東天山特長隧道初支噴射混凝土超耗分析與控制對策

倪 鵬

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

1 工程概況

1.1 隧道概況

東天山特長隧道位于新疆哈密地區(qū)，屬于國道G575線巴里坤至哈密公路建設(shè)項目的控制性工程，具有“高、寒、長、大”等特點。該隧道地處天山寒區(qū)高海拔地帶，為左右分離式特長隧道，全長11 771m，其中左線長度11 764m、右線長度11 775m，設(shè)置2個送排風(fēng)斜井，施工期間作為輔助坑道，斜井主要布置在主線兩側(cè)溝谷內(nèi)。隧道進口設(shè)計高程2 129m、出口設(shè)計高程2 043m、最大埋深約1 220m。隧道入口處地層巖性主要為卵石、漂石，呈中密-密實狀，下部為粉質(zhì)黏土，成硬塑狀。

1.2 初期支護

新疆G575線巴哈公路項目隧道施工中的初支襯砌均采用濕噴工藝。左洞C25濕噴混凝土設(shè)計量為5.6萬m3、右洞C25濕噴混凝土設(shè)計量為5.7萬m3、1#與2#斜井C25濕噴混凝土設(shè)計量為1.9萬m3，全線累計濕噴混凝土設(shè)計量為13.2萬m3。按目前原材料攪拌和運輸費用折合C25濕噴混凝土為370元/m3，即全線的濕噴混凝土費用為4 884萬元。在施工過程中存在濕噴混凝土超耗嚴重的現(xiàn)象，并且濕噴混凝土的費用高。本課題主要圍繞濕噴混凝土超耗問題進行原因查找和分析，并相應(yīng)地采取控制措施，在促進施工質(zhì)量安全與進度的同時，不斷降低初支噴射混凝土施工超耗。

2 隧道初支噴射混凝土超耗情況及原因分析

2.1 超耗情況

據(jù)統(tǒng)計，2018年3月份土建一標(biāo)累計共施工噴射混凝土25 492.3m3、圖紙設(shè)計量為10 633.69m3、變更后設(shè)計量為10 789.33m3（見表1），超耗14 703m3，超耗率為136.3%。經(jīng)現(xiàn)場測定，目前平均回彈率為17%，以此推算超欠挖率為96.1%。

表1 土建一標(biāo)C25濕噴混凝土使用量統(tǒng)計表

據(jù)統(tǒng)計，2018年3月份土建二標(biāo)累計共施工噴射混凝土47 429m3、圖紙設(shè)計量21 880m3、變更后設(shè)計量18 992m3（見表2），超耗28 438m3，超耗率為149.8%。經(jīng)現(xiàn)場測定，目前平均回彈率為13%，以此推算超欠挖率為99%。

表2 土建二標(biāo)C25濕噴混凝土使用量統(tǒng)計表

經(jīng)統(tǒng)計分析后，本工程隧道標(biāo)段施工目前的超欠挖率遠大于標(biāo)后預(yù)算（含回彈量70%），超耗嚴重。嚴格控制濕噴混凝土的超耗是控制施工成本的重點，同時可保證施工質(zhì)量、加快施工進度。

2.2 原因分析

2.2.1 “樹狀圖”要素法

針對濕噴混凝土超耗問題采用“樹狀圖”法進行詳細討論，并廣泛征求管理人員、現(xiàn)場工人、現(xiàn)場技術(shù)員、試驗員、機械操作手的意見，集思廣益、相互啟發(fā)、相互補充，從而形成各種可能的影響因素，如圖1所示。

圖1 濕噴混凝土超耗樹狀圖

2.2.2 要因分析確認

主要原因：①地質(zhì)圍巖穩(wěn)定性。主洞圍巖情況發(fā)生變化，圍巖破碎，裂隙較發(fā)育。現(xiàn)場排險過程中，碎石掉落嚴重，導(dǎo)致整體超挖量增加；前期施工隧道為土質(zhì)圍巖且孤石頻現(xiàn)，后期穿越富水?dāng)鄬樱瑖鷰r愈不穩(wěn)定，造成超挖現(xiàn)象較為嚴重。②爆破工藝。目前，隧道均為石質(zhì)圍巖，較為破碎，采用爆破方式開挖對整體圍巖擾動性大，爆破后清理工作比較困難，超挖難以控制。③掌子面滲水。斜井正在進行聯(lián)絡(luò)通道施工，隨著隧道圍巖級別的變化，施工期間出水量增加，噴射效果較差，回彈率較大。表3為主要影響因素分析確認方法。

表3 主要影響因素分析確認方法

其他原因：原材料質(zhì)量、設(shè)備作業(yè)效率、操作手水平、環(huán)境溫度等。表4為其他影響因素分析確認方法。

表4 其他影響因素分析確認方法

3 控制超耗的措施

3.1 超前識別地質(zhì)條件和圍巖級別

3.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報

在現(xiàn)場條件允許的前提下盡可能采用多手段提前探知掌子面前方圍巖情況，提前做好準備，避免因圍巖情況較差增大超挖量。使用監(jiān)控量測保護裝置，及時布設(shè)沉降監(jiān)控量測點，獲取初始監(jiān)控量測值；加強監(jiān)控量測的測量頻率，確定變形速率及累計沉降，動態(tài)調(diào)整預(yù)留沉降量，減少混凝土超耗。

3.1.2 圖像點云技術(shù)

組織現(xiàn)場技術(shù)人員學(xué)習(xí)圖像點云技術(shù)，通過圖像點云技術(shù)精確判定圍巖級別、預(yù)判前方圍巖等級，根據(jù)掌子面圍巖揭露情況并結(jié)合圖像點云技術(shù)展平照片（見圖2）成果分析：掌子面圍巖主要為中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，局部夾凝灰質(zhì)粉砂巖；巖體呈青灰色；薄層狀結(jié)構(gòu)，單層厚度在3～5cm之間，受構(gòu)造影響節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，自穩(wěn)能力稍差，拱頂易掉塊。通過圍巖判定，調(diào)整超前支護參數(shù)，達到減少超挖的目的。

圖2 圖像云點技術(shù)掌子面展平圖

3.2 合理預(yù)留沉降量

嚴控開挖預(yù)留沉降量，盡量確保襯砌施工時初支沉降到襯砌界限。掌握日常掌子面測量成果圖片，兩張圖片分別展現(xiàn)出了掌子面開挖輪廓和初噴后的斷面輪廓（見圖3、圖4），依據(jù)實測開挖輪廓線與設(shè)計開挖輪廓線進行對比，得出斷面的超挖量。

圖3 開挖輪廓

圖4 噴射完成輪廓

3.3 加強回彈測定與有效預(yù)防

對混凝土回彈量進行測量。正常情況下對每天的掉落混凝土厚度進行測量、預(yù)估回彈量，對出現(xiàn)突然變大的回彈量進行實際回收回彈混凝土實測，分析回彈變化原因，進行整改優(yōu)化，回彈大可在速凝劑中摻加黏附性較強的聚丙烯酰胺。

噴射混凝土回彈量測量流程：每一車出站混凝土過磅并計數(shù)→濕噴結(jié)束后掉落的噴射混凝土全部回收→回收的噴射混凝土過磅并計數(shù)→計算噴射混凝土回彈量。

3.4 利用新技術(shù)、新材料

3.4.1 超前小導(dǎo)管

針對隧道主洞開挖后掌子面圍巖屬強風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，整體呈層狀，局部呈塊狀，圍巖較破碎，自穩(wěn)能力較差，軟弱夾層經(jīng)常出現(xiàn)在拱腰及拱頂位置，掌子面呈潮濕狀，出現(xiàn)塌腔，拱腳有少量水滲出現(xiàn)象，項目部采用“管超前、短進尺、強支護”的方式，通過塌腔體，超前小導(dǎo)管為φ42×6mm加厚小導(dǎo)管，環(huán)向間距30cm，打設(shè)角度為5°，前后兩排錯孔布置加固前方圍巖，使其形成整體，保證了圍巖的穩(wěn)定性，減少超挖。

3.4.2 自進式管棚

針對隧道1#斜井出現(xiàn)塌腔問題，項目部采用T76自進式螺旋管棚+φ38自進式錨桿進行超前支護。施工過程中由于T76管棚配備φ90鉆頭，成孔困難，技術(shù)人員優(yōu)化方案，將T76自進式管棚調(diào)整為R51的自進式管棚，配備φ78鉆頭，通過減少鉆頭接觸面積提高成孔率約10%，達到超前支護的目的。

3.4.3 超前預(yù)加固技術(shù)

根據(jù)圍巖破碎程度制定了3種超前預(yù)加固方案：

①當(dāng)圍巖存在連續(xù)整體破碎時，通過三臂鑿巖臺車改臂，采用φ76×4mm超前中管棚，打設(shè)長度為10～30m，環(huán)向間距35～40cm，打設(shè)角度為 3°。

②當(dāng)圍巖存在連續(xù)局部破碎時，采用φ38自進式錨桿進行超前預(yù)加固，打設(shè)長度為12m，環(huán)向間距25～40cm，打設(shè)角度為1°～2°。

③圍巖存在局部破碎時，采用φ42×6mm的超前小導(dǎo)管，打設(shè)長度為4～4.5m，環(huán)向間距25～40cm，打設(shè)角度為 6°～10°。

3.5 動態(tài)調(diào)整爆破鉆孔參數(shù)

針對右洞圍巖較差段采取減少周邊眼及內(nèi)圈眼裝藥量、周邊眼間隔裝藥等措施，同時，針對掌子面左右側(cè)圍巖情況的不同，左右側(cè)裝藥量也相應(yīng)調(diào)整，避免爆破破壞巖層的整體性。每循環(huán)由現(xiàn)場管理人員根據(jù)測量掃測數(shù)據(jù)對三臂鑿操作手進行鉆孔角度、深度現(xiàn)場交底，并在每循環(huán)開挖前標(biāo)注循環(huán)超挖量，每循環(huán)對鉆孔參數(shù)也實行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)“定人、定機、定孔”。

3.6 排水引流處理

制定反坡排水專項施工方案，采取臨時反坡排水措施，對隧道出水排水引流處理，避免由于出水侵泡巖層擴大超挖率；在立架施工時根據(jù)出水情況增設(shè)排水管，引流斷面裂隙水，在濕噴時裂隙水順排水管流下，減少了對濕噴混凝土的浸泡，濕噴混凝土可及時凝固；滲水濕噴混凝土摻加抗腐蝕劑，解決現(xiàn)場濕噴混凝土出現(xiàn)的回彈大、局部掉塊、局部滲水等問題。

3.7 其他措施

3.7.1 加強濕噴混凝土原材料質(zhì)量監(jiān)控

根據(jù)施工情況動態(tài)調(diào)整優(yōu)化施工配合比，增加產(chǎn)品、原材料的質(zhì)量試驗檢測頻率；現(xiàn)場運輸機制砂時將表層機制砂全部清理干凈后進行裝車；加強碎石場機制砂管控，機制砂采用覆蓋或圍擋的方法，避免大風(fēng)把細粒徑砂吹走，確保原材料質(zhì)量。

3.7.2 提高設(shè)備管理水平及操作手技能

定期對濕噴臺車、三臂鑿巖臺車進行性能檢查和維修保養(yǎng)，挑選固定操作人員，定期組織濕噴機操作手進行技術(shù)交底、經(jīng)驗交流，使每一位操作手盡快掌握濕噴操作技巧。噴射拱頂及拱腰位置時每小時噴射速率不大于13%、速凝劑摻量不小于4.0%。組織設(shè)備操作手開展“比、趕、超”技能培訓(xùn)活動，提高操作人員的知識水平和實操技能。

3.7.3 采取保溫加熱措施

隧道冬期施工，氣溫顯著下降、溫差大，各種原材料溫度過低，濕噴混凝土及速凝劑反應(yīng)時間變長。在每車濕噴混凝土到場后測量濕噴混凝土溫度，及時反饋給拌和站，拌和站原材料通過蒸汽鍋爐地?zé)峁艿肋M行加熱，確保原材料在拌和時的溫度，同時保證拌和時水溫，對水進行加熱；主洞對濕噴混凝土原材料及速凝劑進行現(xiàn)場加溫，保證質(zhì)量的同時縮短濕噴混凝土凝固時間；在斜井洞口位置設(shè)置保溫門，以保證冬季洞內(nèi)溫度恒定，為濕噴時噴射混凝土營造良好的溫度條件。

4 結(jié)語

研究表明，隧道初支噴射混凝土超耗與圍巖地質(zhì)條件、爆破工藝、施工技術(shù)、掌子面含水、原材料質(zhì)量、環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)。在施工過程中，通過加強理論研究、現(xiàn)場試驗、施工管理實施上述對策和措施，能夠有效降低噴射混凝土超耗，從而降本增效，提高隧道施工的整體質(zhì)量。