粘土巖洞挖工程的重難點(diǎn)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(diǎn)及對策

□劉春雷1□劉艷潔2劉超華3
（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(wěn)定，采用超前管棚注漿、鎖腳小導(dǎo)管、安裝鋼格柵、焊接聯(lián)系筋和內(nèi)外兩層鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行噴射混凝土施工。根據(jù)工程施工作業(yè)面多的特點(diǎn)，合理安排施工計(jì)劃，優(yōu)化施工工序，配合高效的人員和開挖設(shè)備，有利于關(guān)鍵工作的順利進(jìn)行，希望能夠?yàn)榻窈箢愃乒こ探ㄔO(shè)提供借鑒。

粘土巖；洞挖；重難點(diǎn)；對策

1　前言

該標(biāo)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(qū)內(nèi)地勢起伏不平，從隧洞進(jìn)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(jù)地質(zhì)測繪和勘探成果，勘探深度范圍內(nèi)按其時(shí)代、成因、巖性特征并與鄰區(qū)典型地質(zhì)剖面對比，區(qū)內(nèi)出露地層主要為上第三系河湖相沉積層、第四系中更新統(tǒng)沖洪積層及第四系全新統(tǒng)沖積層。河湖相沉積，巖性為粘土巖。

2　工程特點(diǎn)

工程管線施工在某市區(qū)內(nèi)，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(shè)長度約1.40 km，采用人工洞挖法。洞挖施工、通風(fēng)、供水、供電、渣土外運(yùn)等工作，受隧洞斷面制約，管理難度大。隧洞轉(zhuǎn)點(diǎn)處設(shè)工作豎井2座，1#豎井負(fù)責(zé)完成F0+163.863～F0+897.247段洞挖施工，長度為733.38 m；2#豎井負(fù)責(zé)完成F0+897.247～F1+573.234段洞挖施工，長度為675.99 m。根據(jù)計(jì)劃工期安排，1，2#豎井的施工是本次施工的重點(diǎn)。為本標(biāo)段的關(guān)鍵線路。

3　隧洞施工方法及技術(shù)措施

3.1施工方法

采用人工風(fēng)鎬全斷面或上導(dǎo)洞開挖，及時(shí)初噴，架設(shè)鋼格柵，掛網(wǎng)噴混凝土，完成初期支護(hù)封閉。一次支護(hù)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(nèi)的混凝土噴滿噴密實(shí)，使鋼格柵起到混凝土鋼筋拱梁的作用，在圍巖應(yīng)力重新分布還沒有完成，應(yīng)力降低區(qū)尚未充分發(fā)展之時(shí)，由砼鋼拱梁與混凝土噴層共同承擔(dān)荷載。

3.2技術(shù)措施

3.2.1開挖過程中嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、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(shí)，采用C25噴射混凝土封閉掌子面，必要時(shí)采取掌子面注漿的措施，保持開挖面的穩(wěn)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(huán)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(shè)2榀鋼格柵，初支采用C25噴射混凝土，厚度300 mm?？v向連接筋采用Φ22的鋼筋焊接，內(nèi)外雙層梅花形布置，環(huán)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(shè)Φ32小管棚，長度為4 m，環(huán)向間距為300 mm。破除馬頭門后，洞口段1.20 m范圍內(nèi)，為格柵加密段，采用密排3榀鋼格柵+網(wǎng)噴C25混凝土。密排格柵間距為400 mm。

4　關(guān)鍵技術(shù)及工藝

4.1噴射混凝土施工

4.1.1噴混凝土機(jī)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(jī)濕噴工藝，減少回彈及粉塵，創(chuàng)造良好施工條件。噴射用混凝土采用現(xiàn)場拌合。噴射混凝土配合比由現(xiàn)場試驗(yàn)室根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(jī)械安裝好后，先注水、通風(fēng)、清除管道內(nèi)的雜物，同時(shí)用高壓風(fēng)吹掃受噴面。②保證連續(xù)上料，嚴(yán)格按施工配合比配料，嚴(yán)格控制水灰比及塌落度，保證料流運(yùn)送順暢。③操作順序：噴射時(shí)先開風(fēng)，后進(jìn)料，以凝結(jié)效果好，回彈量小，表面濕潤光澤為準(zhǔn)。④嚴(yán)格控制噴嘴與受噴面的距離和角度，噴嘴與受噴面應(yīng)垂直，有鋼筋時(shí)角度適當(dāng)防偏，噴嘴與受噴面距離控制在1～1. 50 m范圍內(nèi)。⑤噴射時(shí)自下而上，即先噴墻腳后墻頂，避免死角，料束呈螺旋旋轉(zhuǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)，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(xì)度模數(shù)及強(qiáng)度復(fù)查試驗(yàn)，其性能符合現(xiàn)行的水泥標(biāo)準(zhǔn)。

細(xì)骨料：采用硬質(zhì)、潔凈的中砂或粗砂，細(xì)度模數(shù)＞2.50。

粗骨料：采用堅(jiān)硬耐久的碎石，粒徑≤15 mm，級配良好。使用堿性速凝劑時(shí)，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(jié)與硬化有害雜質(zhì)的自來水。

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

4.1.4濕噴混凝土的技術(shù)要求

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

噴射混凝土作業(yè)在滿足《錨桿噴射混凝土支護(hù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上，采用以下技術(shù)措施：①攪拌混凝料采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，攪拌時(shí)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(yùn)輸時(shí)間不得超過2小時(shí)；混合料應(yīng)隨拌隨用。②混凝土噴射機(jī)具性能良好，輸送連續(xù)、均勻，技術(shù)性能滿足噴射混凝土作業(yè)要求。③噴射混凝土作業(yè)前，清理受噴面并檢查斷面尺寸，保證尺寸符合設(shè)計(jì)要求。噴射混凝土作業(yè)區(qū)有足夠的照明，作業(yè)人員佩帶好作業(yè)防護(hù)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(wǎng)片，立即進(jìn)行。⑤噴射混凝土表面應(yīng)密實(shí)、平整、無裂縫、脫落、漏噴、空鼓、滲漏水等現(xiàn)象，不平整度允許偏差為±10mm。噴射混凝土作業(yè)應(yīng)保持供料均勻、噴射連續(xù)。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(yù)制，要按1：1放樣，加工時(shí)嚴(yán)格控制軸線、尺寸、接頭拼接板對位的準(zhǔn)確，滿足規(guī)范對焊縫的要求。②鋼格柵定位、鎖腳錨管的布設(shè)，在檢查開挖斷面合格后進(jìn)行，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)部位安設(shè)。錨管的鉆眼方位、方向、角度、深度要達(dá)到設(shè)計(jì)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(yù)留足夠的堅(jiān)實(shí)地基，架立鋼格柵時(shí)挖槽就位。其中線、標(biāo)高準(zhǔn)確，支座穩(wěn)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(shè)完畢后，技術(shù)人員做檢查并記錄。⑤為增強(qiáng)鋼格柵的整體穩(wěn)定性，將鋼格柵與縱向連接筋、結(jié)構(gòu)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(fā)生塑性剪切破壞，故該部位接頭除栓接外，還應(yīng)四面幫焊，確保接頭的剛度和強(qiáng)度。條件允許時(shí)，接頭最好采用角鋼聯(lián)接板，便于混凝土全面握裹。⑦當(dāng)鋼格柵和初噴層間存在較大間隙時(shí)設(shè)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(nèi)容主要包括鉆孔、安設(shè)管棚、注漿、效果檢驗(yàn)等工序。

4.3.1注漿加固范圍及管棚布設(shè)

從馬頭門拱頂開始，環(huán)向打設(shè)φ32管棚、長度4 m，向上傾角15°，環(huán)向間距0.30 m，導(dǎo)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?jié){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(nèi)不鉆孔以防漏漿，末端焊Ф6環(huán)形箍筋，以防打設(shè)管棚時(shí)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(fēng)清孔，然后插孔，插孔時(shí)用氣動(dòng)錘振入。對于砂類土，也可用Ф35mm鋼管制作風(fēng)管，將吹風(fēng)管緩緩插入土中，用高壓風(fēng)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(shù)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(jù)實(shí)際情況，通過現(xiàn)場試驗(yàn)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(fèi)。凝膠時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況確定，可以通過加入少量的磷酸氫鈉來控制初凝時(shí)間，初凝時(shí)間一般控制在8-10 min左右。②注漿工藝及設(shè)備注漿管聯(lián)接好后，注漿前先壓水，試驗(yàn)管路是否暢通，然后將配制好的水泥漿倒入貯漿桶內(nèi)，開動(dòng)注漿泵通過管棚壓入圍巖。

4.3.5注漿關(guān)鍵技術(shù)措施

①嚴(yán)格控制配合比與凝膠時(shí)間，初選配合比后，用凝膠時(shí)間控制調(diào)節(jié)配合比，并測定注漿結(jié)實(shí)體的強(qiáng)度，選定最佳配合比。②注漿過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，注漿終壓必須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并穩(wěn)壓，保證漿液的滲透范圍，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、串漿、危及地下構(gòu)筑物、地面建筑物的異常現(xiàn)象。

4.3.6當(dāng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，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(shí)間；③調(diào)整注漿實(shí)施方案；④當(dāng)出現(xiàn)漿液從其它孔內(nèi)流出的串漿現(xiàn)象時(shí)，可采取用多臺注漿機(jī)同時(shí)注漿或?qū)⒋疂{孔擊實(shí)堵塞，輪到該管注漿時(shí)再拔下堵塞物，用鐵絲或細(xì)鋼筋清除管內(nèi)雜物，并用高壓風(fēng)或水沖洗（拔管后向外流漿不必進(jìn)行此工序），然后再注漿；⑤水泥漿注漿量很大，壓力長時(shí)間不升高，則應(yīng)調(diào)整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時(shí)間，進(jìn)行小泵量低壓力注漿或間歇式注漿，使?jié){液在裂隙中有相對停留時(shí)間，以便凝膠；⑥注漿效果檢查：因?yàn)樽{方法為周邊單排固結(jié)注漿，開挖洞室后檢查礫砂固結(jié)厚度，如達(dá)不到要求，要調(diào)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(lián)結(jié)，保證快速裝拆；⑧注漿的次序由兩側(cè)對稱向中間進(jìn)行；⑨注漿過程應(yīng)有專人記錄，完成后檢驗(yàn)注漿效果，不合格者進(jìn)行補(bǔ)注。注漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行開挖作業(yè)。

5　工程重難點(diǎn)及對策

5.1洞挖段施工安全是工程的重點(diǎn)

“百年大計(jì)，安全第一”，本標(biāo)段挖采用人工配合風(fēng)動(dòng)工具進(jìn)行開挖，采用C25噴射混凝土+C20鋼筋混凝土作為支護(hù)形式，在洞室開挖支護(hù)過程中確保施工安全是工程重點(diǎn)。

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和經(jīng)批準(zhǔn)的開挖設(shè)計(jì)進(jìn)行施工。人工配合氣動(dòng)工具開挖，按照先上臺階后下臺階的次序進(jìn)行，加強(qiáng)施工過程中的檢查與監(jiān)控。每一榀按照設(shè)計(jì)圖要求循環(huán)施工，確保開挖質(zhì)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(fā)生坍塌，應(yīng)采取隨進(jìn)隨支的安全措施，及時(shí)對開挖面進(jìn)行支護(hù)，保證每一次施工都在安全狀況下進(jìn)行。

5.2加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定監(jiān)測，完善不良地質(zhì)施工工藝措施是工程的重點(diǎn)。

因勘察設(shè)計(jì)資料有限，設(shè)計(jì)計(jì)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(fā)偶然事件等原因，使得隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)具有發(fā)生的偶然性和大量發(fā)生的必然性，采用超前管棚注漿、鎖腳小導(dǎo)管、安裝鋼格柵、焊接聯(lián)系筋和內(nèi)外兩層鋼筋網(wǎng)片，最后進(jìn)行噴射混凝土施工。

5.3施工通風(fēng)也是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)

采用機(jī)械通風(fēng)方式，有效組織風(fēng)流，盡可能降低各工序?qū)νL(fēng)散煙的影響。

5.4做好監(jiān)控量測，達(dá)到信息化施工是本工程的重點(diǎn)

施工過程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)、規(guī)范要求布點(diǎn)監(jiān)測，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)、有效，并及時(shí)對捕捉到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而判斷設(shè)計(jì)、施工的各項(xiàng)參數(shù)是否滿足要求，有必要的情況下對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

6　結(jié)論

從施工過程看，采用鋼格柵全斷面支護(hù)、上下臺階交替開挖、噴錨支護(hù)的方法，施工效果明顯。對粘土巖隧洞開挖過程中的重難點(diǎn)以及措施進(jìn)行歸納分析，開挖過程中堅(jiān)持注漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可進(jìn)行開挖作業(yè)，嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的十八字方針，運(yùn)用科學(xué)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(xiàng)目工程可供借鑒。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

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