浅埋暗挖法在砂壤地层中的技术应用

倪晓明

（忻州水利建设投资有限公司山西忻州034000）

1 背景描述

南水北调中线干线下穿京石高速公路北京市长阳收费站处匝道隧洞工程，其隧洞设计为双洞并联，单洞洞身长度为85 m，正圆形断面，开挖直径为5.2 m，隧洞中心轴距为11.5 m。施工采用浅埋暗挖工艺成形，初衬采用C20 钢格栅挂网喷射混凝土，厚度为25 cm，二衬采用C30 模筑混凝土，厚度为30 cm。

隧洞穿越地层主要为第四系全新统砂壤土，透水性较弱，自稳能力较差。勘察资料显示该区域地下水埋藏较深，施工时不需要考虑降水问题。隧洞平均覆土6.8 m，路面振动扰动对隧洞开挖施工不会造成安全影响。本文主要介绍水工隧洞采用浅埋暗挖工艺穿越砂壤地层的施工技术。

2 隧洞开挖

2.1 隧洞开挖方法

隧洞所处地层为砂壤土，自稳能力较差，为了减少施工扰动、快速形成支撑体系，设计方案中选用浅埋暗挖法中CD 法进行开挖。CD 法施工是开挖时将隧洞分隔成左右两部分分别开挖，先开挖一侧土体，完成一个进尺后支设环向支撑和竖向支撑，形成封闭的半圆形支撑体系，再开挖另一侧的土体并支撑环向支撑，与原竖向支撑连接形成封闭的全圆形支撑体系，承抗隧洞上部围岩的压力，为开挖提供安全保证。CD 法施工时，为了避免两侧开挖施工相互干扰影响围岩的稳定，两侧开挖错距应保持在5 m 以上。其具体开挖步骤如下。

先进行左侧导洞土体开挖和支护，沿该导洞上拱中线下侧60°范围内打设直径为25 mm 的超前注浆导管，注射硫酸-水玻璃混合液浆进行超前支护，然后对该导洞土体进行开挖，开挖步距为50 cm，支设竖向支撑和环向支撑形成闭合支撑体系，安装钢筋网片，最后喷射混凝土，这样就完成一个导洞的开挖支撑循环。在左侧导洞进尺5 m 以后进行右侧导洞的开挖和支护，右侧导洞土体完成一个进尺开挖后，支设环向支撑，与已安装的环向支撑相连接，然后安装钢筋网片喷射混凝土，至此完成一个全圆形封闭支撑体系。以此工序进行循环，至隧洞全部贯通，初衬混凝土达到设计强度，且隧洞上部围岩沉降基本稳定时，拆除竖向支撑形成初支隧洞。浅埋暗挖作业图如图1。

图1 浅埋暗挖作业图

2.2 小导管注浆

小导管注浆的作用是通过注浆机将浆液注入隧洞周边土体，使土体胶结形成拱形加固体，以此来改善隧洞周边围岩的受力状况，减少围岩的松弛变形，从而达到安全开挖的目的。

该隧洞处于砂壤地层，注浆采用硫酸-水玻璃混合浆液，其配合比通过现场工艺试验确定。注浆导管采用直径25 mm 的无缝钢管制作，长度为2.2 m，出浆端制成封闭锥形，出浆端1 m 四周每20 cm 钻8 mm出浆孔。注浆导管沿隧洞拱顶开挖线120°布置，环向间距30 cm，外插角为17°～22°，打入后与前注浆导管纵向搭接长度为1 m，注浆压力控制在0.30～0.35 MPa，每根导管的注浆量为50～60 L。硫酸采用浓度不低98%的浓硫酸，水玻璃采用40°Bé，通过现场工艺试验确定符合该地层条件的最佳配比，浆液随着地层的变化而调整，现场一般硫酸和水玻璃配合比在1∶4~1∶5 之间选择。小导管注浆时，先试运行注浆设备，确认设备运行正常时，配制硫酸-水玻璃浆液，硫酸-水玻璃初凝时间为5~10 min，现场必须随配随用。注浆结束标准采用注浆量控制，达到单根注浆量即可结束，当注浆量未达到设计注浆量时，注浆压力持续增大至设计压力1.5 倍时，也可结束注浆。

2.3 钢格栅加工安装

隧洞初支体系由钢格栅和喷射混凝土共同组成，形成隧洞的永久结构。钢格栅主要由四根直径22 mm的弧形主筋及端头连接钢板组成，各根主筋间采用同直径的U 形或Z 形件焊接连接。每环格栅由4 个格栅拼接而成，格栅间采用螺栓连接。格栅由加工厂制作后运到现场后，质检人员对格栅质量进行检查，格栅钢筋规格、间距、焊缝质量、栓孔位置符合要求后，现场进行拼装检查（随机抽查），拼装后格栅纵、横向直径偏差不得大于2 cm，确认合格方可运往作面业。安装时先安装下拱格栅，再将竖向支撑（采用I 型钢）立于下拱格栅下端部的钢板上，然后安装上拱格栅，上拱格栅下端与下拱格栅采用螺栓直接连接，竖向支撑与上拱格栅上端和下拱格栅下端连接采用焊接连接。安装定位后采用纵向连接钢筋同前榀格栅焊接固定，纵向连接筋直径与格栅主筋相同，长度为75 cm，环向间距为30 cm，采用单面焊接，搭接长度不小于主筋直径的10 倍，为220 cm。最后，将钢筋网片绑固在格栅内外两侧的主筋上（网片钢筋网片由直径6 mm 的光圆钢筋焊接，水平间距和纵向间距均为15 cm）。左右导洞格栅采用螺栓连接。钢格栅、注浆导管安装图见图2。

图2 钢格栅、注浆导管安装图

2.4 喷射混凝土

格栅安装完成后，开始混凝土喷射施工。混凝土采用潮喷工艺，混凝土在洞外潮拌后运抵工作面，喷射前先调试喷射设备，检查料管、风管和水管保持通畅，先用高压风对受喷面进行吹扫，然后开始喷射混凝土，混凝土拌合物装入喷射设备后，喷射设备的风、水系统随之启动，将混凝土拌合物与水在喷射管中混合，由高压风吹送至喷射面，喷头与受喷面保持垂直距离为0.5～1.0 m，喷射压力控制在0.3～0.5 MPa。喷头应从上到下螺旋移动，后圈喷压前圈三分之一，上一层混凝土初凝后再进行下层混凝土喷射（混凝土中加入速凝剂，初凝时间为5 min 左右），完成后的喷射面应平整顺直。

2.5 回填灌浆

初衬混凝土强度达到设计强度的70%时开始进行背后回填灌浆，及时填充初衬混凝土收缩形成与围岩之间的空隙，使初衬混凝土与围岩共同承受隧洞上部土体的压力，有效控制地表沉降。回填灌浆管采用25 mm 无缝钢管制作，长度为0.3 m，布置范围为拱顶270°，混凝土喷射前预埋，纵向、环向间距均为2 m，梅花形布置。回填灌浆施工前，应先用高压风清孔保证管路通畅。灌浆浆液采用纯水泥，水灰比为0.5∶1，灌浆应分序进行，先灌周边孔，再灌中心孔，由低向高推进，灌浆压力达到设计压力后持续5 min 停止单孔灌浆，发生串孔时，封堵串浆孔继续灌浆，直到达结灌浆结束标准。灌浆结束后采用砂浆填封灌浆管。回填灌浆结束后，根据灌浆记录对整个回填灌浆单（10 m 为一个灌浆单元）进行分析，主要根据各灌浆孔分布位置和和灌浆浆量进行分析，如各孔灌浆量基本均衡显示灌效果良好。另隧洞初衬完成后，另行聘请专业监测单位采用地质雷达对灌浆效果进行二次检测，如发现混凝土背后存在较大成片空隙，还需要钻孔进行二次补灌浆。

2.6 加强监控量测

隧洞开挖施工时，应按规范要求对隧洞上方地面和拱顶进行监控量测，及时掌握地面及拱顶的变形情况，当达到预警值时及时反馈，作出应对和调整，以防发生塌方事故。

3 结语

水工隧洞采用浅埋暗挖法穿越砂壤地层施工时，应严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”十六方针，充分调动围岩的自稳能力，尽快形成稳固闭合的支撑体系，严格按要求进行回填灌浆，同时做好监控量测掌握围岩变形情况，以利于隧洞安全、快速地施工。