砂礫巖層隧洞施工優化及新技術新工藝的應用

摘要：本文結合工程實例，介紹砂礫巖層隧洞的優化施工和新技術新工藝的應用。

關鍵詞：砂礫巖層；隧洞；施工優化；新技術新工藝；應用

1 引言

砂礫石是我國西北地區在洪積期所形成的一種比較特殊的地質巖層，其特點為：巖層構成為砂礫卵石，層中多夾砂，膠結程度低，結構較松散，一般為半固結或無固結體。在施工中發現隧洞成型質量差，斷面超欠挖問題突出。各工序作業時間普遍偏長，特別是斷面修整和支護作業時間比標準作業時間超出近一倍，砂礫層噴砼回彈量大，易垮塌，噴砼材料消耗大，工人作業持續時間長，作業強度高，生產率降低。

2 工程概況

黃土灣水電站是疏勒河梯級開發中的第三座水電站，是該流域開工建設的第一座水電站，該水電站位于酒泉市肅北蒙古族自治縣魚兒紅鄉境內，為一座中壩引水式無調節水電站，電站裝機21MW。黃土灣水電站土建工程（Ⅱ標）段主要包括引水發電隧洞工程和調壓井工程。引水發電隧洞總長度為2397.066m，引水發電洞為圓形有壓洞，洞徑D=4.6m，設計流速3.13m/s；調壓井為阻抗式調壓井，調壓室設計為圓形斷面，設計內徑D=12m，阻抗孔直徑2.57m，調壓室內最高涌浪水位2199.36m，最低涌浪水位2176.79m。

工程區地處祁連山西段北麓山區，河谷縱向較為平直，橫向斷面多呈“U” 字形，谷深40～70m，谷內河水流湍急，縱坡7～10﹪，兩側多為Ⅲ～Ⅳ級階地。洞身布置于疏勒河右岸Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級階地之中，長1.345Km，埋深21～68m，上部地形較為平坦，無溝道切割，圍巖由al-plQ2沖洪積砂礫卵石構成，圍巖中無地下水活動。圍巖物理力學指標：密度2.15～2.38 g/c m3，變形模量80～120 Mpa，泊松比0.3～0.35，內摩檫角31～35°，縱波波速1450～2010m/s，堅固系數1～1.2，單位彈性抗力系數1.0～1.5 Mpa/cm。

3 本工程施工的難點

本工程施工難點為砂礫石巖層雖然可以成洞，但受沉積粗細韻律的影響及膠結程度不均質和層理面膠結較差的制約，開挖過程中容易出現隧洞洞頂坍塌和井壁塌滑；在該類巖層進行鉆孔作業極易發生卡鉆，所以爆破進尺和錨桿作業時間會受到較大影響；該類圍巖隧洞在噴砼過程中拱頂因結構松散，膠結差，受爆破擾動影響容易發生塌方、掉塊，噴射混凝土容易剝離脫落，具有較大的安全風險。

4 隧洞開挖的優化設計

項目部邀請蘭州交通大學隧道工程領域的專家教授，與業主、設計、監理等單位人員對酒泉砂礫石爆破技術從理論上進行解釋論證。項目部技術人員在施工過程中運用全面質量管理方法，及時對圍巖變化進行地質描述，根據圍巖情況調整爆破參數，對光爆效果進行檢查，發現問題及時解決糾正，并補充到施工方案中予以標準化。通過2次QC活動優化了酒泉砂礫石條件下的隧洞爆破參數，提高爆破隧洞成洞質量，隧洞爆破取得了較好的爆破輪廓。

4.1 優化原因分析

4.1.1 支洞開挖過程中，緊跟掌子面進行了地質描述，并且按照平均約30m間距設置了頂拱沉降和收斂監測，通過掌子面地質描述和監控量測獲取了較好的圍巖與初期支護的信息反饋，在隧洞施工中該部分工作需要進一步強化以便取得更好的洞室開挖效果（掌子面地質描述表見表4.1）。

4.1.2 洞室開挖前鉆爆設計依據的主要是設計圖紙中關于圍巖地質狀況的描述和劃分，開挖過程中發現該劃分存在明顯偏差。洞室開挖后，揭示了圍巖的真實情況，使得圍巖的軟硬程度、膠結緊密狀況以及巖層的產狀和發展方向等地質條件充分暴露。該地質真實情況的揭示為以后的開挖爆破優化提供了較好的依據。

4.1.3 上游掌子面施工至里程引0+775附近時拱部發生小范圍塌方，開挖揭示該處礫石顆粒較小，砂礫與礫石分層明顯呈堆積狀，下部砂礫層為半固結體，上部礫石層為未固結體，呈松散狀態。為保證施工安全該塌方段采用C20砼素噴5cm先行封閉，采用雙層格柵支撐進行加強支護，圍巖與格柵間掛設Φ6.5@10×10cm鋼筋網片并噴射C20砼15cm。根據酒泉砂礫石的地質性質，后續工作中也許會遇到類似塌方，考慮到這一情況，為保證施工質量和安全，更好解決施工中突發事故，必須對該塌方段進行跟蹤監控，對塌方段支護進行優化。

4.1.4 通過對部分洞段支護后的斷面復測發現，因沉降和收斂的結果，初期支護已經侵占永久襯砌部分厚度，對該部位處理耗時耗力，影響到施工進度，考慮到施工安全和質量，必須在開挖時解決好變形預留問題（實測收斂變形見表4.2）。

4.2 優化的項目和內容

4.2.1進一步規范掌子面地質描述工作，洞室開挖后邀請地質人員對揭露圍巖進行地質調查，對前期設計中地質情況進行補充勘測，對掘進圍巖發展趨勢做出預測。

4.2.1制定完善的監控量測方案，每隔30m布置一組監控量測控制點，并設專人負責，每期對監控量測結果進行分析報告。

4.2.3優化鉆爆參數，通過掌子面地質判斷分析和前期開挖效果反饋的圍巖真實情況分段分類對鉆爆參數進行優化設計。

4.2.4結合地質描述和監控量測數據變形分析，在開挖過程中預留變形量，解決因變形收斂引起的欠挖問題。

4.3 優化后的主要效果

4.3.1對隧洞地質發展情況做出了預測，減少了拱頂塌方放生，確保了施工安全。

4.3.2有效控制了超欠挖，減少了爆破物品的消耗，縮短了工序時間，節約了投資，加快了施工進度。

4.3.3預留沉降量，避免了沉降收斂超限，節省了處理一次支護的時間和費用，保證了施工安全。

4.3.4爆破質量的提高，確保了施工安全，減少了支護作業工作量，加快了支護作業施工進度。

5 隧洞支護的優化設計

支護是保證隧洞施工安全的重要環節，對酒泉砂礫石隧洞支護更為重要，但由于該類圍巖隧道建設少，經驗缺乏，且一切設計前的支護參數的設計都是預設計，需要在施工中根據監控分析進行動態調整和修正。在隧洞施工過程中，噴砼作業中發現隧洞拱部松散的砂礫層極易在噴砼時脫落，造成噴射混凝土難以在拱部形成有效支護，噴砼料回彈量大，噴砼作業時間過長。為達到較好的噴砼效果，提高噴砼質量，保證施工安全，項目部對支洞支護參數進行優化設計，得到了業主、設計和監理單位的支持。

5.1 網噴技術的優化

5.1.1在拱頂砂礫層部位掛設雙層網格，第一層采用密網，第二層采用φ6.5@20×20cm鋼筋網片，雙層網片的作用是阻隔砂礫層與混凝土層脫落。

5.1.2密網尺寸按@8×8cm、@6×6cm、@4×4cm、@2×2cm 4個尺寸進行試驗，根據試驗效果確定密網規格。

5.1.3優化附著配比設計，通過試驗確定粒徑配比及速凝劑產量，對砂石料進行沖洗，減少含泥量，降低回彈率。

5.1.4摻加一定比例合成纖維，增強混凝土粘聚性。

5.1.5通過試驗確定噴砼風壓，風壓既要保證出料均勻又要控制好回彈量。

5.2錨桿施工參數的調整優化

根據施工現場調查，由于在隧洞施工中受到空間限制，長錨桿施工時無法按照技術規范要求角度進行安裝，安裝質量得不到保證，僅起到短錨桿的作用；在鉆孔過程中因卡鉆、塌孔等問題突出，長錨桿施工嚴重占用支護時間，對需要及時支護圍巖施工極為不利；在松砂及礫石膠結較差地段因圍巖強度小，幾乎不能獲得有效錨固力。

鑒于以上原因，項目部對錨桿施工長度、間距和不同地質地段的錨桿類型在實際施工中進行了試驗，獲取了適合酒泉砂礫石圍巖隧洞錨桿施工的合理參數，在施工中對原設計進行了修正。

5.2.1根據地質條件的變化，按照3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m 5個錨桿尺寸進行試驗，確定錨桿在不同地質條件下的有效長度。經過不斷試驗發現錨桿設置長度與圍巖強度密切相關，考慮卡鉆及塌孔因素的影響，酒泉砂礫石圍巖中錨桿的適宜長度為2.5m。

5.2.2依據監控量測，按照1.0m、1.5m、2.0m 3個施工間距進行試驗，確定出錨桿在不同地質條件下的間距。經過試驗發現，錨桿的間距設置與圍巖不連續面密切相關，試驗發現在砂礫巖中錨桿間距為1.0m時最能起到群錨作用。

5.2.3依據抗拔試驗，分析在同一地質條件、不同地質條件下砂漿錨桿、自進式中空注漿錨桿的錨固效力，確定各種地質條件下的最佳錨桿類型。在酒泉砂礫石隧洞中最適宜的錨桿類型為自進式中空注漿錨桿，其次為砂漿錨桿，因錨固附著力的關系在泉砂礫石中使用藥卷錨桿是最不適當的。

5.3 優化后的主要效果

5.3.1試驗確定密網尺寸為@4×4cm，雙層網片有效阻隔砂礫層與混凝土層脫落，解決了合成纖維混凝土的穿透和附著問題，噴砼質量得到較大提高。

5.3.2通過優化附著配合比設計，減少了管路堵塞，自重剝落等現象，提高的噴砼作業效率。

5.3.3合成纖維的摻加有效提高了噴砼抗彎強度和人性指數，增強了混凝土附著力，減少了砼體開裂剝落。

5.3.4通過試驗確定邊墻出砼風壓控制在0.2～0.3Mpa，拱部出砼風壓控制在0.3～0.5Mpa，解決了風壓過大拱頂砂礫巖吹落，風壓小噴砼不密實的問題，即保證了噴砼密實性又降低了噴砼回彈量。

5.3.5通過錨桿參數優化，在不通地段選用適宜性錨桿，有效解決了錨桿施工中卡鉆、支護不及時等現象。隧洞施工中減少了長錨桿的施工數量，在保證施工安全和施工質量的前提下節約了生產投入，提高施工速度。

5.3.6通過大膽嘗試，采用密網施工技術優化支護參數，增加了噴砼附著面積，改善了噴砼料與酒泉砂礫石的粘結性，降低噴砼回彈，提高勞動效率。避免了采用掛網工藝而產生的拱部噴砼后大面積垮塌現象，進而達到提高進度節約成本的目的。通過對錨桿參數的調整，減少了施工過程中長錨桿的浪費施工，提高功效，降低了施工成本。

6 隧洞襯砌施工工藝優化

在隧洞襯砌施工中因受施工空間限制，洞內各工序間相互干擾大，機械設備故障頻繁，前期施工進度緩慢，襯砌施工中存在鋼筋焊接質量差、混凝土外觀存在蜂窩麻面等現象。

6.1 隧洞襯砌施工優化的內容

6.1.1優化施工組織，制定標準作業時間

加強現場管理，各工序制定標準作業時間和作業質量標準，嚴格控制工序交接時間，對施工質量和時間進行考核。

加強機械設備的保養，提高機械操作能力，減少對設備的損害，確保不因機械原因造成施工停滯；補充必要的勞動力，增加熟練工人比例提高作業效率。

6.1.2優化施工工藝采用跳模施工，提高襯砌速度

當下游混凝土澆筑完成后，兩臺襯砌臺車同時調整至上游段進行跳模施工。

合理安排鋼筋綁扎與襯砌施工作業時間，襯砌施工與鋼筋綁扎穿插進行，互不干擾。

6.2 優化后的效果

跳模施工簡化了施工工藝，在跳模過程中減少了后序臺車堵頭模板的安裝工序，同時在前序臺車澆筑完混凝土后即可進行后序臺車混凝土的澆筑，減少了輸送管的拆安等中間工序，提高了臺車及拌和站的利用效率。

通過每月現場跟蹤分析，方案優化后隧洞襯砌施工進度明顯加快，最快達到單周襯砌105m，單月襯砌420m的施工進度，提前15天完成節點工期任務。

6.3調壓井襯砌施工工藝優化

調壓井襯砌原方案計劃采用搭設滿堂支架的翻模法施工，該工法施工簡單，但需要較長的施工準備和施工作業時間，根據施工需要項目部經過綜合考慮選用更先進的滑膜法組織施工，通過方案調整節省了翻模中模板拆安已經混凝土凝固的等待時間，簡化了施工工期，加快了施工進度，保證了合同工期。

7 不良地質條件下的塌方處理

在酒泉砂礫石隧洞中施工因圍巖結構松散等地質條件的影響，隧洞塌方是不可避免的。隧洞塌方后關鍵工作是尋找一種合理的處理方案對塌方進行處理，確保隧洞施工的安全。

2009年11月28日凌晨2：00時許，隧洞施工至引0+756時，隧洞頂拱發生塌方，掌子面揭露圍巖為酒泉砂礫石al-plQ2巖層，巖體膠結較差，分層明顯，下層巖體為砂卵石層，泥硅微膠結，有一定承載力，上層為小粒徑礫石，結構松散，無明顯膠結。塌方體高約3.0m，長約8.0m，寬約3.0m。掌子面與拱頂均有巖塊間隔下落，塌方體有延伸趨勢。經現場會勘，根據酒泉砂礫巖特性，項目部制定了采用雙拱支撐，掌子面前方巖體超前預固結的處理方案，具體方案如下

7.1 封閉塌方體和掌子面

噴射厚4cm的層20混凝土先將塌方體和掌子面進行封閉。

7.2 在塌方體上方架立雙層拱架

拱架間距為0.8m，下層拱架作為主要承載體采用鎖腳錨桿鎖住，縱向采用連接筋連接成一體。上層拱架緊貼巖面進行架立，拱架與圍巖間采用楔形塊楔緊，拱間采用縱向連接筋進行連接，雙層拱架間采用桿件進行支撐。（見下圖1）

7.3 網噴C20混凝土

在上層拱架間掛設鋼筋網片噴C20砼20cm，混凝土噴射要均勻密實在混凝土凝固后在拱頂部位形成硬橋，與拱架一起對圍巖形成有效支撐。

7.4 掌子面超前固結注漿

采用超前小導管對塌方體及進行固結注漿，導管上下間距20cm，下排導管外插角采用5°開口位于工字鋼下緣，上排導管外插角采用35°開口位于工字鋼上緣，導管環向間距20cm，長度4.0m；注漿采用水泥-水玻璃雙液漿；注漿壓力控制在0.5～1.0MPa；注漿順序自下而上，先側墻后拱部進行施工。通過壓注水泥-水玻璃雙液漿，使小導管周圍松散砂礫石固結形成整體受力殼。

7.5 超前小導管固結施工

7.5.1施工準備：加工小導管，準備及檢修施工設備器材，試配雙液漿確定初凝時間、工作面測量、放線、定孔位。

7.5.2小導管加工制作：小導管采用φ42無縫焊管加工而成，小導管前端加工成錐形，以便插打，并防止漿液前沖。中間部位鉆φ8-10mm溢漿孔，呈梅花形布置（防止注漿出現死角），間距20cm，尾部1.0m范圍內不鉆孔防止漏漿，末端焊φ6環形箍筋，以防打設小導管時端部開裂，影響注漿管聯接。

7.5.3注漿加固范圍及小導管布設：采用φ42超前注漿小導管，環向間距0.2m，下排外插角為5°上排外插腳35°。布設范圍在拱部及側墻。

7.5.4小導管安裝：導管采用風動式鑿巖機直接頂入圍巖。

7.5.5注雙液漿：注漿采用水泥-水玻璃雙液漿。漿液水灰比可選用0.8∶1.0，注漿完后，立即堵塞孔口，防止漿液外流。

在黃土灣引水隧洞施工中主洞段共發生小斷面塌方8起，最大塌方長度約13m，最大塌方高度約5m，隧洞塌方給施工帶來了安全上的隱患，同時也嚴重制約了施工進度。在黃土灣引水隧洞施工中我們通過采用雙層拱架結合超前支護技術有效地解決了砂礫石隧洞塌方難題，為類似隧洞施工積累了經驗。

8 結束語

目前我國水工隧洞的建設多集中在西南地區，隧洞多在較堅硬的巖體中修建，在酒泉砂礫石隧洞施工中只能借鑒一些軟巖隧洞的施工經驗，但酒泉砂礫石與一般的軟巖有根本性的區別。我單位在施工中通過大膽嘗試，通過優化施工和采用新的技術和工藝，提高了施工質量和施工效率，保證了安全施工，有效縮短了工期；通過對塌方的處理，有效地解決了砂礫石隧洞塌方難題，積累了砂礫石隧洞施工的經驗、為以后類似隧洞的施工提供了借鑒。

參考文獻：

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[2]公路隧道施工技術規范，JTG F60-2009

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