑状粉质壤土或砂壤土为主，夹硬塑状土时，围岩稳定性极差，毛洞不能自稳，极易坍塌变形，洞壁有线状和面状水流渗出，洞壁产生流土，发生顶拱塌方、边墙滑移、墙脚流土(泥)、底拱鼓胀等大变形破坏，破坏严重时，造成突泥、突水、流土(泥)堵塞断面，大规模塌方冒顶等事故。隧洞穿越的沟道浅埋洞段洞顶围岩主要为松散砂砾石、含砾砂及含砾粉质壤土，且受第四系孔隙潜水影响严重，极易发生大规模塌方冒顶严重事故。

　　3 隧洞施工技术方案

　　3.1 开挖掘进及一次支护

　　主要根据围岩稳定性及含水率，分别采用全断面法、上下台阶法及预留核心土法开挖掘进，小型履带式挖掘机开挖掘进并装渣，人工配合削边，小型农用三轮车运输出渣。喷混凝土、安装钢拱架、挂钢筋网等一次支护系统施工紧跟开挖掘进掌子面，每循环进尺根据围岩含水率大小控制在0.5～1.0m，含水率越大循环进尺越小。根据围岩状况及其变形监控量测数据分析，及时调整一次支护系统与技术参数以及单循环进尺。渗流水和积水洞段设置集水井，及时抽排至洞外，减轻对围岩的侵蚀软化与泥化。

　　3.2 二次衬砌

　　隧洞二次衬砌混凝土洞外拌合站拌制，罐车运输进洞至工作面，底拱人工入仓，侧顶拱泵送入仓。根据特殊的围岩工程地质环境，采用“先底(底拱)后拱(侧顶拱)”顺序实施二次衬砌，先行封闭洞身底拱，有效防止底拱围岩泥化，并避免产生二次衬砌结构反缝。隧洞洞身两侧墙下部先行二次衬砌小边墙典型横断面如图2所示，墙高60.0cm，纵向水平施工缝缝面设置镀锌铁皮止水、插筋及键槽，并凿毛处理，确保前后两期混凝土紧密相接，形成整体。

　　图2 隧洞两侧墙下部先行二次衬砌小边墙典型横断面  

　　隧洞底拱二次衬砌混凝土采用拉模施工，人工配合收面，待凝固3.0～6.0h后，再行采用定型模板及支撑系统施作洞身两侧墙下部小边墙。隧洞洞身侧顶拱二次衬砌采用定型钢模台车施工，附着式振捣器，配合插入式振捣器振捣，钢模台车模筑侧顶拱二次衬砌典型横断面如图3所示。

　　4 隧洞施工工艺优化改进

　　饱水黄土隧洞段开挖掘进施工中围岩含水率达到20.0%～30.0%，当含水率达到20.0%左右时，洞身侧顶拱岩面掉块与塌落现象严重，围岩与一次支护体系变形加剧，钢拱架顶拱下沉，底拱鼓胀变形，先期铺垫的厚5.0cm干硬性混凝土垫层破坏，渗水量增大，呈现“橡皮泥土”状况，隧洞全断面呈现失稳塌方的严重安全风险，对隧洞施工工艺进行了全面优化改进。

　　图3 隧洞钢模台车模筑侧顶拱二次衬砌典型横断面 

　　4.1 预留核心土法开挖掘进

　　调整隧洞开挖掘进方式，由全断面或上下台阶法开挖掘进优化改进为洞身中部预留核心土法开挖掘进。采用全断面或上下台阶法开挖掘进时，掌子面基本处于直立状态，当围岩含水率增大至20.0%左右时，掌子面频繁产生滑动、掉块，墙脚流土(泥)，为此，调整为掌子面中部预留核心土、两侧人工掏槽的方式开挖掘进。预留核心土法需要解决两个问题，侧墙墙脚上部高1.0m左右范围喷混凝土困难，先行安设钢插板防护并阻挡围岩滑塌、掉块，在下循环或下下循环一次支护时补喷;由于无法安装钢拱架底拱，受侧墙围岩变形水平推力影响，钢拱架侧顶拱部分易发生内移变形，影响一次支护整体效果，采用10.0cm×10.0cm方木一端固定于拱脚内侧，另一端固定于预留核心土底脚，固定部分先行设置40.0cm×30.0cm×5.0cm木板，以增大承载面，降低荷载，并用木楔加固，后续随着预留核心土的开挖向前推进，拆除方木及木板，安装钢拱架底拱。隧洞开挖掘进预留核心土法纵横断面如图4所示。

　　4.2 减小施工循环进尺

　　图4 隧洞开挖掘进预留核心法纵横断面  

　　调整隧洞开挖掘进循环进尺，缩短一次支护间隔时间。在地下水的作用下，隧洞洞身稳定性变差，毛洞自稳时间短，极易发生拱顶塌方、边墙滑移等危害施工安全的现象。为确保施工安全，将开挖掘进及一次支护循环进尺由前期1.0m调整为0.5m左右，钢拱架间距控制在0.5m以内，以确保在最短的时间内紧跟开挖掘进掌子面完成一次支护。同时，对发生掉块、片帮的部位，在钢拱架安装后及时安设钢插板支护。

　　4.3 稳固钢拱架

　　增设钢拱架底部垫块，稳固钢拱架整体，预防下沉变形。一次支护施工完成洞段，侧墙底脚处渗水相对集中、渗水量大，土体侵蚀泥化较重，承载力严重降低，钢拱架承载外荷集中于底脚，不设超前管棚的钢拱架承受的外力更大，极易造成钢拱架整体下沉变形，严重影响一次支护成效。为增大钢拱架底部的承载面积，提高承载力，钢拱架底部增设25.0cm×25.0cm×15.0cm的混凝土垫块。

　　4.4 增设盲沟加强排水

　　完善洞内排水系统，有效降低洞内积水，减轻围岩侵蚀软化。当围岩含水率超过20.0%时，前期采用的设置集水井汇流抽排的办法已不能适应，造成洞身底拱被渗水浸泡，影响洞身安全稳定及洞内施工。为此，在设置集水井的基础上，增设纵横向排水盲沟，充分利用盲沟的利水作用将围岩渗水汇集到集水井抽排至洞外。沿底拱全断面纵向增设3道排水盲沟，中部1道、两侧钢拱架底脚附近各1道，纵向间隔3.0～5.0m设置1道横向排水盲沟，盲沟断面尺寸30.0cm×30.0cm，盲沟中填筑粒径30.0～60.0mm鹅卵砾石，中部纵向排水盲沟间隔15.0m左右增设1个集水井，用于汇流抽排，待隧洞二衬混凝土施工完成后，采用混凝土回填封堵。排水盲沟与集水井典型布置及纵横剖面如图5所示。

　　4.5 增厚洞身底拱垫层

　　增厚洞身底拱混凝土垫层，有效防止围岩侵蚀软化，稳固钢拱架，并确保洞内施工交通顺畅。饱水土强度低，极易发生变形并转变为橡皮土。钢拱架底拱埋置于干硬性混凝土垫层内，其底拱被施工通行车辆频繁碾压，导致钢拱架全断面产生振动、连接处松动、整体下沉，带动喷混凝土层产生裂缝，进而影响一次支护系统整体效果。为此，将C20干硬性混凝土垫层厚度增至25.0cm，采用重型机械振动碾压铺筑，钢拱架底拱与干硬性混凝土结合形成整体。垫层上部摊铺砂砾石与土体混合料，碾压形成泥结石路面，洞身横向中部厚30.0cm、两侧厚11.5cm，主要作用为保护垫层不被施工机械、通行车辆碾压破坏，并形成平面，便于施工及车辆通行。

　　4.6 取消系统锚杆及调整超前管棚支护

　　取消系统锚杆，调整超前管棚支护技术参数，增强超前支护。经对锚杆做拉拔试验，当围岩含水率超13.0%时拉拔力开始降低，且随含水率逐渐增大，锚杆拉拔力将大幅降低，证明系统锚杆对饱水黄土围岩的整体支护作用极为有限，故取消一次支护系统锚杆。同时，为有效预防围岩发生塌方，对超前管棚支护技术参数进行调整，长度增至5.0m，环向间距减小至20.0cm，前方向外倾角严格控制在5.0°～10.0°范围内。

　　4.7 增强一次支护体系

　　调整喷混凝土厚度与钢拱架型钢规格，增强一次支护抵抗变形能力。当围岩含水率达到20%以上时，围岩压力增大，一次支护钢拱架极易发生变形，喷混凝土产生鼓胀开裂，I14型钢钢拱架及厚15.0cm喷混凝土，已不能满足支护需要。施工实践中，当围岩含水率达到25.0%时，钢拱架工字钢型钢由I14调整为I16，喷混凝土厚度由15.0cm调整为20.0cm，对抑制围岩变形，提高稳定性作用显著。

　　4.8 增设井点降水措施

　　单洞最长4.65km隧洞穿越2段沟道浅埋洞段，增设井点降水措施，缓解穿越沟道浅埋段施工风险。其中1处沟道浅埋洞段，洞顶埋深15.0m，地层主要为砂砾石、含砾砂及含砾粉质壤土，地下水埋深约7.0m，高于洞顶约8.0m，为防止开挖掘进时发生塌方及冒顶等事故，在长60.0m浅埋洞段范围，于洞轴线两侧沟床上增设23口降水井提前进行降水，为减小洞内渗水，成功穿越沟道浅埋洞段创造条件，以有效降低施工安全风险。

　　另1处沟道浅埋洞段，洞顶埋深24.4m，地层主要为砂砾石及粉质壤土，地下水位高出洞顶13.5m，开挖掘进施工中发生突泥、涌水、涌砂、塌方及冒顶事故。为保证塌方及冒顶事故洞段的安全处理实施及开挖掘进，在长35.0m浅埋洞段范围，围绕塌方体在洞身轴线单侧布设7口降水井进行降水，为处理塌方段及安全开挖掘进通过沟道浅埋洞段提供了可靠安全保障。

　　4.9 增设施工辅助支洞加快进度

　　单洞最长4.65km隧洞施工过程中，为加快施工进度确保工期，增设1座施工辅助平支洞。当开挖掘进施工发生突泥、涌水、涌砂、塌方及冒顶事故时，主洞尚剩余长853.0m洞段未开挖掘进，经补充地质勘察，其中:长113.0m洞段围岩主要为松散砂砾石，地下水位高于洞顶13.5m;其余洞段均为饱水黄土。经多方研究论证，确定增设1座施工辅助平支洞，相应增加2个施工工作面，加快了隧洞工程施工进度，确保了工程建设总工期。

　　5 隧洞大规模塌方冒顶处理

　　单洞最长4.65km隧洞围岩为可塑～硬塑状的重粉质壤土、粉质黏土、软塑状粉质壤土及砂壤土，性状差异大，地下水丰富，在地下水的长期浸润作用下，处于饱和状态，含水率20%～30%，沟床浅埋洞段围岩为水下砂砾石层，结构松散，属极不稳定的Ⅴ类围岩。开挖掘进施工中多次发生突泥、涌水、涌砂、大规模塌方冒顶事故，采取了长大管棚超前支护、地表注浆与洞内加固、地表排水井降水等多种技术措施成功处理。

　　图5 隧洞底拱排水盲沟与集水井典型布置及纵横剖面  

　　5.1 地表注浆及洞内加固措施

　　在隧洞塌方冒顶所产生的地表直径20.0m塌陷坑范围，采取地表注浆对坍塌体进行固结加固处理。注浆加固前，先行将塌陷坑回填至地表，然后在地表进行钻孔注浆作业，洞内掌子面施作混凝土止浆墙，以遏制注浆时浆液外流，并防止注浆压力下土体泥浆随意流动。注浆采用89mm钢花管，垂直地面布设，间距1.0m×1.0m，梅花形布置，注浆管深至隧洞洞身洞底以下，平均长度30.0m，注浆浆液采用水泥浆或水泥-水玻璃双液浆，注浆压力为1.2MPa。

　　考虑已完成开挖掘进洞段一次支护背部因塌方形成空腔，在隧洞洞内对一次支护背部及洞身周边砂砾石地层分别进行充填注浆与深孔固结灌浆，以提高隧洞一次支护体系及围岩稳定性，浆液选用水泥浆，孔深4.0m，灌浆压力为1.5MPa。同时，拆除塌方掌子面后方变形与受损的一次支护，重新实施一次支护，喷射混凝土厚度调整为20cm，并加密钢拱架，以强化一次支护体系，确保安全。

　　5.2 双层长大管棚“管棚注浆法”超前支护措施

　　长大管棚施工作业区洞长80.0m，在原开挖掘进断面基础上径向扩挖0.9m，形成长8.0m的长大管棚施工及注浆作业扩大洞室。扩挖前采用42mm注浆钢花管，先行对洞身周边围岩深3.0m范围进行全断面深孔固结灌浆加固，灌浆孔梅花形布置，排距及间距均为500mm，采用1∶0.5水泥-水玻璃双浆液，灌浆压力为3.0MPa。扩大洞室采用间距60cm的I16重型工字钢钢拱架、挂200mm×200mm钢筋网片，以及喷20cm厚C20混凝土支护。

　　隧洞洞内塌方体清理至前方能够自稳段，掌子面设置混凝土封闭止浆墙，采用双排长大管棚“管棚注浆法”超前支护进行塌方处理。双层超前大管棚采用108mm钢管制作而成，与灌浆形成的固结体及一次支护体系共同构成复合支撑系统，支撑洞身外部塌方体。双层超前大管棚布设于洞身设计开挖掘进断面轮廓线200mm以外，沿洞身周边设置2排，品字形布置，间距为400mm，排距为250mm，内外排径向扩散角分别为1.0°～2.0°与2.0°～4.0°。长大管棚管身采用管壁内、外公母螺丝连接，管身切割直径6mm注浆孔，梅花形布置孔距50cm。塌方区“管棚注浆法”超前支护双排长大管棚纵向及环向布置如图6,7所示。

　　图6 塌方区双排长大管棚纵向布置  

　　图7 塌方区双排长大管棚环向布置  

　　塌方区双排长大管棚超前支护“管棚注浆法”灌浆参数，经试验研究，确定水泥浆和水玻璃双液浆体积比为1∶0.75，水泥浆水灰比为1∶1.0，由水泥和细砂拌制而成，水玻璃选用模数为2.4,35°Bé的浆液。自洞顶分三序孔灌注，注浆压力按不破坏围岩结构为原则，经试验研究，确定一序孔为1.8MPa、二序孔为2.2MPa，三序孔为2.5MPa，灌浆扩散半径>0.5m，单管注浆量4.2m³。洞外地表在塌方区布设7口间距8.0m的降水井排水，洞内沿洞身周边每间隔3个外排大管棚设置1根89mm排水钢花管连续排水，排水管按径向扩散角5.0°布置。

　　6 结语

　　甘肃省引洮供水一期工程总干渠下段3座总长6.96km隧洞主要穿越第四系饱水黄土地层，工程地质环境恶劣，属极不稳定的Ⅴ类特殊极软岩。隧洞施工中，对施工工艺进行了全面优化改进，主要采取预留核心土法开挖掘进、减小开挖掘进与一次支护循环进尺、稳固一次支护钢拱架、洞身底拱设置排水盲沟加强排水、增厚洞身底拱干硬性混凝土垫层、调整超前管棚支护参数增强一次支护体系，以及地表设置降水井降低洞身地下水水位强化排水等诸多工程技术措施，全面有效克服了饱水黄土突泥、突水、大变形、塌方等诸多工程地质灾害，保证了围岩与一次支护体系的稳定以及开挖掘进施工安全。对隧洞大规模塌方冒顶，采取塌方区地表注浆固结塌方体、洞内深孔固结灌浆加固围岩，以及塌方区双排长大管棚“管棚注浆法”超前支护加固围岩等综合工程技术措施。饱水黄土隧洞施工工艺的优化改进技术措施实施效果良好，成功穿越饱水黄土地层，对极软岩隧洞施工具有普遍的借鉴参考价值。