论文-隧道初期支护施工工艺控制

PAGEPAGE14公路隧道锚喷支护施工控制浅论陈能强（四川公路桥梁建设集团机械化施工分公司）摘要：公路隧道钻爆法施工中初期支护多采用锚喷支护施工工艺，其细节的控制已成为制约工程质量的关键因素，文中笔者结合公路隧道工程施工实例，详细深入地探讨锚喷支护施工的细节控制、操作要点、常见问题及注意事项，以作施工参考。关键词：公路隧道锚喷支护工艺细节控制1.工艺原理砂浆锚杆、中空锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢纤维、型钢支撑、格栅钢架支撑以及它们间的任意组合型式，统称为锚喷支护。锚喷支护是一种当隧道周围围岩承载能力不足，需提高围岩自身承载能力时，采取的联合支护形式，形成长期稳定的支护结构体系。锚喷支护的理论基础是应用新奥法原理，即运用各种手段如开挖方法、支护及地层预处理等，及时、有效地控制围岩变形，防止岩块坠落或产生坍塌，最大限度地保护和调动围岩的承载能力。它把周围岩体和各种支护结构作为一个完整支护体系。锚喷衬砌结构比模筑混凝土衬砌的受力作用和效果更好，它的最大优点：能大量节省混凝土、木料、劳动力，加快施工进度，工程造价一般可降低40%～50%，并有利于施工机械化和改善劳动条件等。锚喷支护是一种符合岩体力学原理的积极支护方法，具有良好的物理力学性能。与传统的构件支撑相比较，无论在施工工艺或作用效果都具有如下工程特点：及时性、灵活性、与围岩密贴性、整体性、早强性、柔性与延性、封闭性。2.工程实例2.1工程概况国道主干线GZ40陕西境内宁陕筒车湾至洋县槐树关段高速公路是国道主干线二连浩特至河口公路的重要组成部分，也是陕西省“米”字形公路主骨架西安至汉中的重要路段，位于陕西省西南部。酉水1#、2#隧道是四川路桥建设集团承建的两座中、短隧道，单洞全长2165m。设计行车速度为80Km/h，隧道净宽9.75m。2.2围岩衬砌初期支护参数围岩衬砌类型初期支护设计参数Ⅱ类浅埋φ50超前注浆导管支护，L-4.3m,环向间距30cm,α-5°φ25中空注浆锚杆,L-3.5m,间距100X80cmφ22砂浆锚杆,L-3.5m,间距100X80cmφ6钢筋网,15X15cm；I20a型钢拱架,纵向间距80cm喷C25混凝土25cmⅡ类深埋φ50超前注浆导管支护，L-4.3m,环向间距30cm,α-5°φ25中空注浆锚杆,L-3.5m,间距100X80cmφ22砂浆锚杆,L-3.5m,间距100X80cmφ6钢筋网,15X15cm；I18型钢拱架,纵向间距80cm喷C25混凝土22cmⅢ类φ22砂浆锚杆,L-3.0m,间距100X100cmφ6钢筋网,15X15cm；H-15格栅钢架,纵向间距100cm喷C25混凝土20cmⅣ类φ22砂浆锚杆,L-2.5m,间距120X120cmφ6钢筋网,20X20cm局部喷C25混凝土12cm3.施工工艺控制及操作要点3.1锚杆施工工艺及操作要点3.1.1原材料备制①锚杆材料：锚杆材料采用20锰硅钢筋或中空注浆锚杆，特殊情况采用缝管式摩擦锚杆或楔缝式内锚头锚杆。钢筋直径Φ22㎜或Φ25㎜，按设计要求规定的材质、规格备料，并进行调直、除锈、除油，以保证砂浆锚杆的施工质量和施工的顺利进行。②水泥：通常情况选用普通硅酸盐水泥。在自稳时间短的围岩条件下，宜用早强水泥砂浆锚杆。③砂：宜采用清洁、坚硬的中细砂，粒径不宜大于3㎜，使用前应过筛。④配合比：普通水泥砂浆的配合比（水泥：砂）一般宜为1：1～1：1.5（重量比），水灰比宜为0.45～0.50。⑤砂浆备制：砂浆应拌合均匀，随拌随用。一次拌和的砂浆应在初凝前用完，并严防石块杂物混入。主要为了保证砂浆本身的质量及砂浆与锚杆杆体、砂浆与孔壁的粘结强度，也就是为了保证锚杆的锚固力和锚固效果。3.1.2锚杆孔的施工①孔位布置：孔位应根据设计要求和围岩情况布孔并标记，偏差不得大于５0mm；②锚杆孔径：砂浆锚杆的锚杆孔径应大于锚杆体直径15㎜；③钻孔方向：宜沿隧道周边径向钻孔，以保证锚杆的作用半径。部分情况可沿岩层主要结构面垂直打入，但钻孔不宜平行岩面；④钻孔深度：砂浆锚杆孔深误差不应大于±10㎝；⑤锚杆孔应保持直线；⑥灌浆前清孔：钻孔内一般残存有积水、岩粉、碎屑或其它杂物，会影响灌浆质量和妨碍锚杆杆体插入，也影响锚固效果。因此，锚杆安装前，必须采用人工或高压风、水清除孔内积水和岩粉、碎屑等杂物。3.1.3锚杆安装①注浆：砂浆锚杆孔内的砂浆也应采用注浆罐和注浆管进行注浆。注浆开始或中途停止超过30min时应用水润滑注浆罐及其管路。注浆孔口压力不得大于0.4MPa,注浆时应堵塞孔口。注浆管应插至距孔底5～10㎝处，随水泥砂浆的注入缓慢匀速拔出，并用手将水泥纸堵住孔口。②锚杆安装：锚杆头就位孔口后，将堵塞孔口水泥纸掀开，随即迅速将杆体插入并安装到位。若孔口无水泥砂浆溢出，说明注入砂浆不足，应将杆体拔出重新灌注后再安装锚杆；锚杆杆体插入孔内的长度不宜小于设计规定。锚杆安设后，不得随意敲击、碰撞，三天内不得悬挂重物。③钻孔注浆的饱满程度，是确保安装质量的关键，工艺要求注浆管插到距孔底5～10㎝，并随砂浆的注入而缓慢匀速拔出，就是为了避免拔管过快而造成孔内砂浆脱节。砂浆不足时应重注砂浆。这都是为了保证锚杆全长为足够饱满的砂浆所握裹，保证其锚固效果。④普通砂浆锚杆安装后不久，随意敲击杆体将影响砂浆与锚杆杆体、砂浆与孔壁的粘结强度，降低锚杆的锚固力。普通砂浆三天所能达到的强度为28天强度的40%左右，因此，规定三天内不得悬挂重物，不但是为了保证锚固质量，也是为了防止发生安全事故。3.1.4注意事项①砂浆锚杆作业是先注浆，后放锚杆（中空注浆锚杆作业是先放锚杆后注浆）。②先将水注入泵内，水占泵体积的2/3，并倒入少量砂浆，初压水和稀浆湿润管路，然后再将已调好的砂浆倒入泵内，将注浆管插至锚孔眼底，将泵盖压紧密封，一切就绪后，慢慢打开风阀开始注浆，在气压推动下，水在前，砂浆在后，水湿润泵体和管路，引导砂浆进入锚孔中。随着砂浆不断压入眼底，注浆管跟着用推和锤击的方法，把锚杆插入眼底，然后用木楔堵塞眼口，防止砂浆流失。③注浆压力不宜过大，保持在2㎏/㎝2为好；④压注砂浆时，必须密切注意压力表，发现压力过高，须立即停风，排除堵塞；⑤注浆管不准对人放置，注浆管在未打开风阀前，不准搬动，关闭密封盖，以防高压喷出物射击伤人。⑥砂浆掺速凝剂时，一次拌制砂浆数量不应多于三个孔，以免时间过长使砂浆在泵管中凝结。⑦灌注完成后，及时清洗机具。⑧锚杆安设完成时，应在边墙部位预留1%的锚杆，以作拉拔试验使用。⑨锚杆垫板应密贴岩面，并用螺母连接牢固。3.2钢筋网片施工工艺及操作要点①钢筋网一般使用φ6.5，Ⅱ类围岩衬砌钢筋网网格为15×15㎝，Ⅲ类围岩衬砌钢筋网网格为20×20㎝，固结在锚杆端头上。②钢筋须调直除锈，按规定长度下料。钢筋网成形后，每根钢筋都应绑扎或焊接。顺序堆放在工作面上使用。钢筋网片加工大小视开挖循环进尺决定。③钢筋网应随喷射混凝土面的起伏进行铺设，紧贴初喷混凝土表面。在二次喷射混凝土时，钢筋极少颤动。④钢筋网的铺设应设在第一次喷射混凝土和锚杆施工后进行。挂设时应预留10㎝左右，以保证和下一循环搭接。⑤可以利用单根钢筋挠度大，当有型钢或格栅钢架时，应与型钢或格栅钢架联接牢固。⑥在有钢筋的工作面上复喷混凝土，其喷射作业与无钢筋情况要求不同。有钢筋时，要求将钢筋背后喷护密实，钢筋表面不残留回弹物，以使钢筋有较大的握着力。如果对着直喷，反而加大回弹量，因此在钢筋网外喷护，喷射混凝土应保持一个角度，既能使钢筋背后密实充填，又可使回弹减少。⑦钢筋网表面保护层厚度不小于2㎝。不允许将锚杆、钢筋头外露。⑧当超挖较大时，应按每20㎝厚一层加设钢筋网片，这样才能保证喷射混凝土的粘接，形成一个整体。⑨多层挂网时，应分层挂网，分层喷射，以保证喷射混凝土的密实，保证不形成空洞。3.3型钢或格栅钢架施工工艺及操作要点型钢或格栅钢架是具有结构简单、受力结构条件好、加工制造方便、架设工艺简单等优点，对于隧道软弱破碎围岩加强地段的施工和处理险情、坍方处理都是一种能应急而有效的施工措施和手段。加工及架设时应做到：①加工时应按设计规定尺寸采用千斤顶进行，为保证弧度，顶点间距不能过大；分几段连接时，连接钢板与拱架轴线夹角须控制好。②按设计位置安设，一般在初喷后进行。对局部欠挖部位应予凿除，以保证拱架施工位置和结构尺寸的正确性，拱架应垂直于隧道中丝。上下、左右偏差应小于±5㎝，拱架倾斜度小于2°。连接钢板骑缝焊接及螺栓连接要保证质量。③拱架之间必须按设计要求进行纵向联接。以保证处于良好的联合受力状态，采用格栅拱加强地段，一次使用格栅拱的数量不应少于5榀。④拱架应与钢筋网联接，而且拱架必须与锚杆焊接牢固，以保证拱架、钢筋网、喷射混凝土和锚杆与围岩形成联合受力结构。因此，锚杆布置与断面方向均应与拱架的安设相适应。并应留有不小于20㎝的锚杆头部与拱架联接。局部位置与锚杆错开时采用增加纵向钢筋或调整纵向钢筋位置进行间接联接，确保该范围内的每根锚杆发挥其作用。⑤拱脚、边墙脚联接槽钢应按正确位置置平于原状土（石）上，并与拱架焊接牢固。当拱脚、墙脚标高不准时，只能用片石垫平槽钢或设置钢板调整。⑥拱架喷射混凝土保护层厚度不小于2㎝。3.4喷射混凝土施工用压缩空气将掺有速凝剂的混凝土拌合料通过混凝土喷射机高速喷射到开挖成型的隧道岩面上，使其迅速凝固而起支护作用。喷射混凝土可分为干喷、潮喷、湿喷三种方式。本隧道采用干喷法。喷射混凝土作业机具设备有：混凝土喷射机、空气压缩机、搅拌机、运输机具、供水设施。3.4.1喷射混凝土的原材料和配合比1）、原材料：①水泥采用PO32.5#普硅水泥；地质条件复杂时考虑使用早强水泥；②砂一般用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数一般宜大于2.5，含水率以5～7%为宜；③石子采用坚固耐久的碎石或卵石，粒径小于15㎜；④水采用洁净水，不得使用污水以及PH值小于4的酸性水和含硫酸盐超过1%的水，也不得使用含有害物质的其它水；⑤速凝剂采用BR型外加剂，初凝不大于5min，终凝不大于10min。一般掺量2%～4%，边部可用2%。2）、配合比的选定可根据试验确定。含砂率过小或过大都易造成堵管、回弹量大、强度低、且收缩加大。3.4.2喷射混凝土施工速凝剂速凝剂细骨料喷射机搅拌机细骨料喷射机搅拌机喷头粗骨料 喷头粗骨料水泥水泥水压缩空气水压缩空气干喷、潮喷工艺流程1)、场地布置：搅拌机一般布置在洞外，通过运输车运入洞内，然后给料于喷射机，同时应设晴雨棚，以控制砂石的含水率。2)、清理工作面：喷射混凝土前，应认真检查开挖断面尺寸，欠挖者应予以凿除，修整断面，清理浮石及拱脚的虚碴等。3)、喷射混凝土作业①混合料的备制a.混合时，各种材料应按配合比准确称量；b.采用强制式密封搅拌，时间不少于90秒；②机具就位机具安装在围岩稳定地段，保证输送线路通畅。未上料前，先进行混凝土喷射机试运转：开启高压风及高压水，如喷嘴风压正常喷出的呈雾状；如喷嘴风压不足，可能出料口堵塞；如喷嘴不出风，则可能输料管堵塞。有故障及时排除，待喷射机运转正常后才能进行喷射作业。③喷射混凝土作业要点a、喷前应用高压风或高压水清洗岩面，将附着在岩面上的粉尘、硝屑冲洗干净，以保证混凝土与岩面粘结牢固。若用高压水清洗会引起岩面软化时，只能用高压风清扫岩面杂物（视地质情况而定）。b、严格掌握规定的速凝剂掺量，并添加均匀；还要掌握添加时间。c、喷射机工作风压一般控制在0.2～0.4Mpa，具体以输料管长度等调节。d、喷射手严格控制水灰比，使喷层表面平整光滑，无干斑或滑移流淌现象。一般水压应稍大于风压。e、喷嘴的方向应与受喷岩面垂直，并稍微偏向刚喷射的部位；喷嘴与受喷岩面距离保持在0.6～1.0米范围。f、喷嘴移动轨迹应因地制宜，横条、竖条、圆圈等应交替使用，移动速度要慢，让混凝土“堆”起来，有了一定厚度再移开，然后逐块扩大其喷射范围；g、喷射顺序一般采用先下后上，先墙后拱，以减少因重力作用而引起的滑动或脱落现象发生。h、喷射应分层进行，一次喷射厚度一般拱部为5～6㎝，边墙为7～10㎝，具体以喷射效率、回弹损失率等确定。i、凹凸不平时应先将凹处喷平，按正常顺序喷射，以减少回弹。j、有钢筋网时，宜使喷嘴靠近钢筋，喷射角度也可适当偏一些，喷射混凝土应覆盖钢筋。k、有拱架时，拱架与围岩间隙必须先以喷射混凝土充填密实，再喷射拱架周围，后喷拱架之间。l、喷完或间歇时，喷嘴应向低处放置，一工班结束，要拆开喷头，取出水环，用水清洗干净，疏通水眼，以备下一班使用。喷完后，喷射机具均应清洗、保养，以保证机具处于完好状态。4)、注意事项①喷射机的合理使用启动喷射机时，应先送风再开机，并应在机械运转正常后送料，供料均匀连续。作业结束时，先停止送料，待罐内余料喷完，再停机，然后关风。停止喷射作业后，喷射机和输料管内的积料应及时清除干净，以避免混合料结块堵管。②输料管堵塞问题堵管的一般原因不外乎以下几种：a、混合料中混入超粒径的石子、水泥硬块或其它杂物。b、操作程序有误，如先开马达后送风，或砂子含水率过高，操作阀错开，致使高压风大量泄出，使工作室内风压急剧下降，也会引起输料管堵塞。c、如遇堵管，应立即关闭马达，随后关闭风源，并将软管拉直，然后以手锤敲击找到堵塞位置，可将风压开到0.3～0.4MPa，同时继续敲击堵塞部位，使其排除堵塞物而畅通。排除堵管现象时，应注意喷嘴前方严禁站人，以免发生伤人事故。③回弹问题影响回弹率的各种因素有：混合料配合比、水灰比、砂子含水率、工作风压、水压、喷射距离、喷射角度、操作方法及熟练程度等。针对各种因素，采取相应的措施降低回弹率。正常情况下的回弹率，一般拱部为20～30%，边墙为10～20%。④粉尘问题a、控制砂石料含水率：当含水率控制在5～7%时，作业时的粉尘浓度可控制在15mg/m3以下。b、加强通风。c、加长拢料管：即在喷嘴水环到出口之间接一段0.5～1m长的管子，使干料与水混合后有一个充分湿润和混合的过程，这对降尘和提高混凝土质量都较为有利。d、严格控制工作风压：风压过高、进料速度过快，在喷头处加水不容易均匀，风压过高不仅增加回弹量，而且也会提高粉尘浓度。⑤密实问题喷射混凝土的密实与原材料、配合比、速凝剂种类与掺量、水压、风压、顺序、分层厚度、操作手的熟练程度等有关。它直接影响混凝土的强度及后期防水功能，尤其是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩衬砌，有钢筋网和拱架时。它对防止混凝土的劣化，腐蚀性成分侵蚀，提高耐久性都有很大影响。⑥安全及劳动保护：a施工中注意喷嘴不准对人，以免喷射伤人，喷射前先进行清理浮石、危石等必要的排险作业；喷射机一定要安放在围岩稳定或已衬砌地段。b喷射混凝土施工人员必须佩戴防尘口罩等，操作喷头和注浆管的工人应佩戴防护眼罩，夹胶工作服、长筒乳胶手套等。C加强通风，保证新鲜空气供应。4.质量要求锚喷支护的质量要求：①喷射混凝土抗压强度必须合格，不合格时，应查明原因，并采取措施，可用加厚喷层或增设锚杆的办