中铁十四局集团有限公司建筑工程分公司
摘要：本文结合工程实例，介绍砂砾岩层隧洞的优化施工和新技术新工艺的应用。
关键词：砂砾岩层；隧洞；施工优化；新技术新工艺；应用
1 引言
砂砾石是我国西北地区在洪积期所形成的一种比较特殊的地质岩层，其特点为：岩层构成为砂砾卵石，层中多夹砂，胶结程度低，结构较松散，一般为半固结或无固结体。在施工中发现隧洞成型质量差，断面超欠挖问题突出。各工序作业时间普遍偏长，特别是断面修整和支护作业时间比标准作业时间超出近一倍，砂砾层喷砼回弹量大，易垮塌，喷砼材料消耗大，工人作业持续时间长，作业强度高，生产率降低。
2 工程概况
黄土湾水电站是疏勒河梯级开发中的第三座水电站，是该流域开工建设的第一座水电站，该水电站位于酒泉市肃北蒙古族自治县鱼儿红乡境内，为一座中坝引水式无调节水电站，电站装机21MW。黄土湾水电站土建工程（Ⅱ标）段主要包括引水发电隧洞工程和调压井工程。引水发电隧洞总长度为2397.066m，引水发电洞为圆形有压洞，洞径D=4.6m，设计流速3.13m/s；调压井为阻抗式调压井，调压室设计为圆形断面，设计内径D=12m，阻抗孔直径2.57m，调压室内最高涌浪水位2199.36m，最低涌浪水位2176.79m。
工程区地处祁连山西段北麓山区，河谷纵向较为平直，横向断面多呈“U” 字形，谷深40～70m，谷内河水流湍急，纵坡7～10﹪，两侧多为Ⅲ～Ⅳ级阶地。洞身布置于疏勒河右岸Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级阶地之中，长1.345Km，埋深21～68m，上部地形较为平坦，无沟道切割，围岩由al-plQ2冲洪积砂砾卵石构成，围岩中无地下水活动。围岩物理力学指标：密度2.15～2.38 g/c m3，变形模量80～120 Mpa，泊松比0.3～0.35，内摩檫角31～35°，纵波波速1450～2010m/s，坚固系数1～1.2，单位弹性抗力系数1.0～1.5 Mpa／cm。
3 本工程施工的难点
本工程施工难点为砂砾石岩层虽然可以成洞，但受沉积粗细韵律的影响及胶结程度不均质和层理面胶结较差的制约，开挖过程中容易出现隧洞洞顶坍塌和井壁塌滑；在该类岩层进行钻孔作业极易发生卡钻，所以爆破进尺和锚杆作业时间会受到较大影响；该类围岩隧洞在喷砼过程中拱顶因结构松散，胶结差，受爆破扰动影响容易发生塌方、掉块，喷射混凝土容易剥离脱落，具有较大的安全风险。
4 隧洞开挖的优化设计
项目部邀请兰州交通大学隧道工程领域的专家教授，与业主、设计、监理等单位人员对酒泉砂砾石爆破技术从理论上进行解释论证。项目部技术人员在施工过程中运用全面质量管理方法，及时对围岩变化进行地质描述，根据围岩情况调整爆破参数，对光爆效果进行检查，发现问题及时解决纠正，并补充到施工方案中予以标准化。通过2次QC活动优化了酒泉砂砾石条件下的隧洞爆破参数，提高爆破隧洞成洞质量，隧洞爆破取得了较好的爆破轮廓。
4.1 优化原因分析
4.1.1 支洞开挖过程中，紧跟掌子面进行了地质描述，并且按照平均约30m间距设置了顶拱沉降和收敛监测，通过掌子面地质描述和监控量测获取了较好的围岩与初期支护的信息反馈，在隧洞施工中该部分工作需要进一步强化以便取得更好的洞室开挖效果（掌子面地质描述表见表4.1）。
表4.1 掌子面地质素描记录表
工程名称：黄土湾引水隧洞 施工里程：引1+255 编号：质统—地质-26
编号 项 目名 称 状 态 描 述 1 掌子面尺 寸 1开挖方式 全断面 2开挖洞径 D=7.5m 3开挖面积 S=25.5m2 其他 2 掌子面状 态 稳 定 正面掉块 √ 正面挤出 正面不能自稳 其他 3 毛开挖面状态 自 稳 随时间松弛、掉块 √ 自稳困难、要及时支护 要超前支护 其他 4 岩石强度（MPa） 30~60 15~30 5~15 √ ＜5 其他 5 风化程度 微风化 风 化 强风化 全风化 其他 √ 6 裂隙密度（条/m） ＞5 3~5 1~3 √ ＜1 其他 7 裂隙状态 闭 合 部分张开 开 口 夹有粘土 √ 其他 8 岩块形态 随机、方形 柱 状 层状、片状 土砂状细片状 √ 其他 9 涌水状态 无 水 √ 渗 水 整体湿润 涌出或喷出 特别大 10 围岩级别划分 Ⅴ级 
图 例 备 注 
备 注 记录者： 复核者： 日期：
4.1.2 洞室开挖前钻爆设计依据的主要是设计图纸中关于围岩地质状况的描述和划分，开挖过程中发现该划分存在明显偏差。洞室开挖后，揭示了围岩的真实情况，使得围岩的软硬程度、胶结紧密状况以及岩层的产状和发展方向等地质条件充分暴露。该地质真实情况的揭示为以后的开挖爆破优化提供了较好的依据。
4.1.3 上游掌子面施工至里程引0+775附近时拱部发生小范围塌方，开挖揭示该处砾石颗粒较小，砂砾与砾石分层明显呈堆积状，下部砂砾层为半固结体，上部砾石层为未固结体，呈松散状态。为保证施工安全该塌方段采用C20砼素喷5cm先行封闭，采用双层格栅支撑进行加强支护，围岩与格栅间挂设Φ6.5@10×10cm钢筋网片并喷射C20砼15cm。根据酒泉砂砾石的地质性质，后续工作中也许会遇到类似塌方，考虑到这一情况，为保证施工质量和安全，更好解决施工中突发事故，必须对该塌方段进行跟踪监控，对塌方段支护进行优化。
4.1.4 通过对部分洞段支护后的断面复测发现，因沉降和收敛的结果，初期支护已经侵占永久衬砌部分厚度，对该部位处理耗时耗力，影响到施工进度，考虑到施工安全和质量，必须在开挖时解决好变形预留问题（实测收敛变形见表4.2）。
表4.2 洞室开挖收敛变形统计表
部 位 岩性 断面数 顶拱最大沉降值 实测变形特征值（mm） 最大值 最小值 平均值 引1+020~引0+660 al-plQ1 al-plQ2 al-plQ3 al-plQ4 0 3 5 4 23.65 - 20.38 65.64 120.36 - 7.85 31.28 42.13 - 12.69 48.36 67.83 引1+080~引1+320 al-plQ1 al-plQ2 al-plQ3 al-plQ4 2 3 3 0 17.31 103.45 26.86 52.34 - 65.34 4.62 29.17 - 84.40 10.46 38.27 - 引0+030~引0+420 al-plQ1 al-plQ2 al-plQ3 al-plQ4 1 3 6 3 26.88 96.62 31.61 71.75 - 96.62 8.39 22.73 - 96.62 13.43 46.38 - 总 计 33
4.2 优化的项目和内容
4.2.1进一步规范掌子面地质描述工作，洞室开挖后邀请地质人员对揭露围岩进行地质调查，对前期设计中地质情况进行补充勘测，对掘进围岩发展趋势做出预测。
4.2.1制定完善的监控量测方案，每隔30m布置一组监控量测控制点，并设专人负责，每期对监控量测结果进行分析报告。
4.2.3优化钻爆参数，通过掌子面地质判断分析和前期开挖效果反馈的围岩真实情况分段分类对钻爆参数进行优化设计。
4.2.4结合地质描述和监控量测数据变形分析，在开挖过程中预留变形量，解决因变形收敛引起的欠挖问题。
4.3 优化后的主要效果
4.3.1对隧洞地质发展情况做出了预测，减少了拱顶塌方放生，确保了施工安全。
4.3.2有效控制了超欠挖，减少了爆破物品的消耗，缩短了工序时间，节约了投资，加快了施工进度。
4.3.3预留沉降量，避免了沉降收敛超限，节省了处理一次支护的时间和费用，保证了施工安全。
4.3.4爆破质量的提高，确保了施工安全，减少了支护作业工作量，加快了支护作业施工进度。
洞室开挖优化情况见表4.3
表4.3 洞室开挖优化情况统计表
部 位 设计断 面（m2） 实测 数（个） 实测平均 值（m2） 实测与设计对比分析 偏差值 超挖率 允许超挖 引0+030~引0+050 30.18 4 33.14 -2.96 9.8% 15% 引0+050~引0+510 25.50 46 26.92 -1.42 5.6% 15% 引0+510~引1+060 25.50 55 27.63 -2.13 8.3% 15% 引1+060~引1+377.06 25.50 31 27.47 -1.97 7.7% 15% 引1+377.06~引1+397.06 30.18 4 32.75 -2.57 8.5% 15% 总 计 140
5 隧洞支护的优化设计
支护是保证隧洞施工安全的重要环节，对酒泉砂砾石隧洞支护更为重要，但由于该类围岩隧道建设少，经验缺乏，且一切设计前的支护参数的设计都是预设计，需要在施工中根据监控分析进行动态调整和修正。在隧洞施工过程中，喷砼作业中发现隧洞拱部松散的砂砾层极易在喷砼时脱落，造成喷射混凝土难以在拱部形成有效支护，喷砼料回弹量大，喷砼作业时间过长。为达到较好的喷砼效果，提高喷砼质量，保证施工安全，项目部对支洞支护参数进行优化设计，得到了业主、设计和监理单位的支持。
5.1 网喷技术的优化
5.1.1在拱顶砂砾层部位挂设双层网格，第一层采用密网，第二层采用φ6.5@20×20cm钢筋网片，双层网片的作用是阻隔砂砾层与混凝土层脱落。
5.1.2密网尺寸按@8×8cm、@6×6cm、@4×4cm、@2×2cm 4个尺寸进行试验，根据试验效果确定密网规格。
5.1.3优化附着配比设计，通过试验确定粒径配比及速凝剂产量，对砂石料进行冲洗，减少含泥量，降低回弹率。
5.1.4掺加一定比例合成纤维，增强混凝土粘聚性。
5.1.5通过试验确定喷砼风压，风压既要保证出料均匀又要控制好回弹量。
5.2锚杆施工参数的调整优化
根据施工现场调查，由于在隧洞施工中受到空间限制，长锚杆施工时无法按照技术规范要求角度进行安装，安装质量得不到保证，仅起到短锚杆的作用；在钻孔过程中因卡钻、塌孔等问题突出，长锚杆施工严重占用支护时间，对需要及时支护围岩施工极为不利；在松砂及砾石胶结较差地段因围岩强度小，几乎不能获得有效锚固力。
鉴于以上原因，项目部对锚杆施工长度、间距和不同地质地段的锚杆类型在实际施工中进行了试验，获取了适合酒泉砂砾石围岩隧洞锚杆施工的合理参数，在施工中对原设计进行了修正。
5.2.1根据地质条件的变化，按照3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m 5个锚杆尺寸进行试验，确定锚杆在不同地质条件下的有效长度。经过不断试验发现锚杆设置长度与围岩强度密切相关，考虑卡钻及塌孔因素的影响，酒泉砂砾石围岩中锚杆的适宜长度为2.5m。
5.2.2依据监控量测，按照1.0m、1.5m、2.0m 3个施工间距进行试验，确定出锚杆在不同地质条件下的间距。经过试验发现，锚杆的间距设置与围岩不连续面密切相关，试验发现在砂砾岩中锚杆间距为1.0m时最能起到群锚作用。
5.2.3依据抗拔试验，分析在同一地质条件、不同地质条件下砂浆锚杆、自进式中空注浆锚杆的锚固效力，确定各种地质条件下的最佳锚杆类型。在酒泉砂砾石隧洞中最适宜的锚杆类型为自进式中空注浆锚杆，其次为砂浆锚杆，因锚固附着力的关系在泉砂砾石中使用药卷锚杆是最不适当的。
5.3 优化后的主要效果
5.3.1试验确定密网尺寸为@4×4cm，双层网片有效阻隔砂砾层与混凝土层脱落，解决了合成纤维混凝土的穿透和附着问题，喷砼质量得到较大提高。
5.3.2通过优化附着配合比设计，减少了管路堵塞，自重剥落等现象，提高的喷砼作业效率。
5.3.3合成纤维的掺加有效提高了喷砼抗弯强度和人性指数，增强了混凝土附着力，减少了砼体开裂剥落。
5.3.4通过试验确定边墙出砼风压控制在0.2~0.3Mpa，拱部出砼风压控制在0.3~0.5Mpa，解决了风压过大拱顶砂砾岩吹落，风压小喷砼不密实的问题，即保证了喷砼密实性又降低了喷砼回弹量。
5.3.5通过锚杆参数优化，在不通地段选用适宜性锚杆，有效解决了锚杆施工中卡钻、支护不及时等现象。隧洞施工中减少了长锚杆的施工数量，在保证施工安全和施工质量的前提下节约了生产投入，提高施工速度。
5.3.6通过大胆尝试，采用密网施工技术优化支护参数，增加了喷砼附着面积，改善了喷砼料与酒泉砂砾石的粘结性，降低喷砼回弹，提高劳动效率。避免了采用挂网工艺而产生的拱部喷砼后大面积垮塌现象，进而达到提高进度节约成本的目的。通过对锚杆参数的调整，减少了施工过程中长锚杆的浪费施工，提高功效，降低了施工成本。
6 隧洞衬砌施工工艺优化
在隧洞衬砌施工中因受施工空间限制，洞内各工序间相互干扰大，机械设备故障频繁，前期施工进度缓慢，衬砌施工中存在钢筋焊接质量差、混凝土外观存在蜂窝麻面等现象。
6.1 隧洞衬砌施工优化的内容
6.1.1优化施工组织，制定标准作业时间
加强现场管理，各工序制定标准作业时间和作业质量标准，严格控制工序交接时间，对施工质量和时间进行考核。
加强机械设备的保养，提高机械操作能力，减少对设备的损害，确保不因机械原因造成施工停滞；补充必要的劳动力，增加熟练工人比例提高作业效率。
6.1.2优化施工工艺采用跳模施工，提高衬砌速度
当下游混凝土浇筑完成后，两台衬砌台车同时调整至上游段进行跳模施工。
合理安排钢筋绑扎与衬砌施工作业时间，衬砌施工与钢筋绑扎穿插进行，互不干扰。
6.2 优化后的效果
跳模施工简化了施工工艺，在跳模过程中减少了后序台车堵头模板的安装工序，同时在前序台车浇筑完混凝土后即可进行后序台车混凝土的浇筑，减少了输送管的拆安等中间工序，提高了台车及拌和站的利用效率。
通过每月现场跟踪分析，方案优化后隧洞衬砌施工进度明显加快，最快达到单周衬砌105m，单月衬砌420m的施工进度，提前15天完成节点工期任务。
6.3调压井衬砌施工工艺优化
调压井衬砌原方案计划采用搭设满堂支架的翻模法施工，该工法施工简单，但需要较长的施工准备和施工作业时间，根据施工需要项目部经过综合考虑选用更先进的滑膜法组织施工，通过方案调整节省了翻模中模板拆安已经混凝土凝固的等待时间，简化了施工工期，加快了施工进度，保证了合同工期。
7 不良地质条件下的塌方处理
在酒泉砂砾石隧洞中施工因围岩结构松散等地质条件的影响，隧洞塌方是不可避免的。隧洞塌方后关键工作是寻找一种合理的处理方案对塌方进行处理，确保隧洞施工的安全。
2009年11月28日凌晨2：00时许，隧洞施工至引0+756时，隧洞顶拱发生塌方，掌子面揭露围岩为酒泉砂砾石al-plQ2岩层，岩体胶结较差，分层明显，下层岩体为砂卵石层，泥硅微胶结，有一定承载力，上层为小粒径砾石，结构松散，无明显胶结。塌方体高约3.0m，长约8.0m，宽约3.0m。掌子面与拱顶均有岩块间隔下落，塌方体有延伸趋势。经现场会勘，根据酒泉砂砾岩特性，项目部制定了采用双拱支撑，掌子面前方岩体超前预固结的处理方案，具体方案如下
7.1 封闭塌方体和掌子面
喷射厚4cm的层20混凝土先将塌方体和掌子面进行封闭。
7.2 在塌方体上方架立双层拱架
拱架间距为0.8m，下层拱架作为主要承载体采用锁脚锚杆锁住，纵向采用连接筋连接成一体。上层拱架紧贴岩面进行架立，拱架与围岩间采用楔形块楔紧，拱间采用纵向连接筋进行连接，双层拱架间采用杆件进行支撑。（见下图1）
图1 引0+740~737处塌方处理拱架图
7.3 网喷C20混凝土
在上层拱架间挂设钢筋网片喷C20砼20cm，混凝土喷射要均匀密实在混凝土凝固后在拱顶部位形成硬桥，与拱架一起对围岩形成有效支撑。
7.4 掌子面超前固结注浆
采用超前小导管对塌方体及进行固结注浆，导管上下间距20cm，下排导管外插角采用5°开口位于工字钢下缘，上排导管外插角采用35°开口位于工字钢上缘，导管环向间距20cm，长度4.0m；注浆采用水泥-水玻璃双液浆；注浆压力控制在0.5～1.0MPa；注浆顺序自下而上，先侧墙后拱部进行施工。通过压注水泥-水玻璃双液浆，使小导管周围松散砂砾石固结形成整体受力壳。
7.5 超前小导管固结施工
7.5.1施工准备：加工小导管，准备及检修施工设备器材，试配双液浆确定初凝时间、工作面测量、放线、定孔位。
7.5.2小导管加工制作：小导管采用φ42无缝焊管加工而成，小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。中间部位钻φ8-10mm溢浆孔，呈梅花形布置（防止注浆出现死角），间距20cm，尾部1.0m范围内不钻孔防止漏浆，末端焊φ6环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接。
7.5.3注浆加固范围及小导管布设：采用φ42超前注浆小导管，环向间距0.2m，下排外插角为5°上排外插脚35°。布设范围在拱部及侧墙。
7.5.4小导管安装：导管采用风动式凿岩机直接顶入围岩。
7.5.5注双液浆：注浆采用水泥-水玻璃双液浆。浆液水灰比可选用0.8∶1.0，注浆完后，立即堵塞孔口，防止浆液外流。
在黄土湾引水隧洞施工中主洞段共发生小断面塌方8起，最大塌方长度约13m，最大塌方高度约5m，隧洞塌方给施工带来了安全上的隐患，同时也严重制约了施工进度。在黄土湾引水隧洞施工中我们通过采用双层拱架结合超前支护技术有效地解决了砂砾石隧洞塌方难题，为类似隧洞施工积累了经验。
8 结束语
目前我国水工隧洞的建设多集中在西南地区，隧洞多在较坚硬的岩体中修建，在酒泉砂砾石隧洞施工中只能借鉴一些软岩隧洞的施工经验，但酒泉砂砾石与一般的软岩有根本性的区别。我单位在施工中通过大胆尝试，通过优化施工和采用新的技术和工艺，提高了施工质量和施工效率，保证了安全施工，有效缩短了工期；通过对塌方的处理，有效地解决了砂砾石隧洞塌方难题，积累了砂砾石隧洞施工的经验、为以后类似隧洞的施工提供了借鉴。
参考文献：
[1]关宝树、国兆林.隧道及地下工程.成都：西南交通大学出版社.2000
[2]公路隧道施工技术规范，JTG F60-2009
[3]工程测量规范，GB50026-2007
论文作者:肖振江
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/11
标签：隧洞论文; 砂砾论文; 围岩论文; 地质论文; 酒泉论文; 作业论文; 导管论文; 《基层建设》2015年12期论文;