浅谈成都粘土隧洞洞挖及初期支护施工工艺

严灵军，戢祥，陈园

(资阳市水务投资有限责任公司，四川资阳，641300)

1 工程概况

毗河供水一期工程包括苟家滩取水枢纽、总干渠(长156.3km)、乐阳干渠(12.31km)、新生水库充水渠、十里河水库充水渠、鲤鱼水库充水渠及15条骨干渠道配套工程，总长381.36km。拟建工程位于总干渠第一流量上段，隶属成都市新都区木兰镇分水村六组，绕城高速公路外侧成金青快速通道两侧。该段车流量很大，当地交通部门不允许断道施工，因此，采取隧洞施工方案。隧洞位于成金青快速通道路面以下约9.8m深，覆盖层较薄，施工难度较大。

2 隧洞洞挖施工工艺

该隧洞长72m，永久结构净空尺寸为6.5m×6.25m(宽×高)，衬砌厚度80cm。全隧洞纵向采用φ108管棚由两端洞口向隧洞中间搭设，每端长40m，拱部180°范围内环向间距30cm，两侧边墙环向间距50cm，中间搭设段8m，管棚采用地质管，跟管进的施工，管棚外插角1.5°。隧洞初期支护采用I20b工字钢，间距50cm，钢架全封闭，确保封闭成环，提供稳定的支护力，顶部采用φ8钢筋网，纵横向布置，间距20cm。全断面采用C25喷混凝土，厚28cm；永久结构全断面采用0.8m厚C25钢筋混凝土，混凝土采用抗渗、抗冻等级为W4F50。

本隧洞洞挖施工的主要流程为：

洞顶外抗滑桩施工→洞口开挖(槽挖)施工→洞口导向墙施工→大管棚施工→超前小导管(若需要)→隧洞洞挖→钢支撑施工→挂网施工→喷射混凝土。

2.1 抗滑桩施工

渠道左右岸桩基施工交替进行，抗滑桩桩基中心点间距为2m，施工中进行分序施工。旋挖钻孔沿轴线方向进行布置，钻孔和浇筑分两序施工，先施工Ⅰ序孔，后施工Ⅱ序孔，其中Ⅰ序孔为旋挖钻进孔、Ⅱ序为混凝土浇筑孔，Ⅰ、Ⅱ序孔交替间隔布置。开钻前先进行场地平整、夯实、清除杂物，埋设护筒；旋挖机就位后，开始钻孔，钻孔中做好记录，孔深测量达到设计要求时及时进行清孔；自检合格后，经现场监理验收同意后终孔；终孔后采用吊车吊装已加工成型的钢筋笼；钢筋笼埋设到位后，经验收合格后埋设混凝土导管，及时进行浇筑混凝土，在浇筑混凝土的同时拔出导管和护筒。

2.2 洞口开挖(槽挖)施工

在进、出口开挖(槽挖)施工前，上部来水会对边坡造成影响，可能导致槽挖道路边坡垮塌，先在槽挖道路边坡坡顶均设置一条1.2m×1.2m的C20混凝土截水沟(厚度20cm，坡度3%)拦截地表水。槽挖方向为沿成金下穿隧洞洞口轴线方向，开挖前对洞口上方进行清表处理及排危处理，确认安全后开挖坡比按1∶1.5，设置1m马道，在洞顶边坡坡脚、马道边坡坡脚、洞口边坡开挖开口线外5m处均设置一条内径0.5m×0.5m的C20混凝土截水沟(厚度25cm)及2m×2m×2m的集水坑，集水坑中设自动抽水水泵。

2.3 洞口导向墙施工

导向墙长2m，厚50cm的C25混凝土，导向墙内预埋φ146热轧钢管作为孔口管，钢管壁厚6mm，长2m，并在顶拱180°范围内环向间距30cm，两侧边墙环向间距50cm进行布设，共计59根。在工作平台上先行定位架立I20b钢拱架(间距50cm)，工字钢之间用φ22钢筋进行焊接，环向间距1m，并在钢拱架上按设计图纸规定方向和角度使用φ16钢筋制作环向箍筋将φ146孔口管与钢拱架焊接牢固；再采用木模板立套拱模板，套拱外侧采用φ48双排钢管脚手架背方支撑，脚手架立杆间排距70cm，横杆步距1m，套拱内采用钢支撑支撑木模板，钢支撑间距60cm，步距80cm；最后浇筑套拱混凝土。

2.4 大管棚施工

φ108超前大管棚按设计图纸要求采用P110热处理地质管，外径108mm，长度为40m，从洞口两端同时相向施工，在隧洞中间位置搭接8m。

2.4.1 管棚加工

施工时采用25t汽车吊吊运专业车丝车床和专业加工车床放置生活区内，专业技工在现场按设计图纸进行管身钻孔、加工、分段切割、连接端车丝、连接端焊接等施工工艺。φ108管棚导管构造详见图1。

图1 φ108管棚导管构造

2.4.2 钻机平台施工

φ108超前大管棚施工选用专用水平钻机配，每个洞口分别布置2台钻机同时施工，共计4台。钻孔施工前需在洞口前布置钻机平台，平台宽15m×长9m(含4m宽沉淀池)，建基面位于隧洞边墙大管棚最低处孔位向下1.2m处，采用20cm厚C20混凝土硬化平台基础平面。移动式操作平台采用I20b型工字钢进行焊接。

2.4.3 钻孔及管棚跟进

(1)钻孔

管棚施工的质量直接影响后期洞挖施工，施工时应严格控制平面位置。管棚导管钻孔使用正反旋转式冲击钻钻进，并采用自动跟进套管工艺。管棚施工前用油漆画出孔口点位，钻机对准点位进行试钻，试钻初期先慢速低压，等钻进一定距离后，对孔位进行校核，校核无偏差后再开始钻进，每钻完一孔便立即跟进一根管棚，达到正常施工后才可提高钻进速度。

(2)清孔

用长度4m的φ108mm管进行清孔。当遇下管有难度时，进行来回清孔，并用高压空气进行吹洗，确保孔内无杂物。

(3)下管

水平导向跟管钻进工艺施工，通过水平钻机以一定的角度将管棚钢管钻入土体，钢棚之间用长12cm丝扣焊接连接，再钻下一节管棚长度，直到满足设计要求为止。管棚接杆的同时，插入管内钢筋笼，每节φ16主筋接头位置采用套筒机械连接。若顶进时遇到困难，顶不进去，应立即查明原因，必要时重新进行清孔后再将管顶进。

(4)注浆封堵

钻孔完成后反循环退出钻杆，并保留下导管，安装钢筋笼，对孔洞进行注水泥浆。注浆初期压力尽量控制在0.5MPa，终压控制在2.0MPa。注浆结束后马上对孔口进行封堵。

2.5 超前小导管施工

在隧洞中间段难免可能出现个别大管棚位置偏移，为防止大管棚与钢拱架之间的土层掉块，并根据现场的实际情况，对钢拱架与大管棚之间的土层中增设部分超前φ42注浆小导管。小导管长度4.5m，在拱顶180°范围内，环向间距0.3m，搭接长度2.5m。

2.5.1小导管的加工制作

小导管采用φ=42mm，L=4.5m的钢管，钢管的管口位置安装φ6mm钢筋加强环；钢管尾部留30cm范围内不钻孔，其余部分每隔15cm在环向钻10mm四个孔眼，并成梅花形布置；钢管头部加工成尖型，长度10cm。注浆小导管加工详见图2。

图2 注浆小导管加工

2.5.2 钻孔与顶进

在拱顶处用油漆标出孔位，采用手持电风钻钻孔，钻杆采用专业定制。钻杆比小导管略大5mm，钻孔后顶进钢管，小导管安装后用高压风进行清孔。

2.5.3 注浆

施工时将五根小导管与注浆设备连接，开始注浆时应低压，注浆压力一般控制在0.5MPa内。在注浆过程中，时刻注意灌入浆液情况，并做好相应记录。

2.6 隧洞洞挖施工

2.6.1 测量放线

洞挖前使用全站仪对掌子面开挖线进行测量放线，用红油漆将开挖轮廓线标在掌子面上，并测出洞顶中心线、两侧起拱点(腰线)等施工控制点，测量人员及时对作业班组人员进行交底。

2.6.2 开挖方法

隧洞开挖时，采用1.5m3挖掘机进行隧洞开挖断面中心部位，最后由4人用铁锹修边和处理欠挖(临近开挖结构线30cm内)。同时考虑成都粘土收敛变形较大，可能会侵占永久衬砌结构线，将隧洞开挖断面顶拱180°范围内竖直向上扩挖8cm，作为预沉降区域。

开挖时首先进行隧洞顶部上台阶开挖，人工辅助修边，完成后立即进行上台阶临时支护施工。上台阶开挖应先进行上台阶环形开挖，并预留上台阶“核心土”，降低掌子面向洞内临空面位移的风险，环形开挖成型后及时进行上台阶的工字钢支撑、挂网、喷混凝土等；下台阶分左、右侧分步开挖，先左侧台阶掏槽开挖，左侧开挖完成后及时进行工字钢接腿等，再右侧台阶掏槽开挖，右侧开挖完成后及时进行工字钢接腿等，最后开挖下台阶中部及底板仰拱位置，并安装仰拱处工字钢，回填C15混凝土，使每个支撑形成一个封闭的环状结构，且封闭环(或落底)位置距离掌子面不得大于12m。上台阶和下台阶始终保留5m的距离。“核心土”和下台阶的开挖应在上台阶的初期支护完成且喷射混凝土强度达到设计强度的70%方可进行开挖。隧洞洞挖施工顺序详见图3。

图3 隧洞洞挖施工顺序

隧洞洞挖施工顺序：①上台阶环形开挖；②上台阶初期支护；③上台阶核心土开挖；④左下台阶掏槽开挖；⑤左下台阶初期支护；⑥右下台阶掏槽开挖；⑦右下台阶初期支护；⑧下台阶中部开挖；⑨临时仰拱初期支护；⑩弧形底板回填调平。

2.7 钢支撑施工

I20b型钢支撑由一根拱段和两根直段工字钢构成，拱段与直段之间采用连接钢板螺栓连接，并在接头处采用φ25锁脚锚杆与钢支撑焊接，钢支撑之间采用φ22连接筋焊接，环向间距1m。

钢支撑各个单元元件在工地加工场进行加工，加工完后进行试拼，以检查接口部位是否错位。待上台阶环形开挖后，进行人工修整后，用全站仪放出安装位置线，人工借助机具进行架立拱部钢支撑，立好后在其起拱线位置设置两根φ25、L=3.0m锁脚锚杆来固定；待下台阶开挖后及时接直腿钢支撑，拱脚立在坚固的基础上，若出现悬空现象浇筑混凝土支墩，使之成为一个整体，下台阶工字钢安装好后在拱脚采用锁脚锚杆来固定。

2.8 挂网施工

现场进行锚杆施工，并留出10cm头部不嵌入土体，人工现场绑扎安装φ8单层钢筋网片，安装时紧贴顶部的岩面。钢筋网与锚杆之间采用点焊。

2.9 喷射混凝施工

隧洞初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺。喷射混凝土在木兰A处拌合站进行生产，采用小型混凝土罐车运至洞外，再用小型运输车运至洞内，采用湿喷机喷射作业。本工程的的喷混凝土厚度为28cm，施工时分三次进行喷射混凝土，每次喷射的混凝土厚度控制在10cm，确保喷射混凝土厚度达到设计要求。当第一次喷射的混凝土终凝后再进行下一层的喷射混凝土。喷射混凝土喷嘴应正对岩面，并与岩面保持1m距离，喷射时路线呈小螺旋形状，绕圈的直径大约20cm，后一圈与前一圈的搭接为1/3直径，喷射时均匀，直至将岩面覆盖完。在喷射混凝土终凝后2h就开始喷水养护。

2.10 隧洞变形监测

为了掌握围岩和支护动态情况，了解支护构件的作用及其效果，为施工提供安全的保障，在施工中，对围岩支护系统的稳定状态进行动态监测，隧洞监测基准网均按照国家二等水准测量精度进行。

2.10.1 洞内外观测

洞内外观察包括开挖掌子面的情况和初期支护完成区域的变形情况。掌子面情况：每次开挖后进行一次，并认真记录围岩情况；初期支护完成区域的变形情况：每天对喷射混凝土、锚杆、钢支撑的情况进行两次监测。洞外加强对洞口地表情况、地表沉陷、路基边坡稳定性、地表渗水情况进行监测。

2.10.2 周边位移和拱顶下沉量测

量测隧洞断面的收敛情况，包括量测拱顶下沉、净空水平收敛以及底板鼓起。拱顶下沉和水平收敛量测断面的间距为5m。各测点应在保证安全的情况下尽量靠近工作面，并及时获得初始读数。

2.10.3 公路路面监控量测

为了确保监测点不受公路行车的影响，测量布置在公路路面左、中、右防护栏杆沿隧洞中心线方向分别布置3排点。施工期间采用水平视线法每天监测两次，异常情况下应加大频次，隧洞开挖结束后，每星期监测一次。

施工中对观测获得的资料及时进行记录、整理，并及时向上级反馈工作中实际观测情况，在量测当天进行数据整理并得出相对结果。每周对所有监测项目的各测点的数据变化进行总结，并将监控量测成果报告提交现场监理。观测数据采用计算机处理，发现观测数据异常时，立即复测，并及时向现场监理和有关各方汇报，同时在施工现场及时将量测信息反馈到施工过程中去，指导施工。

3 结语

在成都粘土段施工隧洞，粘土的自稳能力较差，尤其是受到地下水的影响更为严重。在隧洞开挖后，随着周边应力的释放将产生较大的收敛变形，极易造成围岩的失稳并造成塌方，甚至冒顶。老成金青隧洞也属于成都粘土段，当时主要采用超前小导管技术，支钢拱架、打锚杆、喷射混凝土等措施，但是最终效果不理想，出现了塌方、冒顶等现象。新成金青下穿隧洞主要采用大管棚超前支护施工技术，分层分部开挖断面、尽量缩短开挖循环进尺、支钢拱架、超前小导管、锚杆、喷射混凝土、加强变形观测等综合措施，在保障了成金青道路的安全畅通情况下，顺利地将本隧洞贯通。