黄土隧洞施工技术简析

【摘要】南沟门北线供水工程小断面黄土隧洞施工技术应用，保证了施工安全，加快了施工进度。为同类型小断面黄土隧洞施工提供了经验。

【关键词】黄土隧洞；饱和土；锚喷法；超前小导管注浆支护

1工程概况

南沟门北线供水工程穿越延安市洛川、富县两县，供水工程以输水隧洞为主，由2条有压洞和3条无压洞组成，全长24.33km，共含有9条施工支洞和2条施工岔洞。其中，2#施工支洞洞长254.21m，洞内黄土段长145.3m；3#施工支洞洞长241.47m，洞内黄土长62.5m；7#施工支洞洞长429.1m，洞内黄土段长293.4m。2#支洞、3#支洞和7#支洞均为圆拱直墙型断面，开挖尺寸B×H=6.4m×5.9m。

2工程地质及及施工原则的确定

输水隧洞跨越葫芦河和洛河之间的黄土梁，经过的地貌单元有洛河河漫滩、一级阶地、二级阶地、三级阶地、四级阶地，黄土沟壑等地貌单元。由于输水隧洞洞顶设计高程基本都处于地下水位以下，且2#施工支洞、3#施工支洞和7#施工支洞穿越岩土分界线，故施工支洞黄土洞段以Q2黄土状壤土为主，兼有强风化石和饱和土，施工支洞不良黄土洞段还具有软弱破碎、承载力低、稳定性差、易坍塌等特点。为确保工期，决定遵循“短开挖，强支护，勤量测，紧封闭”的施工原则，针对不同地质条件采取不同施工方法。

3洞口段施工

洞口段明拱骨架由3榀I14钢拱架加工、制作而成，间距为1m；钢拱架采用Φ18钢筋连接，连接钢筋环向间距为1m；钢拱架间铺设双层Φ8钢筋网片，网片筋间排距@=15mc*15cm。钢拱架拱脚下部安装在C25砼垫块上。混凝土垫块长×宽×厚=50cm×45cm×15cm，垫块中间有一层Φ16、@=10cm×10cm的钢筋网片，表面预埋一块10mm厚的钢板，钢拱架拱脚可焊接在钢板上。超前小导管沿钢拱架单排环向布置，间距为0.4m，采用￠50钢管，壁厚2mm，长L=5m。钢管前端封闭并制成尖状,以便顺利插入土体，沿钢管长环向每间隔10cm~20cm钻有孔径为1cm的溢浆孔。小导管紧贴洞脸，前端埋入土体（长约3m），后端与钢拱架焊接连成一体。超前小导管采用煤电钻沿洞外轮廓线钻孔，孔深3m，然后用钻机将钢管沿孔眼顶入前方土体中。钢拱架、钢筋网片、超前小导管、外侧模板和挡头模板安装、加固好后，人工分层喷射C20混凝土至设计厚度15cm后形成明拱。超前小导管注浆采用水灰比为1:1的纯水泥浆液，注浆压力控制在0.3MPa~0.4MPa。浆液由制浆机集中拌至，由人工配合灌浆泵依次按照先下孔位后上孔位、先单号孔后双号孔的顺序依次灌浆。当单孔注浆量显著降低、注入率小于2.5l/min时，保持注浆压力延续5min以上，可结束该孔注浆。待洞口浆液凝固后，再进洞施工。

4洞身内段施工

4.1黄土状壤土、土夹石和强风化围岩洞段施工

黄土洞段土质较为松软，为避免造成大面积超挖，采取人工配合机械开挖的施工方法。具体作法是先由PC60-8小型掘挖机全断面一次由上到下，由中心向两侧开挖。开挖时先预留10cm~20cm保护层，再由人工用铁锹、洋镐进行二次开挖、修整至洞壁设计断面。底板处拱脚土体开挖时，用人工开挖，防止拱脚原状土被破坏造成钢拱架下沉。对于黄土洞内遇有强风化岩层和较坚硬土夹石段，采用PC60-8挖掘机配带SB40破碎锤进行开挖，保证了土质洞体的稳定性和安全施工。洞内出渣采用3m3装载机直接出渣或由PC60-8小型挖掘机挖、装至5T三轮工程车运输至洞外弃渣场。洞内开挖、出渣结束后，进行洞内锚喷支护施工。钢拱架采用I14工字钢，间距为0.8m，钢拱架拱脚下部焊接在砼垫块预埋的钢板上。每榀钢拱架由4根锁角锚杆固定。锁角锚杆同系统锚杆，末端制成L型弯钩（长20cm），与钢拱架焊接牢固，起到锁角作用，防止钢拱架下沉。洞内系统锚杆为Φ18钢筋，长度L=2.5m，间排距为1m×1m，造孔采用ZM12型煤电钻。孔造结束后，立即进行注浆。注浆结束后封孔、安装锚杆专用钢垫板和紧固螺帽，使得锚杆紧贴洞面。洞内钢筋挂网为Φ8钢筋网片,间排距@=15*15cm；喷射混凝土设计标号为C20，采用HSP-5喷射机人工分层喷射密实。喷射混凝土时，先喷射钢拱架与土洞间的间隙，后喷射钢拱架间的混凝土。黄土状壤土、强风化围岩和土夹石洞段的施工，按照上述施工工艺，洞挖日最大施工强度为5米/天，日最小施工施工强度为2.5米/天，日平均施工强度为3.2m米/天，单向月开挖进尺可达90米。

4.2饱和黄土洞段施工

饱和黄土洞段施工主要集中在7#施工支洞洞内。7#施工支洞开挖至施工桩号0+323.8处时，开挖掌子面全段面均有渗水现象，坍塌较为严重。针对此种情况，经过严密论证，充分与设计、地质、监理和业主多方面协商，及时改变了原施工方法和支护参数。具体作法施工方法如下：4.2.1缩小开挖断面原黄土洞设计开挖尺寸为宽×高=6.3m×5.85m，在不影响机械施工的条件下，将开挖断面缩小至宽×高=4.6m×4.85m。缩小后的洞挖，由PC60-8小型掘挖机按照由上到下，由中心向两侧的顺序全断面一次开挖完成。为确保施工安全，开挖进尺按照1m~2m控制。4.2.2超前小导管注浆支护由于洞内黄土含水率高，开挖后易形成分层塌方，故需要加强超前初期支护。由于钢管直径较钢筋大，且与土体接触面积大，接触密贴，没有空隙，有利于力的传递，故任采用超前小导管注浆支护施工方案。超前小导管采用￠50钢管，壁厚2mm，长L=3m，沿钢拱架单排环向布置，间排距为0.3m×1.5m。孔位钻好后，导管用风钻直接从钢拱架上部、中部顶入土体，外露20cm，支撑于开挖面后方的钢拱架上，并与钢拱架焊接牢固，组成预支护体系。小导管前端埋入土体，钢管外倾角为15°。超前小导管注浆采用水灰比为0.6:1的纯水泥浆液，浆液中适当加入减水剂，以缩短凝结时间。注浆压力控制在0.2MPa~0.3MPa，灌浆按照先下孔位后上孔位、先单号孔后双号孔的顺序依次灌浆。当成孔困难时，可采取造好一孔即注一孔的施工方法。单孔灌浆量显著降低、注入率小于2.5l/min时，保持注浆压力延续5min以上，可结束该孔注浆。4.2.3加强支护参数为确保初期支护有较高的强度，调整了支护参数。调整后的钢拱架为I20工字钢，间距为0.5m；钢拱架间连接钢筋为Φ25，环向间距为1m；喷射混凝土标号为C25，喷护厚度为20cm。4.2.4排水措施在洞壁四周增设排水孔。排水孔采用￠40mm的PVC管，每个断面布置4个排水孔，分别布置在两侧起拱线和底板以上0.5m处，纵向间距2m；排水孔伸入土体1m，露出喷护混凝土5cm。为确保洞底板排水通畅，保证上部钢支护的施工安全，此段洞底板处的黄土全部采用砂卵石换填，换填厚度为0.3m。沿洞底板两侧开挖宽×高=0.3m×0.3m的排水盲沟。排水盲沟用5mm-40mm级配碎石回填，150g/m2的土工布包裹，防止泥土进入碎石堵塞排水通道；排水盲沟兼做钢拱架拱脚混凝土垫块的基础。此外，在洞底横向渗水段每隔10m设置一个集水暗井。集水暗井采用无砂混凝土管，两侧盲沟与集水暗井间用￠100mm钢管连接，保证了洞内渗水可流入积水暗井。根据渗水量的大小，用水泵将洞内渗水抽排至洞外。4.2.5监控量测在饱和黄土洞段施工过程中，利用收敛仪和水准仪分别观测拱脚水平收敛值和拱顶下沉值。每隔10m作一个观测断面，最前端的一个断面紧跟掌子面。前7d每天观测1次，以后1个月内3d观测1次，之后每月观测1次。通过安全监测，发现拱脚收敛值为1cm-2cm，顶拱下沉最大值为1.4cm。将观测结果反馈到施工中后，增加了2cm的预沉降量，指导了洞内安全施工。饱和黄土洞段的施工，采用上述施工技术，洞挖日最大施工强度为3米/天，日最小施工施工强度为1.5米/天，日平均施工强度为2.5米/天，单向月开挖进尺可达到70米。

5结论

实践证明，采用人工配合机械开挖和锚喷法施工，有安全、施工速度快，节约投资的优点，单向月开挖进尺可达到90米。采用超前小导管注浆和锚喷法联合支护，辅助洞底板砂砾石换填、降排水等施工措施，能较有效的避免塌方，较长时间维持已开挖洞段的稳定性，保证了施工安全，加快了施工进度，单向月开挖进尺可达到70米。

作者：加辉 单位：中国水电十五局三公司