摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹砂礫巖層隧洞的優(yōu)化施工和新技術(shù)新工藝的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：砂礫巖層；隧洞；施工優(yōu)化；新技術(shù)新工藝；應(yīng)用

1 引言

砂礫石是我國西北地區(qū)在洪積期所形成的一種比較特殊的地質(zhì)巖層，其特點(diǎn)為：巖層構(gòu)成為砂礫卵石，層中多夾砂，膠結(jié)程度低，結(jié)構(gòu)較松散，一般為半固結(jié)或無固結(jié)體。在施工中發(fā)現(xiàn)隧洞成型質(zhì)量差，斷面超欠挖問題突出。各工序作業(yè)時(shí)間普遍偏長，特別是斷面修整和支護(hù)作業(yè)時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)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(yè)持續(xù)時(shí)間長，作業(yè)強(qiáng)度高，生產(chǎn)率降低。

2 工程概況

黃土灣水電站是疏勒河梯級開發(fā)中的第三座水電站，是該流域開工建設(shè)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(xiāng)境內(nèi)，為一座中壩引水式無調(diào)節(jié)水電站，電站裝機(jī)21MW。黃土灣水電站土建工程（Ⅱ標(biāo)）段主要包括引水發(fā)電隧洞工程和調(diào)壓井工程。引水發(fā)電隧洞總長度為2397.066m，引水發(fā)電洞為圓形有壓洞，洞徑D=4.6m，設(shè)計(jì)流速3.13m/s；調(diào)壓井為阻抗式調(diào)壓井，調(diào)壓室設(shè)計(jì)為圓形斷面，設(shè)計(jì)內(nèi)徑D=12m，阻抗孔直徑2.57m，調(diào)壓室內(nèi)最高涌浪水位2199.36m，最低涌浪水位2176.79m。

工程區(qū)地處祁連山西段北麓山區(qū)，河谷縱向較為平直，橫向斷面多呈“U” 字形，谷深40～70m，谷內(nèi)河水流湍急，縱坡7～10﹪，兩側(cè)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(gòu)成，圍巖中無地下水活動。圍巖物理力學(xué)指標(biāo)：密度2.15～2.38 g/c m3，變形模量80～120 Mpa，泊松比0.3～0.35，內(nèi)摩檫角31～35°，縱波波速1450～2010m/s，堅(jiān)固系數(shù)1～1.2，單位彈性抗力系數(shù)1.0～1.5 Mpa/cm。

3 本工程施工的難點(diǎn)

本工程施工難點(diǎn)為砂礫石巖層雖然可以成洞，但受沉積粗細(xì)韻律的影響及膠結(jié)程度不均質(zhì)和層理面膠結(jié)較差的制約，開挖過程中容易出現(xiàn)隧洞洞頂坍塌和井壁塌滑；在該類巖層進(jìn)行鉆孔作業(yè)極易發(fā)生卡鉆，所以爆破進(jìn)尺和錨桿作業(yè)時(shí)間會受到較大影響；該類圍巖隧洞在噴砼過程中拱頂因結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)差，受爆破擾動影響容易發(fā)生塌方、掉塊，噴射混凝土容易剝離脫落，具有較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 隧洞開挖的優(yōu)化設(shè)計(jì)

項(xiàng)目部邀請?zhí)m州交通大學(xué)隧道工程領(lǐng)域的專家教授，與業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等單位人員對酒泉砂礫石爆破技術(shù)從理論上進(jìn)行解釋論證。項(xiàng)目部技術(shù)人員在施工過程中運(yùn)用全面質(zhì)量管理方法，及時(shí)對圍巖變化進(jìn)行地質(zhì)描述，根據(jù)圍巖情況調(diào)整爆破參數(shù)，對光爆效果進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決糾正，并補(bǔ)充到施工方案中予以標(biāo)準(zhǔn)化。通過2次QC活動優(yōu)化了酒泉砂礫石條件下的隧洞爆破參數(shù)，提高爆破隧洞成洞質(zhì)量，隧洞爆破取得了較好的爆破輪廓。

4.1 優(yōu)化原因分析

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

4.1.2 洞室開挖前鉆爆設(shè)計(jì)依據(jù)的主要是設(shè)計(jì)圖紙中關(guān)于圍巖地質(zhì)狀況的描述和劃分，開挖過程中發(fā)現(xiàn)該劃分存在明顯偏差。洞室開挖后，揭示了圍巖的真實(shí)情況，使得圍巖的軟硬程度、膠結(jié)緊密狀況以及巖層的產(chǎn)狀和發(fā)展方向等地質(zhì)條件充分暴露。該地質(zhì)真實(shí)情況的揭示為以后的開挖爆破優(yōu)化提供了較好的依據(jù)。

4.1.3 上游掌子面施工至里程引0+775附近時(shí)拱部發(fā)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(jié)體，上部礫石層為未固結(jié)體，呈松散狀態(tài)。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(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，圍巖與格柵間掛設(shè)Φ6.5@10×10cm鋼筋網(wǎng)片并噴射C20砼15cm。根據(jù)酒泉砂礫石的地質(zhì)性質(zhì)，后續(xù)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(zhì)量和安全，更好解決施工中突發(fā)事故，必須對該塌方段進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，對塌方段支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1.4 通過對部分洞段支護(hù)后的斷面復(fù)測發(fā)現(xiàn)，因沉降和收斂的結(jié)果，初期支護(hù)已經(jīng)侵占永久襯砌部分厚度，對該部位處理耗時(shí)耗力，影響到施工進(jìn)度，考慮到施工安全和質(zhì)量，必須在開挖時(shí)解決好變形預(yù)留問題（實(shí)測收斂變形見表4.2）。

4.2 優(yōu)化的項(xiàng)目和內(nèi)容

4.2.1進(jìn)一步規(guī)范掌子面地質(zhì)描述工作，洞室開挖后邀請地質(zhì)人員對揭露圍巖進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，對前期設(shè)計(jì)中地質(zhì)情況進(jìn)行補(bǔ)充勘測，對掘進(jìn)圍巖發(fā)展趨勢做出預(yù)測。

4.2.1制定完善的監(jiān)控量測方案，每隔30m布置一組監(jiān)控量測控制點(diǎn)，并設(shè)專人負(fù)責(zé)，每期對監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行分析報(bào)告。

4.2.3優(yōu)化鉆爆參數(shù)，通過掌子面地質(zhì)判斷分析和前期開挖效果反饋的圍巖真實(shí)情況分段分類對鉆爆參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2.4結(jié)合地質(zhì)描述和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)變形分析，在開挖過程中預(yù)留變形量，解決因變形收斂引起的欠挖問題。

4.3 優(yōu)化后的主要效果

4.3.1對隧洞地質(zhì)發(fā)展情況做出了預(yù)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(shí)間，節(jié)約了投資，加快了施工進(jìn)度。

4.3.3預(yù)留沉降量，避免了沉降收斂超限，節(jié)省了處理一次支護(hù)的時(shí)間和費(fèi)用，保證了施工安全。

4.3.4爆破質(zhì)量的提高，確保了施工安全，減少了支護(hù)作業(yè)工作量，加快了支護(hù)作業(yè)施工進(jìn)度。

5 隧洞支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

支護(hù)是保證隧洞施工安全的重要環(huán)節(jié)，對酒泉砂礫石隧洞支護(hù)更為重要，但由于該類圍巖隧道建設(shè)少，經(jīng)驗(yàn)缺乏，且一切設(shè)計(jì)前的支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)都是預(yù)設(shè)計(jì)，需要在施工中根據(jù)監(jiān)控分析進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和修正。在隧洞施工過程中，噴砼作業(yè)中發(fā)現(xiàn)隧洞拱部松散的砂礫層極易在噴砼時(shí)脫落，造成噴射混凝土難以在拱部形成有效支護(hù)，噴砼料回彈量大，噴砼作業(yè)時(shí)間過長。為達(dá)到較好的噴砼效果，提高噴砼質(zhì)量，保證施工安全，項(xiàng)目部對支洞支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位的支持。

5.1 網(wǎng)噴技術(shù)的優(yōu)化

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

5.1.2密網(wǎng)尺寸按@8×8cm、@6×6cm、@4×4cm、@2×2cm 4個(gè)尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)效果確定密網(wǎng)規(guī)格。

5.1.3優(yōu)化附著配比設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)確定粒徑配比及速凝劑產(chǎn)量，對砂石料進(jìn)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(qiáng)混凝土粘聚性。

5.1.5通過試驗(yàn)確定噴砼風(fēng)壓，風(fēng)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(shù)的調(diào)整優(yōu)化

根據(jù)施工現(xiàn)場調(diào)查，由于在隧洞施工中受到空間限制，長錨桿施工時(shí)無法按照技術(shù)規(guī)范要求角度進(jìn)行安裝，安裝質(zhì)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(yán)重占用支護(hù)時(shí)間，對需要及時(shí)支護(hù)圍巖施工極為不利；在松砂及礫石膠結(jié)較差地段因圍巖強(qiáng)度小，幾乎不能獲得有效錨固力。

鑒于以上原因，項(xiàng)目部對錨桿施工長度、間距和不同地質(zhì)地段的錨桿類型在實(shí)際施工中進(jìn)行了試驗(yàn)，獲取了適合酒泉砂礫石圍巖隧洞錨桿施工的合理參數(shù)，在施工中對原設(shè)計(jì)進(jìn)行了修正。

5.2.1根據(jù)地質(zhì)條件的變化，按照3.5m、3.0m、2.5m、2.0m、1.5m 5個(gè)錨桿尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，確定錨桿在不同地質(zhì)條件下的有效長度。經(jīng)過不斷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錨桿設(shè)置長度與圍巖強(qiáng)度密切相關(guān)，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(jù)監(jiān)控量測，按照1.0m、1.5m、2.0m 3個(gè)施工間距進(jìn)行試驗(yàn)，確定出錨桿在不同地質(zhì)條件下的間距。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，錨桿的間距設(shè)置與圍巖不連續(xù)面密切相關(guān)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在砂礫巖中錨桿間距為1.0m時(shí)最能起到群錨作用。

5.2.3依據(jù)抗拔試驗(yàn)，分析在同一地質(zhì)條件、不同地質(zhì)條件下砂漿錨桿、自進(jìn)式中空注漿錨桿的錨固效力，確定各種地質(zhì)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(jìn)式中空注漿錨桿，其次為砂漿錨桿，因錨固附著力的關(guān)系在泉砂礫石中使用藥卷錨桿是最不適當(dāng)?shù)摹?/p>

5.3 優(yōu)化后的主要效果

5.3.1試驗(yàn)確定密網(wǎng)尺寸為@4×4cm，雙層網(wǎng)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(zhì)量得到較大提高。

5.3.2通過優(yōu)化附著配合比設(shè)計(jì)，減少了管路堵塞，自重剝落等現(xiàn)象，提高的噴砼作業(yè)效率。

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

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

5.3.5通過錨桿參數(shù)優(yōu)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(hù)不及時(shí)等現(xiàn)象。隧洞施工中減少了長錨桿的施工數(shù)量，在保證施工安全和施工質(zhì)量的前提下節(jié)約了生產(chǎn)投入，提高施工速度。

5.3.6通過大膽嘗試，采用密網(wǎng)施工技術(shù)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，增加了噴砼附著面積，改善了噴砼料與酒泉砂礫石的粘結(jié)性，降低噴砼回彈，提高勞動效率。避免了采用掛網(wǎng)工藝而產(chǎn)生的拱部噴砼后大面積垮塌現(xiàn)象，進(jìn)而達(dá)到提高進(jìn)度節(jié)約成本的目的。通過對錨桿參數(shù)的調(diào)整，減少了施工過程中長錨桿的浪費(fèi)施工，提高功效，降低了施工成本。

6 隧洞襯砌施工工藝優(yōu)化

在隧洞襯砌施工中因受施工空間限制，洞內(nèi)各工序間相互干擾大，機(jī)械設(shè)備故障頻繁，前期施工進(jìn)度緩慢，襯砌施工中存在鋼筋焊接質(zhì)量差、混凝土外觀存在蜂窩麻面等現(xiàn)象。

6.1 隧洞襯砌施工優(yōu)化的內(nèi)容

6.1.1優(yōu)化施工組織，制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間

加強(qiáng)現(xiàn)場管理，各工序制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間和作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制工序交接時(shí)間，對施工質(zhì)量和時(shí)間進(jìn)行考核。

加強(qiáng)機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)，提高機(jī)械操作能力，減少對設(shè)備的損害，確保不因機(jī)械原因造成施工停滯；補(bǔ)充必要的勞動力，增加熟練工人比例提高作業(yè)效率。

6.1.2優(yōu)化施工工藝采用跳模施工，提高襯砌速度

當(dāng)下游混凝土澆筑完成后，兩臺襯砌臺車同時(shí)調(diào)整至上游段進(jìn)行跳模施工。

合理安排鋼筋綁扎與襯砌施工作業(yè)時(shí)間，襯砌施工與鋼筋綁扎穿插進(jìn)行，互不干擾。

6.2 優(yōu)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(shí)在前序臺車澆筑完混凝土后即可進(jìn)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(xiàn)場跟蹤分析，方案優(yōu)化后隧洞襯砌施工進(jìn)度明顯加快，最快達(dá)到單周襯砌105m，單月襯砌420m的施工進(jìn)度，提前15天完成節(jié)點(diǎn)工期任務(wù)。

6.3調(diào)壓井襯砌施工工藝優(yōu)化

調(diào)壓井襯砌原方案計(jì)劃采用搭設(shè)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(zhǔn)備和施工作業(yè)時(shí)間，根據(jù)施工需要項(xiàng)目部經(jīng)過綜合考慮選用更先進(jìn)的滑膜法組織施工，通過方案調(diào)整節(jié)省了翻模中模板拆安已經(jīng)混凝土凝固的等待時(shí)間，簡化了施工工期，加快了施工進(jìn)度，保證了合同工期。

7 不良地質(zhì)條件下的塌方處理

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

2009年11月28日凌晨2：00時(shí)許，隧洞施工至引0+756時(shí)，隧洞頂拱發(fā)生塌方，掌子面揭露圍巖為酒泉砂礫石al-plQ2巖層，巖體膠結(jié)較差，分層明顯，下層巖體為砂卵石層，泥硅微膠結(jié)，有一定承載力，上層為小粒徑礫石，結(jié)構(gòu)松散，無明顯膠結(jié)。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(jīng)現(xiàn)場會勘，根據(jù)酒泉砂礫巖特性，項(xiàng)目部制定了采用雙拱支撐，掌子面前方巖體超前預(yù)固結(jié)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行連接，雙層拱架間采用桿件進(jìn)行支撐。（見下圖1）

7.3 網(wǎng)噴C20混凝土

在上層拱架間掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片噴C20砼20cm，混凝土噴射要均勻密實(shí)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(jié)注漿

采用超前小導(dǎo)管對塌方體及進(jìn)行固結(jié)注漿，導(dǎo)管上下間距20cm，下排導(dǎo)管外插角采用5°開口位于工字鋼下緣，上排導(dǎo)管外插角采用35°開口位于工字鋼上緣，導(dǎo)管環(huán)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(cè)墻后拱部進(jìn)行施工。通過壓注水泥-水玻璃雙液漿，使小導(dǎo)管周圍松散砂礫石固結(jié)形成整體受力殼。

7.5 超前小導(dǎo)管固結(jié)施工

7.5.1施工準(zhǔn)備：加工小導(dǎo)管，準(zhǔn)備及檢修施工設(shè)備器材，試配雙液漿確定初凝時(shí)間、工作面測量、放線、定孔位。

7.5.2小導(dǎo)管加工制作：小導(dǎo)管采用φ42無縫焊管加工而成，小導(dǎo)管前端加工成錐形，以便插打，并防止?jié){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(xiàn)死角），間距20cm，尾部1.0m范圍內(nèi)不鉆孔防止漏漿，末端焊φ6環(huán)形箍筋，以防打設(shè)小導(dǎo)管時(shí)端部開裂，影響注漿管聯(lián)接。

7.5.3注漿加固范圍及小導(dǎo)管布設(shè)：采用φ42超前注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.2m，下排外插角為5°上排外插腳35°。布設(shè)范圍在拱部及側(cè)墻。

7.5.4小導(dǎo)管安裝：導(dǎo)管采用風(fēng)動式鑿巖機(jī)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?jié){液外流。

在黃土灣引水隧洞施工中主洞段共發(fā)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(shí)也嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度。在黃土灣引水隧洞施工中我們通過采用雙層拱架結(jié)合超前支護(hù)技術(shù)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(jīng)驗(yàn)。

8 結(jié)束語

目前我國水工隧洞的建設(shè)多集中在西南地區(qū)，隧洞多在較堅(jiān)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(jīng)驗(yàn)，但酒泉砂礫石與一般的軟巖有根本性的區(qū)別。我單位在施工中通過大膽嘗試，通過優(yōu)化施工和采用新的技術(shù)和工藝，提高了施工質(zhì)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(jīng)驗(yàn)、為以后類似隧洞的施工提供了借鑒。

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