粘土巖洞挖工程的重難點及對策

□劉春雷□劉艷潔劉超華（河南方正水利工程咨詢有限公司；輝縣市水利局；虞城縣江河水利建筑工程有限公司）

粘土巖洞挖工程的重難點及對策

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（1河南方正水利工程咨詢有限公司；2輝縣市水利局；3虞城縣江河水利建筑工程有限公司）

在粘土巖小斷面隧洞開挖施工中，為確保圍巖穩定，采用超前管棚注漿、鎖腳小導管、安裝鋼格柵、焊接聯系筋和內外兩層鋼筋網片進行噴射混凝土施工。根據工程施工作業面多的特點，合理安排施工計劃，優化施工工序，配合高效的人員和開挖設備，有利于關鍵工作的順利進行，希望能夠為今后類似工程建設提供借鑒。

粘土巖；洞挖；重難點；對策

1　前言

該標段有1.40 km為洞挖輸水線路（主要管材為PCCP）的施工鋪裝工程，沿途場區內地勢起伏不平，從隧洞進口門至隧洞出口，高程為 142.30～153.60 m；153.60～131.60 m；131.60～134.50 m。依據地質測繪和勘探成果，勘探深度范圍內按其時代、成因、巖性特征并與鄰區典型地質剖面對比，區內出露地層主要為上第三系河湖相沉積層、第四系中更新統沖洪積層及第四系全新統沖積層。河湖相沉積，巖性為粘土巖。

2　工程特點

工程管線施工在某市區內，工程沿線建筑物較少，穿越的主干道兩條，施工條件比較好，外界干擾因素較少，下游段因與河道平行，淺層水豐富。工程洞挖管線鋪設長度約1.40 km，采用人工洞挖法。洞挖施工、通風、供水、供電、渣土外運等工作，受隧洞斷面制約，管理難度大。隧洞轉點處設工作豎井2座，1#豎井負責完成F0+163.863～F0+897.247段洞挖施工，長度為733.38 m；2#豎井負責完成F0+897.247～F1+573.234段洞挖施工，長度為675.99 m。根據計劃工期安排，1，2#豎井的施工是本次施工的重點。為本標段的關鍵線路。

3　隧洞施工方法及技術措施

3.1施工方法

采用人工風鎬全斷面或上導洞開挖，及時初噴，架設鋼格柵，掛網噴混凝土，完成初期支護封閉。一次支護采用鋼格柵噴30 cm厚的混凝土，鋼格柵的間距50 cm，將鋼格柵內的混凝土噴滿噴密實，使鋼格柵起到混凝土鋼筋拱梁的作用，在圍巖應力重新分布還沒有完成，應力降低區尚未充分發展之時，由砼鋼拱梁與混凝土噴層共同承擔荷載。

3.2技術措施

3.2.1開挖過程中嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的18字方針。

3.2.2對于局部松軟地段開挖時，采用C25噴射混凝土封閉掌子面，必要時采取掌子面注漿的措施，保持開挖面的穩定。

3.3隧洞格柵型式（隧洞采用的格柵形式如圖1）

圖1　隧洞格柵形式圖

方案隧洞采用的格柵主筋型號為Φ22的3級（HRB400）鋼筋，即4根直徑22主筋。之字筋（環向分布筋）采用Φ14的螺紋鋼，間距為300 mm；“U”型筋（縱向分布筋）采用Φ22的螺紋鋼，間距為300 mm；箍筋采用φ8的圓鋼，間距為300 mm。每米架設2榀鋼格柵，初支采用C25噴射混凝土，厚度300 mm。縱向連接筋采用Φ22的鋼筋焊接，內外雙層梅花形布置，環向間距為1000 mm，每根連接筋長度為75 cm，縱向搭接25 cm。

3.4破除馬頭門施工

馬頭門施工前，沿馬頭門拱頂以上300 mm位置，打設Φ32小管棚，長度為4 m，環向間距為300 mm。破除馬頭門后，洞口段1.20 m范圍內，為格柵加密段，采用密排3榀鋼格柵+網噴C25混凝土。密排格柵間距為400 mm。

4　關鍵技術及工藝

4.1噴射混凝土施工

4.1.1噴混凝土機具及工藝流程

噴射混凝土濕噴工藝見圖2。噴射混凝土采用罐式噴射機濕噴工藝，減少回彈及粉塵，創造良好施工條件。噴射用混凝土采用現場拌合。噴射混凝土配合比由現場試驗室根據現場試驗結果進行設計。

圖2　噴射混凝土工藝圖

4.1.2噴混凝土的施工方法

①噴射機械安裝好后，先注水、通風、清除管道內的雜物，同時用高壓風吹掃受噴面。②保證連續上料，嚴格按施工配合比配料，嚴格控制水灰比及塌落度，保證料流運送順暢。③操作順序：噴射時先開風，后進料，以凝結效果好，回彈量小，表面濕潤光澤為準。④嚴格控制噴嘴與受噴面的距離和角度，噴嘴與受噴面應垂直，有鋼筋時角度適當防偏，噴嘴與受噴面距離控制在1～1. 50 m范圍內。⑤噴射時自下而上，即先噴墻腳后墻頂，避免死角，料束呈螺旋旋轉軌跡運動，縱向按蛇行噴射。

4.1.3原材料的要求

水泥：采用不低于42·50普通硅酸鹽水泥，使用前做細度模數及強度復查試驗，其性能符合現行的水泥標準。

細骨料：采用硬質、潔凈的中砂或粗砂，細度模數＞2.50。

粗骨料：采用堅硬耐久的碎石，粒徑≤15 mm，級配良好。使用堿性速凝劑時，不得使用含有活性二氧化硅的石料。

水：采用不含有影響水泥正常凝結與硬化有害雜質的自來水。

速凝劑：使用前與水泥做相容性試驗及水泥凝結效果試驗，其初凝時間不得＞5 min，終凝時間不得＞10 min。摻量根據初凝、終凝試驗確定，摻量不超過水泥用量的5%。

4.1.4濕噴混凝土的技術要求

噴射混凝土采用潮噴工藝，噴射設備采用TK961型濕噴機，人工掌握噴頭直接噴射混凝土。

噴射混凝土作業在滿足《錨桿噴射混凝土支護規范》有關規定的基礎上，采用以下技術措施：①攪拌混凝料采用強制式攪拌機，攪拌時間≥2 min。原材料的稱量誤差為：水泥、速凝劑±2%，砂石±3%；拌合好的混合料運輸時間不得超過2小時；混合料應隨拌隨用。②混凝土噴射機具性能良好，輸送連續、均勻，技術性能滿足噴射混凝土作業要求。③噴射混凝土作業前，清理受噴面并檢查斷面尺寸，保證尺寸符合設計要求。噴射混凝土作業區有足夠的照明，作業人員佩帶好作業防護專用工具。④噴射混凝土在開挖面露出，按梅花布置打入錨桿，掛好鋼筋網片，立即進行。⑤噴射混凝土表面應密實、平整、無裂縫、脫落、漏噴、空鼓、滲漏水等現象，不平整度允許偏差為±10mm。噴射混凝土作業應保持供料均勻、噴射連續。正常情況采用濕噴工藝，混凝土的回彈量邊墻≤15%。

4.2格柵鋼架制作安裝

4.2.1格柵鋼架制作安裝流程圖，見圖3。

圖3　格柵鋼架流程圖

4.2.2格柵加工、定位及安裝

①鋼格柵在加工廠預制，要按1：1放樣，加工時嚴格控制軸線、尺寸、接頭拼接板對位的準確，滿足規范對焊縫的要求。②鋼格柵定位、鎖腳錨管的布設，在檢查開挖斷面合格后進行，嚴格按設計部位安設。錨管的鉆眼方位、方向、角度、深度要達到設計要求。③鋼格柵架立，其軸線與隧道中線垂直，施工中在鋼格柵基腳部位預留足夠的堅實地基，架立鋼格柵時挖槽就位。其中線、標高準確，支座穩定，其傾斜度≤2°；鋼格柵的任何部位偏離鉛垂面≤5 cm。超挖部位用硬性水泥砂漿支墊。④鋼格柵架設完畢后，技術人員做檢查并記錄。⑤為增強鋼格柵的整體穩定性，將鋼格柵與縱向連接筋、結構錨桿和定位鋼筋焊接牢固。⑥鋼格柵連接接頭連接牢固。拱腳部位易發生塑性剪切破壞，故該部位接頭除栓接外，還應四面幫焊，確保接頭的剛度和強度。條件允許時，接頭最好采用角鋼聯接板，便于混凝土全面握裹。⑦當鋼格柵和初噴層間存在較大間隙時設騎馬或楔形墊塊頂緊圍巖；鋼格柵與圍巖的間距≤5 cm。

4.3超前管棚注漿超前管棚注漿施工內容主要包括鉆孔、安設管棚、注漿、效果檢驗等工序。

4.3.1注漿加固范圍及管棚布設

從馬頭門拱頂開始，環向打設φ32管棚、長度4 m，向上傾角15°，環向間距0.30 m，導管與豎井格柵焊接牢固，并注水泥漿，注漿壓力0.20～0.50 MPa。

4.3.2管棚加工制作

管棚采用Ф32普通鋼焊管，管棚前端加工成錐形，以便插打，并防止漿液前沖。管棚中間部位鉆Ф6～8 mm溢漿孔，呈梅花形布置，間距15 cm，尾部0.50 m范圍內不鉆孔以防漏漿，末端焊Ф6環形箍筋，以防打設管棚時端部開裂。

4.3.3管棚安裝

管棚采用電鉆鉆孔，鉆孔成形后用高壓風清孔，然后插孔，插孔時用氣動錘振入。對于砂類土，也可用Ф35mm鋼管制作風管，將吹風管緩緩插入土中，用高壓風射孔，成孔后將管棚插入。

4.3.4漿液選擇、配制及注漿

①漿液及注漿參數的選擇，工程采用水泥漿液。水泥漿最大水灰比限值為0.45，根據實際情況，通過現場試驗具體確定。注漿初壓0.10 Mpa，終壓為0.50 Mpa。注漿壓力不超過0.50 Mpa，否則漿液損失過大，造成浪費。凝膠時間根據實際情況確定，可以通過加入少量的磷酸氫鈉來控制初凝時間，初凝時間一般控制在8-10 min左右。②注漿工藝及設備注漿管聯接好后，注漿前先壓水，試驗管路是否暢通，然后將配制好的水泥漿倒入貯漿桶內，開動注漿泵通過管棚壓入圍巖。

4.3.5注漿關鍵技術措施

①嚴格控制配合比與凝膠時間，初選配合比后，用凝膠時間控制調節配合比，并測定注漿結實體的強度，選定最佳配合比。②注漿過程中，應嚴格控制注漿壓力，注漿終壓必須達到設計要求，并穩壓，保證漿液的滲透范圍，防止出現結構變形、串漿、危及地下構筑物、地面建筑物的異常現象。

4.3.6當出現異常現象時，宜采取下列控制措施：

①降低注漿壓力或采用間隙注漿；②改變注漿材料或縮短漿液凝膠時間；③調整注漿實施方案；④當出現漿液從其它孔內流出的串漿現象時，可采取用多臺注漿機同時注漿或將串漿孔擊實堵塞，輪到該管注漿時再拔下堵塞物，用鐵絲或細鋼筋清除管內雜物，并用高壓風或水沖洗（拔管后向外流漿不必進行此工序），然后再注漿；⑤水泥漿注漿量很大，壓力長時間不升高，則應調整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，進行小泵量低壓力注漿或間歇式注漿，使漿液在裂隙中有相對停留時間，以便凝膠；⑥注漿效果檢查：因為注漿方法為周邊單排固結注漿，開挖洞室后檢查礫砂固結厚度，如達不到要求，要調整配合比，改善注漿工藝；⑦為防止孔口漏漿，在花管尾端用麻繩及膠泥（水泥+少許水玻璃）封堵鉆孔與花管間的空隙；漿管與花管采用活接頭聯結，保證快速裝拆；⑧注漿的次序由兩側對稱向中間進行；⑨注漿過程應有專人記錄，完成后檢驗注漿效果，不合格者進行補注。注漿達到設計強度后方可進行開挖作業。

5　工程重難點及對策

5.1洞挖段施工安全是工程的重點

“百年大計，安全第一”，本標段挖采用人工配合風動工具進行開挖，采用C25噴射混凝土+C20鋼筋混凝土作為支護形式，在洞室開挖支護過程中確保施工安全是工程重點。

嚴格按照設計圖紙和經批準的開挖設計進行施工。人工配合氣動工具開挖，按照先上臺階后下臺階的次序進行，加強施工過程中的檢查與監控。每一榀按照設計圖要求循環施工，確保開挖質量與安全。由于洞挖段巖性屬于粘土巖，成巖較差、巖性不均、屬極軟巖，因此在開挖兩榀之后，為了防止拱頂發生坍塌，應采取隨進隨支的安全措施，及時對開挖面進行支護，保證每一次施工都在安全狀況下進行。

5.2加強圍巖穩定監測，完善不良地質施工工藝措施是工程的重點。

因勘察設計資料有限，設計計算理論不完善以及在隧道施工的過程中會無法避免地遇到一些突發偶然事件等原因，使得隧道施工的風險具有發生的偶然性和大量發生的必然性，采用超前管棚注漿、鎖腳小導管、安裝鋼格柵、焊接聯系筋和內外兩層鋼筋網片，最后進行噴射混凝土施工。

5.3施工通風也是一個關鍵點

采用機械通風方式，有效組織風流，盡可能降低各工序對通風散煙的影響。

5.4做好監控量測，達到信息化施工是本工程的重點

施工過程中應根據設計、規范要求布點監測，保證監測數據的真實、有效，并及時對捕捉到的各種數據進行分析處理，從而判斷設計、施工的各項參數是否滿足要求，有必要的情況下對各項參數進行及時調整。

6　結論

從施工過程看，采用鋼格柵全斷面支護、上下臺階交替開挖、噴錨支護的方法，施工效果明顯。對粘土巖隧洞開挖過程中的重難點以及措施進行歸納分析，開挖過程中堅持注漿達到設計強度后方可進行開挖作業，嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的十八字方針，運用科學的施工方法和工藝，既保證了工程安全又確保了施工工期，對今后類似的項目工程可供借鑒。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

TU 45

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1673-8853（2016）07-0109-03

2016-04-21