隧洞喷射混凝土空腔的检查及处理方案探讨

罗 勇， 张 卫 华， 孙 根 江

(中国安能集团第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

硬梁包水电站位于四川省甘孜藏族自治州泸定县冷碛镇境内的大渡河干流上，工程规模为二等大(2)型，为引水式发电，引水隧洞为两条平行布置的隧洞，中心间距60 m，最大开挖洞径15.64 m，分上、下半洞进行开挖，上半洞开挖高度为8.5 m、下半洞开挖高度为7.14 m。

考虑到该引水隧洞地质条件复杂，Ⅳ类、Ⅴ类围岩居多，加上围岩破碎、渗水、蚀变等多种不利条件影响，为避免拱顶120°范围内喷射混凝土存在空腔而给围岩形成卸荷空间和冲击行程，确保引水隧洞下半洞下卧开挖的安全，非常有必要对上半洞喷射混凝土进行空腔检查，对有空腔的部位及时进行回填处理。

2 空腔产生的原因

(1)超挖或开挖后未及时进行支护而导致的局部坍落，施作喷射混凝土前未按要求使用同级混凝土回填密实[1]。

(2)湿喷机操作手操作不当，未严格执行自下至上的分层喷射混凝土工艺。拱顶喷混凝土混合料在自重作用下易与岩石接触面出现较大空腔[2]。

(3)钢拱架及钢筋挂网阻挡了喷射混凝土与围岩大面积接触，在其上形成混凝土壳体而造成缝隙和空腔[3]。

(4)在处理超挖部位或塌方空腔时，虽然采取了分层多次喷射的工艺措施，但受施工条件限制，仍有部分缝隙和空腔未回填密实，存在不同程度的缝隙和空腔[4]。

(5)局部洞段因渗水量大，在一定程度上影响到喷混凝土料与基面的粘接性。

3 空腔检验处理的原则

笔者结合该隧洞实际的地质条件及现场施工状况，重点对以下部位进行了检查及处理：

(1)硬梁包水电站引水隧洞地质条件复杂，在开挖支护过程中多次出现塌方，其断面普遍都存在超挖，因此，需重点对超挖较大及塌方洞段进行检查并及时进行回填处理。

(2)重点对Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段拱顶120°范围进行检查及处理，并根据拱顶空腔的大小，选择适宜的回填方式进行回填处理。

4 空腔的检验方法

4.1 空腔检验方法的选取

对于喷混凝土空腔的检验，常规的方法主要有地质雷达探测、钻孔取芯及机械设备造孔等方法，笔者对各种方法的优缺点阐述如下：

(1)地质雷达探测空腔：由于喷射混凝土表面不平整，加上超前小导管、锚杆、钢筋网片、钢拱架的影响，经现场试验使用后其检验效果不理想[5]。因此，该方法仅适用于对光滑面探测混凝土空腔，而难以适用于喷射混凝土空腔探测。

(2)钻孔取芯检测空腔：由于隧洞喷射混凝土空腔主要集中在拱顶120°范围内，加上拱顶超前支护工程量大，人工钻孔取芯检测现场实施难度大，施工进展慢、成本高[6]。

(3)机械设备进行钻孔：主要是采用机械设备进行钻孔，钻孔后再利用登高平台由人工采用强光手电筒照射孔内进行检查并结合内窥镜高清摄像头进行孔内探测的方法，该方法简单适用，可以进行机械化快速施工，能够满足隧洞喷射混凝土空腔检查的需要。

综上所述，硬梁包引水隧洞喷射混凝土拱顶120°范围内的空腔检查主要是采取大型机械设备多臂钻进行钻孔，再利用登高平台由人工采用强光手电筒照射孔内进行检查的方法进行检查。

4.2 空腔检查的主要实施参数

(1)造孔参数：沿洞轴线水流方向按照间距5 m布置一组断面、每组断面布置3个检查孔，单个检查孔孔径为50 mm，孔深原则上按照最大设计喷混凝土厚度的1.3～1.5倍长度的孔深进行控制，对于个别超挖较大的断面适当加深钻孔，具体情况见图1。

图1 检查孔布置示意图

(2)引水隧洞拱顶120°范围内小导管密集，在钻进过程中若遇到小导管，需调整钻进角度或在其旁边重新开孔钻进，避免破坏超前小导管。

(3)造孔按照设计参数测量放点并进行标记，根据标记位置使用多臂钻钻孔，现场管理人员根据各断面超挖测量资料、设计喷混凝土厚度对作业人员进行交底，明确钻孔的孔位、孔深，作业人员根据交底要求的参数进行钻孔作业，具体操作如下：

①施工用电原则上就近利用掌子面的施工电源，在无法利用掌子面电源时采用1台300 kW柴油发电机供电，柴油发电机布置在轻型小货车上，随多臂钻造孔的往前推进而移动。

②作业人员的钻孔深度原则上按照最大设计喷混凝土厚度的1.3～1.5倍长度的孔深进行控制，在钻进过程中，若有钻机突进现象时应停止钻进作业，说明拱顶空腔位置已到达。

③作业人员在钻孔深度达到要求的深度、钻进过程中未发现有钻杆突进现象时，即可停止钻孔作业。

④钻孔完成后，逐孔进行检验。检验主要是利用12 t随车吊作为登高检查平台，利用强光手电筒照射孔内进行检查，对发现有缝隙和空腔的孔洞深入铁丝至空腔范围内测量该空腔的范围，并做好记录及时进行回填补强处理；对于检查合格的孔洞可留置到后期作为混凝土衬砌回填的灌浆孔。

5 针对空腔采用的补强措施

空腔的补强措施主要是采取压注水泥浆、M25水泥砂浆及一级配混凝土等方法，具体措施如下：

5.1 空腔高度小于10 cm的部位

对于空腔高度小于10 cm的部位，利用拱顶先行已成孔的检查孔插入φ42 mm钢管压注纯水泥浆进行处理，水灰比先按照0.5∶1实施，在压注过程中结合实际情况调整水灰比，将注浆压力控制在0.3～0.4 MPa，采用3SNS型砂浆泵纯压式注入，在规定的压力下，当注入率不大于0.4 L/min时，继续灌注30 min，回填灌注即可结束，灌注完成后，用棉纱封堵注浆管以防止浆液从管内流出。

5.2 空腔高度为10～50 cm的部位

对于空腔高度为10～50 cm的部位，利用拱顶先行已成孔的检查孔插入φ42 mm钢管压注M25水泥砂浆进行处理，要求水泥砂浆具有良好的流动性，按照试验室报送的配比进行拌制，砂浆配合比参照表1执行。

表1 M25砂浆材料配合比表

M25水泥砂浆注入设备主要采用3SNS型砂浆泵，采用纯压式注入，注浆压力可以控制在0.3～0.4 MPa。

5.3 空腔高度大于50 cm的部位

(1)在喷射混凝土阶段，提前预埋φ108 mm钢管，待喷射混凝土达到设计强度后接混凝土输送泵泵送一级配混凝土。要求混凝土具有良好的和易性，将塌落度控制在150～200 mm。

(2)若在喷射混凝土阶段没有预埋钢管，可采取地质钻机进行造孔，然后埋设钢管接混凝土输送泵泵送一级配混凝土，亦可压注M25水泥砂浆进行处理，M25砂浆配合比可参照表1执行。

(3)对于空腔大于50 cm的部位，采用泵送混凝土或压注M25水泥砂浆。为确保回填过程中不致于对已喷射的混凝土及型钢拱架造成破坏，原则上要求分多次进行灌注，对于回填工程量在20 m3以内的可以一次性进行浇筑，对于20～40 m3的则要求两次以上进行浇筑，40～60 m3则要求三次以上进行浇筑，对大于60 m3以上的则要求单次浇筑混凝土工程量不得大于20 m3，且相邻两次需在前一次灌注完成7～14 d后浇筑下一层。

6 质量控制措施

(1)严禁“三无”材料或产品进入施工场地。

(2)所有工序要求认真填写详细的施工记录，对施工中发现的任何质量异常情况都要及时向技术人员报告，提出整改措施。

(3)每道工序开工前必须进行技术交底，严格落实质量“三检制”和“联检制”，同时，必须经现场质检员、监理工程师进行质量检查合格后方可进入下道工序。

(4)注浆过程中要随时观察注浆效果，分析量测数据，发现问题必须停工进行处理。

7 施工要求及注意事项

7.1 施工要求

(1)拱顶空腔回填预埋或插入钢管时，钢管端头应插入至拱顶基岩面，与拱顶基岩面的距离要求不大于2 cm，以确保进浆管能够顺利进浆为宜。

(2)所有浆液、砂浆或混凝土等材料的配合比在施工前必须经试验后确定。

(3)施工过程中，一旦发现安全隐患必须立即停止工作，组织人员进行处理，安全隐患不消除不得进行除排险外的其他任何工作。

7.2 施工注意事项

空腔回填喷射混凝土过程中存在隧洞坍塌、注浆液体高压伤人、粉尘等安全风险，施工中要求注意以下事项：

(1)实行逐级安全技术交底制，凡参加安全技术交底的人员一定要履行签字手续并保存资料，专职安全员对安全技术措施的执行情况全程进行监督检查并作好详细记录。

(2)加强监控量测，确保施工人员的安全，拱顶空腔回填原则上要求安排在白天进行回填灌注，灌注期间安排专职安全员全程值班，发现不安全因素必须及时进行处理。

(3)从事高处作业的人员必须经过逐级的安全教育和指导，并告知岗位存在的危险性和重要性，方能让其从事登高工作。

(5)注意用电安全，电工在作业过程中应集中思想，不能麻痹大意，防止操作时失误而引起事故。

8 针对空腔喷射混凝土采取的预防措施

(1)加强围岩爆破控制，合理控制循环进尺，对于开挖循环进尺：Ⅲ类围岩不大于3 m、Ⅳ类围岩不大于2 m、Ⅴ类围岩不大于1 m，以确保开挖断面具有良好的爆破效果和围岩基面平整度。

(2)加强超前小导管注浆或超前锚杆施工，开挖后严格执行喷射混凝土初喷工艺，按照先初喷混凝土→挂钢筋网片→型钢拱架及锁脚锚杆→复喷混凝土、系统锚杆的顺序施工，钢筋网片必须紧贴岩面，严禁搭接或贴在型钢拱架上。

(3)加强对施工作业人员的质量意识教育，使每个作业人员熟悉并掌握每一道工序的质量标准。喷混凝土作业时，要求作业人员严格按照施工工艺分层施作喷射混凝土。

(4)加强对施工现场管理人员的责任心教育，把好每一道施工工序质量，尤其是在隧洞拱顶120°范围内喷射混凝土作业时，要求现场管理人员旁站监督，确保隧洞拱顶120°范围内的喷射混凝土质量。

(5)隧洞开挖过程中，当出现局部塌方空腔或较大超挖时，增加双层钢筋网、钢支撑副拱，提前预埋灌浆管，喷射混凝土分层回填密实。

9 结 语

隧洞喷射混凝土空腔的形成原因诸多，若要全面消除空腔，一方面是在施工过程中通过参建各方在现场共同做出努力以尽量减少空腔的形成；另一方面，在喷射混凝土完成后必须及时进行空腔检查，对发现的空腔及时进行回填处理，才能完全消除隧洞喷射混凝土缺陷，确保隧洞施工及运行安全。