粘土岩洞挖工程的重难点及对策

□刘春雷□刘艳洁刘超华（河南方正水利工程咨询有限公司；辉县市水利局；虞城县江河水利建筑工程有限公司）

粘土岩洞挖工程的重难点及对策

□刘春雷1□刘艳洁2刘超华3
（1河南方正水利工程咨询有限公司；2辉县市水利局；3虞城县江河水利建筑工程有限公司）

在粘土岩小断面隧洞开挖施工中，为确保围岩稳定，采用超前管棚注浆、锁脚小导管、安装钢格栅、焊接联系筋和内外两层钢筋网片进行喷射混凝土施工。根据工程施工作业面多的特点，合理安排施工计划，优化施工工序，配合高效的人员和开挖设备，有利于关键工作的顺利进行，希望能够为今后类似工程建设提供借鉴。

粘土岩；洞挖；重难点；对策

1　前言

该标段有1.40 km为洞挖输水线路（主要管材为PCCP）的施工铺装工程，沿途场区内地势起伏不平，从隧洞进口门至隧洞出口，高程为 142.30～153.60 m；153.60～131.60 m；131.60～134.50 m。依据地质测绘和勘探成果，勘探深度范围内按其时代、成因、岩性特征并与邻区典型地质剖面对比，区内出露地层主要为上第三系河湖相沉积层、第四系中更新统冲洪积层及第四系全新统冲积层。河湖相沉积，岩性为粘土岩。

2　工程特点

工程管线施工在某市区内，工程沿线建筑物较少，穿越的主干道两条，施工条件比较好，外界干扰因素较少，下游段因与河道平行，浅层水丰富。工程洞挖管线铺设长度约1.40 km，采用人工洞挖法。洞挖施工、通风、供水、供电、渣土外运等工作，受隧洞断面制约，管理难度大。隧洞转点处设工作竖井2座，1#竖井负责完成F0+163.863～F0+897.247段洞挖施工，长度为733.38 m；2#竖井负责完成F0+897.247～F1+573.234段洞挖施工，长度为675.99 m。根据计划工期安排，1，2#竖井的施工是本次施工的重点。为本标段的关键线路。

3　隧洞施工方法及技术措施

3.1施工方法

采用人工风镐全断面或上导洞开挖，及时初喷，架设钢格栅，挂网喷混凝土，完成初期支护封闭。一次支护采用钢格栅喷30 cm厚的混凝土，钢格栅的间距50 cm，将钢格栅内的混凝土喷满喷密实，使钢格栅起到混凝土钢筋拱梁的作用，在围岩应力重新分布还没有完成，应力降低区尚未充分发展之时，由砼钢拱梁与混凝土喷层共同承担荷载。

3.2技术措施

3.2.1开挖过程中严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的18字方针。

3.2.2对于局部松软地段开挖时，采用C25喷射混凝土封闭掌子面，必要时采取掌子面注浆的措施，保持开挖面的稳定。

3.3隧洞格栅型式（隧洞采用的格栅形式如图1）

图1　隧洞格栅形式图

方案隧洞采用的格栅主筋型号为Φ22的3级（HRB400）钢筋，即4根直径22主筋。之字筋（环向分布筋）采用Φ14的螺纹钢，间距为300 mm；“U”型筋（纵向分布筋）采用Φ22的螺纹钢，间距为300 mm；箍筋采用φ8的圆钢，间距为300 mm。每米架设2榀钢格栅，初支采用C25喷射混凝土，厚度300 mm。纵向连接筋采用Φ22的钢筋焊接，内外双层梅花形布置，环向间距为1000 mm，每根连接筋长度为75 cm，纵向搭接25 cm。

3.4破除马头门施工

马头门施工前，沿马头门拱顶以上300 mm位置，打设Φ32小管棚，长度为4 m，环向间距为300 mm。破除马头门后，洞口段1.20 m范围内，为格栅加密段，采用密排3榀钢格栅+网喷C25混凝土。密排格栅间距为400 mm。

4　关键技术及工艺

4.1喷射混凝土施工

4.1.1喷混凝土机具及工艺流程

喷射混凝土湿喷工艺见图2。喷射混凝土采用罐式喷射机湿喷工艺，减少回弹及粉尘，创造良好施工条件。喷射用混凝土采用现场拌合。喷射混凝土配合比由现场试验室根据现场试验结果进行设计。

图2　喷射混凝土工艺图

4.1.2喷混凝土的施工方法

①喷射机械安装好后，先注水、通风、清除管道内的杂物，同时用高压风吹扫受喷面。②保证连续上料，严格按施工配合比配料，严格控制水灰比及塌落度，保证料流运送顺畅。③操作顺序：喷射时先开风，后进料，以凝结效果好，回弹量小，表面湿润光泽为准。④严格控制喷嘴与受喷面的距离和角度，喷嘴与受喷面应垂直，有钢筋时角度适当防偏，喷嘴与受喷面距离控制在1～1. 50 m范围内。⑤喷射时自下而上，即先喷墙脚后墙顶，避免死角，料束呈螺旋旋转轨迹运动，纵向按蛇行喷射。

4.1.3原材料的要求

水泥：采用不低于42·50普通硅酸盐水泥，使用前做细度模数及强度复查试验，其性能符合现行的水泥标准。

细骨料：采用硬质、洁净的中砂或粗砂，细度模数＞2.50。

粗骨料：采用坚硬耐久的碎石，粒径≤15 mm，级配良好。使用碱性速凝剂时，不得使用含有活性二氧化硅的石料。

水：采用不含有影响水泥正常凝结与硬化有害杂质的自来水。

速凝剂：使用前与水泥做相容性试验及水泥凝结效果试验，其初凝时间不得＞5 min，终凝时间不得＞10 min。掺量根据初凝、终凝试验确定，掺量不超过水泥用量的5%。

4.1.4湿喷混凝土的技术要求

喷射混凝土采用潮喷工艺，喷射设备采用TK961型湿喷机，人工掌握喷头直接喷射混凝土。

喷射混凝土作业在满足《锚杆喷射混凝土支护规范》有关规定的基础上，采用以下技术措施：①搅拌混凝料采用强制式搅拌机，搅拌时间≥2 min。原材料的称量误差为：水泥、速凝剂±2%，砂石±3%；拌合好的混合料运输时间不得超过2小时；混合料应随拌随用。②混凝土喷射机具性能良好，输送连续、均匀，技术性能满足喷射混凝土作业要求。③喷射混凝土作业前，清理受喷面并检查断面尺寸，保证尺寸符合设计要求。喷射混凝土作业区有足够的照明，作业人员佩带好作业防护专用工具。④喷射混凝土在开挖面露出，按梅花布置打入锚杆，挂好钢筋网片，立即进行。⑤喷射混凝土表面应密实、平整、无裂缝、脱落、漏喷、空鼓、渗漏水等现象，不平整度允许偏差为±10mm。喷射混凝土作业应保持供料均匀、喷射连续。正常情况采用湿喷工艺，混凝土的回弹量边墙≤15%。

4.2格栅钢架制作安装

4.2.1格栅钢架制作安装流程图，见图3。

图3　格栅钢架流程图

4.2.2格栅加工、定位及安装

①钢格栅在加工厂预制，要按1：1放样，加工时严格控制轴线、尺寸、接头拼接板对位的准确，满足规范对焊缝的要求。②钢格栅定位、锁脚锚管的布设，在检查开挖断面合格后进行，严格按设计部位安设。锚管的钻眼方位、方向、角度、深度要达到设计要求。③钢格栅架立，其轴线与隧道中线垂直，施工中在钢格栅基脚部位预留足够的坚实地基，架立钢格栅时挖槽就位。其中线、标高准确，支座稳定，其倾斜度≤2°；钢格栅的任何部位偏离铅垂面≤5 cm。超挖部位用硬性水泥砂浆支垫。④钢格栅架设完毕后，技术人员做检查并记录。⑤为增强钢格栅的整体稳定性，将钢格栅与纵向连接筋、结构锚杆和定位钢筋焊接牢固。⑥钢格栅连接接头连接牢固。拱脚部位易发生塑性剪切破坏，故该部位接头除栓接外，还应四面帮焊，确保接头的刚度和强度。条件允许时，接头最好采用角钢联接板，便于混凝土全面握裹。⑦当钢格栅和初喷层间存在较大间隙时设骑马或楔形垫块顶紧围岩；钢格栅与围岩的间距≤5 cm。

4.3超前管棚注浆超前管棚注浆施工内容主要包括钻孔、安设管棚、注浆、效果检验等工序。

4.3.1注浆加固范围及管棚布设

从马头门拱顶开始，环向打设φ32管棚、长度4 m，向上倾角15°，环向间距0.30 m，导管与竖井格栅焊接牢固，并注水泥浆，注浆压力0.20～0.50 MPa。

4.3.2管棚加工制作

管棚采用Ф32普通钢焊管，管棚前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。管棚中间部位钻Ф6～8 mm溢浆孔，呈梅花形布置，间距15 cm，尾部0.50 m范围内不钻孔以防漏浆，末端焊Ф6环形箍筋，以防打设管棚时端部开裂。

4.3.3管棚安装

管棚采用电钻钻孔，钻孔成形后用高压风清孔，然后插孔，插孔时用气动锤振入。对于砂类土，也可用Ф35mm钢管制作风管，将吹风管缓缓插入土中，用高压风射孔，成孔后将管棚插入。

4.3.4浆液选择、配制及注浆

①浆液及注浆参数的选择，工程采用水泥浆液。水泥浆最大水灰比限值为0.45，根据实际情况，通过现场试验具体确定。注浆初压0.10 Mpa，终压为0.50 Mpa。注浆压力不超过0.50 Mpa，否则浆液损失过大，造成浪费。凝胶时间根据实际情况确定，可以通过加入少量的磷酸氢钠来控制初凝时间，初凝时间一般控制在8-10 min左右。②注浆工艺及设备注浆管联接好后，注浆前先压水，试验管路是否畅通，然后将配制好的水泥浆倒入贮浆桶内，开动注浆泵通过管棚压入围岩。

4.3.5注浆关键技术措施

①严格控制配合比与凝胶时间，初选配合比后，用凝胶时间控制调节配合比，并测定注浆结实体的强度，选定最佳配合比。②注浆过程中，应严格控制注浆压力，注浆终压必须达到设计要求，并稳压，保证浆液的渗透范围，防止出现结构变形、串浆、危及地下构筑物、地面建筑物的异常现象。

4.3.6当出现异常现象时，宜采取下列控制措施：

①降低注浆压力或采用间隙注浆；②改变注浆材料或缩短浆液凝胶时间；③调整注浆实施方案；④当出现浆液从其它孔内流出的串浆现象时，可采取用多台注浆机同时注浆或将串浆孔击实堵塞，轮到该管注浆时再拔下堵塞物，用铁丝或细钢筋清除管内杂物，并用高压风或水冲洗（拔管后向外流浆不必进行此工序），然后再注浆；⑤水泥浆注浆量很大，压力长时间不升高，则应调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶；⑥注浆效果检查：因为注浆方法为周边单排固结注浆，开挖洞室后检查砾砂固结厚度，如达不到要求，要调整配合比，改善注浆工艺；⑦为防止孔口漏浆，在花管尾端用麻绳及胶泥（水泥+少许水玻璃）封堵钻孔与花管间的空隙；浆管与花管采用活接头联结，保证快速装拆；⑧注浆的次序由两侧对称向中间进行；⑨注浆过程应有专人记录，完成后检验注浆效果，不合格者进行补注。注浆达到设计强度后方可进行开挖作业。

5　工程重难点及对策

5.1洞挖段施工安全是工程的重点

“百年大计，安全第一”，本标段挖采用人工配合风动工具进行开挖，采用C25喷射混凝土+C20钢筋混凝土作为支护形式，在洞室开挖支护过程中确保施工安全是工程重点。

严格按照设计图纸和经批准的开挖设计进行施工。人工配合气动工具开挖，按照先上台阶后下台阶的次序进行，加强施工过程中的检查与监控。每一榀按照设计图要求循环施工，确保开挖质量与安全。由于洞挖段岩性属于粘土岩，成岩较差、岩性不均、属极软岩，因此在开挖两榀之后，为了防止拱顶发生坍塌，应采取随进随支的安全措施，及时对开挖面进行支护，保证每一次施工都在安全状况下进行。

5.2加强围岩稳定监测，完善不良地质施工工艺措施是工程的重点。

因勘察设计资料有限，设计计算理论不完善以及在隧道施工的过程中会无法避免地遇到一些突发偶然事件等原因，使得隧道施工的风险具有发生的偶然性和大量发生的必然性，采用超前管棚注浆、锁脚小导管、安装钢格栅、焊接联系筋和内外两层钢筋网片，最后进行喷射混凝土施工。

5.3施工通风也是一个关键点

采用机械通风方式，有效组织风流，尽可能降低各工序对通风散烟的影响。

5.4做好监控量测，达到信息化施工是本工程的重点

施工过程中应根据设计、规范要求布点监测，保证监测数据的真实、有效，并及时对捕捉到的各种数据进行分析处理，从而判断设计、施工的各项参数是否满足要求，有必要的情况下对各项参数进行及时调整。

6　结论

从施工过程看，采用钢格栅全断面支护、上下台阶交替开挖、喷锚支护的方法，施工效果明显。对粘土岩隧洞开挖过程中的重难点以及措施进行归纳分析，开挖过程中坚持注浆达到设计强度后方可进行开挖作业，严格遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针，运用科学的施工方法和工艺，既保证了工程安全又确保了施工工期，对今后类似的项目工程可供借鉴。

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

TU 45

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1673-8853（2016）07-0109-03

2016-04-21