粉细砂卵石地层中浅埋暗挖法初期支护施工技术措施

2016-09-26赵雪

中国水利 2016年10期

关键词：洞室浆液间距

赵雪

（北京金河水务建设有限公司，102206，北京）

粉细砂卵石地层中浅埋暗挖法初期支护施工技术措施

赵雪

（北京金河水务建设有限公司，102206，北京）

粉细砂；卵石；浅埋暗挖；初期支护；施工技术

一、工程概况

北京市南水北调配套工程南干渠工程施工第四标段结构断面形式为DN3 400 mm浅埋暗挖2孔隧洞钢筋混凝土圆涵，2孔中心间距为12.2 m，中心桩号4+320.04～5+716.04，中心导线全长1 396 m。标段开始沿大兴灌渠渠底，向南行至高家村寸#7竖井，之后沿五环路转向东。主体初期支护为DN4 600 mm的圆涵，采用架立钢格栅、打设锁脚锚杆、铺设钢筋网、喷射C25混凝土对开挖面进行封闭的支护形式，初期支护厚度为250 mm。

工程沿线地表覆盖为人工填土层，洞室开挖范围内地质条件为粉土夹有粉细砂层、粉质黏土和卵石地层。其中粉细砂、卵石地层的工程地质剖面图见图1。

二、浅埋暗挖法初期支护原理

本工程浅埋暗挖法的初期支护原理是：小导管注浆加固地层提高围岩的自稳能力，超前勘探在确保安全的前提下进行人工洞室开挖，通过架立钢格栅、布设纵向连接筋、打设锁脚锚杆、铺设钢筋网、喷射C25混凝土等一系列工序封闭成环，形成初期支护。

三、浅埋暗挖法初期支护施工工艺

1.技术参数

图1 工程地质剖面图

本工程初期支护包括超前支护和开挖支护两部分。超前支护为沿洞室上半拱环向间距300 mm打设超前小导管，小导管采用Φ25 mm无缝钢管，长度1 700 mm，打设角度15°～20°；超前支护注浆采用水泥水玻璃双液浆或改性水玻璃，根据地层条件选用。开挖支护采用上部预留核心土的正台阶法开挖，核心土长度为2～3 m，开挖步距500 mm，架立钢格栅、布设纵向连接筋、打设锁脚锚杆、铺设钢

筋网、喷射C25混凝土。初期支护每开挖500 mm封闭成环一次，上下半拱开挖错台5 m，初期支护混凝土强度达到设计强度的70％以上后进行回填灌浆的施工。

2.施工工艺

本工程施工工艺为：施工准备→打设超前小导管并注浆→超前勘探→土方开挖→铺设钢筋网→架立钢格栅→焊接纵向连接筋→打设锁脚锚杆→铺设钢筋网→喷射C25混凝土→初支背后回填灌浆。

四、浅埋暗挖法初期支护措施

1.马头门施工

马头门是在竖井井壁按设计位置进行洞室初期支护的洞口起始段，当竖井即将施工至洞室范围时，预先在距离上半拱顶部250 mm处打设马头门超前小导管，注浆加固土体，以保证洞口开挖时周边土体稳固。

洞口起始段施工是沿测量员在竖井井壁所放的洞口轮廓线采用风镐破除，上部留核心土，当开挖长度达到0.6 m时停止，洞门处并排架立三榀钢格栅。钢格栅位置调好后打设锁脚锚杆、安装纵向连接筋和铺设钢筋网。将洞顶沉降量测预埋件焊接固定在钢格栅上后，喷射混凝土封闭钢格栅。

2.超前支护

（1）小导管制作及安设

采用Φ25无缝钢管作为小导管，单根管长1.7 m，环向间距0.3 m，纵向间距0.5 m，按照设计要求打设角度为15°～20°，外露0.2 m并与钢格栅焊接成整体，小导管端部为25°～30°锥体，小导管加工示意图见图2。

小导管打设前，检查导管安装是否稳固，风管连接是否牢靠，施工设备是否完好。采用风镐顶入，利用风钻作动力，专用顶头将小导管顶入。为避免对土体扰动过大，打设采取跳管打设，在打设超前小导管时，保证打设的角度及深入土体的长度。小导管安装后用塑胶泥封堵导管外的孔口。

（2）小导管注浆

本工程地质情况主要为卵石、中砂和粉细砂地层，前者地层采用水泥-水玻璃双液浆，后两者地层采用改性水玻璃浆液。

小导管正式注浆前通过注浆试验确定浆液配合比。按照确定的配合比进行浆液配制时，拌和水温不得高于40℃，制浆材料称量误差控制在5％以内，操作工人必须穿防护服、戴防护手套等防护用具。

注浆前，检查注浆设备是否完好，风压是否足够，风管连接是否牢靠，压力表是否灵敏，做到设备不带病作业。浆液配制好后以0.1～0.3 MPa的注浆压力向小导管内注射浆液。首先，关闭注浆泵的放气阀，将配制好的浆液通过注浆口流入泵体；然后，打开进气阀，压缩空气通过进气阀进入泵体；最后打开出浆阀，浆液通过导管注入地层中，使土体形成固结。浆液注完后，关闭注浆泵的进气阀和出浆阀，同时打开放气阀，排出泵体内的废气。注浆过程中，压力表出现异常情况时，应停止注浆，查找故障。

3.开挖支护

（1）超前探测

洞室开挖前，由于掌子面前方土层的不确定性，需进行超前地质探测。探测工具采用洛阳铲，探测钻孔深度为12 m，上半拱布设2个探测孔，孔径0.1 m。当探测既有管线地段、地质条件发生变化及含水地段时，加强探测频率。

（2）洞室土方开挖

洞室采用上台阶环形开挖留核心体的分部开挖法，开挖步距0.5 m，核心土长度宜为2～3 m，上下台阶开挖错距5 m，此种方法能够保持各开挖阶段的围岩和支护的稳定。开挖时遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针。洞室土方开挖断面图见图3。

洞室开挖采用人工开挖法，配合小型运输车将土运至竖井物料桶内，并通过电动葫芦提升系统将土运至临时土仓内。运输车行走时，对于洞内喷射混凝土强度未达到设计强度85％的部位，在其上铺设钢板加以保护。

严格控制开挖步距，两榀格栅间距不大于0.5 m。开挖完毕后及时进行初次支护，且保证工序衔接，以改善土体的受力条件，对于特殊地段采取缩小格栅间距的措施，加强支护。当遇有小塌方，及时喷锚支护，回填灌浆，达到强度后，再开挖；若出现大塌方立即通知相关领导及时进行处理，保证施工安全。开挖过程中由专人随时观察土体情况，发现地质条件变化，及时调整注浆浆液，确保施工安全有序进行。

洞室开挖后，定期量测初期支护净空收敛和拱顶下沉，做好数据分析，发现异常情况立即上报。根据监控量测信息反馈，采取相应措施，改变施工方法或调整参数，保证施工安全。

（3）钢格栅安装及挂网

图2 小导管加工示意图（单位：mm）

①钢格栅制作。根据设计图纸制作格栅加工模具，保证其弧形圆顺。格栅加工采用冷弯分四片制作，钢筋焊接方式采用双面搭接电弧焊，焊缝高度≥10 mm。首件钢格栅制作完成后，在现场进行试拼装，偏差满足：宽度±20 mm，高度±30 mm，扭曲度20 mm的规定。片与片之间采用螺栓连

接的方式使之连成一体。

图3 洞室土方开挖断面图（单位：mm）

②钢格栅的安装。钢格栅安装主要包括准备工作、测量定位和安装。

准备工作：运至现场的钢格栅分类码放，并挂牌标识。安设前检查断面尺寸是否符合设计要求，清理两侧拱脚处的松碴，垫上木板，以防钢格栅下沉。

测量定位：首先按照控制中线架设钢格栅，然后按照设计标高控制格栅顶部高程，最后检查格栅间距。

钢格栅安设：钢格栅中心间距0.5 m，安装时，接头交错布置。两榀钢格栅间沿环向，内外交错布设Φ22纵向连接筋并焊接成整体，环向间距0.6 m。上半拱钢格栅安装完毕后，在两侧拱脚分别打设一根锁脚锚杆，与钢格栅焊接牢固后挂设钢筋网片，喷射混凝土，封闭成环。

③筋网片制作及安装。钢筋网片采用Φ6@100 mm现场加工成型，钢筋网片在钢格栅内外两侧双层布置，并与其连接牢固。网片搭接长度≥0.1 m，网片铺设紧贴支护面并留有0.3 m的保护层。

④锁脚锚杆施工。锚杆类型为Φ42无缝钢管，壁厚5 mm，长度2.5 m。钻孔前根据中线、标高，设计测放孔位，孔位布置在上半拱两侧的拱脚处。钻孔时，严格按孔位钻孔，控制好钻孔的方向及外插角。

（4）喷射混凝土

①原材料。水泥为P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，细骨料为硬质洁净的中砂，粗骨料采用坚硬耐久、粒径不大于15 mm且级配良好的碎石，水为自来水，速凝剂采用山西凯迪化工有限公司生产的KD-5液体速凝剂。外加剂使用前与水泥做相容性和水泥凝结效果试验，初凝时间不大于5 min，终凝时间不大于10 min。经试验确定，外加剂掺量为水泥用量的5％即可。

②喷射混凝土。根据批准的喷射混凝土配合比，使用经检定的磅秤精准计量原材料，进行现场拌制。混凝土喷射厚度为0.25 m，正式喷射前，在喷射范围内设置控制混凝土喷射厚度的标志。喷浆机放置在平整的场地上调整好后，宜先注水、通风，将管道内的杂物清除干净，清扫施喷面松散土体及杂物等。喷射时喷嘴与施喷面保持垂直，喷射距离控制在1 m左右，由下而上均匀喷射，一次喷射厚度控制在8 cm，分层喷射时，应在前一层混凝土终凝后进行。喷射混凝土终凝2小时后进行洒水养护，洒水次数以能够保证混凝土面始终处于湿润状态为宜。

（5）初期支护背后回填灌浆

①主要技术参数。初期支护回填灌浆管采用外径Ф32无缝钢管，管长0.7 m，壁厚3.5 mm。沿拱顶270°范围布设灌浆管，环向间距2 m，梅花形布置，注浆浆液采用水泥浆液，空隙大的部位采用水泥砂浆。灌浆压力一般为0.2～0.3 MPa。

②回填灌浆施工。回填灌浆前，清理灌浆孔并安装灌浆管，保证管道畅通。灌浆宜从低处向高处压注，便于充填密实，以防浆液被水稀释，影响灌浆效果。灌浆应做到连续作业，中途不得停顿，以防堵塞管路。灌浆过程中，严格控制灌浆压力，避免跑浆或使结构产生裂缝。达到注浆压力后，灌浆孔停止吸浆时，延续灌注5 min后方可停止灌浆。灌浆结束后，应立即关闭阀门，拆除并清洗管路，待浆液初凝后拆卸灌浆管。

五、特殊情况技术处理措施

当遇到小导管打入土体的有效长度不能满足设计要求、打入较困难时，可采取如下3方面具体措施：①选用比原壁厚大一级的小导管，增加小导管的刚度，加大贯入度；②缩短纵向小导管的间距，加密小导管环与环的布置间距，以达到稳固上方土体的安全要求；③采用快速凝固的注浆浆液，打入小导管后及时向管内注浆，及早地使上方土体固结，防止混凝土塌陷。