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隧道工程初期支护背后脱空预控措施及处理方案

新建大冶北至新建铁路

武九客运专线二标三分部

隧道工程初期支护背后脱空预控措施及处理方案

编制：

审核：

批准：

中铁十八局集团第三工程有限公司

二〇一五年八月二十五日

隧道工程初期支护背后脱空预控措施及处理方案

1.编制依据

（1）《高速铁路隧道工程施工技术指南》铁建设[2010]241号；

（2）《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》TB10753-2010J1149-2011；

（3）隧道工程相关设计图纸及参考图

（4）《关于开展铁路隧道初期支护背后脱空专项检查和整治的通知》（质监综电〔2015〕35号）、武九铁路客运专线湖北段大冶北建设指挥部（大冶指电〔2015〕130号）。

（5）其他现行的有关标准、规范、规程、规定等。

（6）以往高速铁路工程施工经验

2.编制原因

根据武九铁路客运专线湖北段大冶北建设指挥部对隧道工程初期支护背后脱空的相关要求，为加强武九铁路客运专线二标三分部隧道实体质量，最终实现运营安全，特编制武九铁路客运专线二标三分部隧道工程初期支护背后脱空控制措施及处理方案，主要针对隧道初期支护防止背后脱空措施、施工过程检查、初支转序验收以及处理相关措施要求，并针对特殊部位的脱空制定处理方案，进一步指导陈家、石马寨隧道工程初支施工。

3.编制范围

武九铁路客运专线二标三分部所有存在初期支护施工的隧道工程。

4.初支脱空原因分析

针对武九铁路客运专线二标三分部现场施工情况及施工作业水平，并结合大冶指对初期支护的相关要求，总结分析以往施工造成背后脱空可能存在以下几点原因：

（1）初期支护钢筋网片与钢架与岩面的空隙易造成背后局部脱空。

隧道掌子面岩面未进行初喷，岩面极不平顺，导致钢架及钢筋网背后与岩面存在加大空隙，在喷射过程中易造成空洞。

（2）喷射混凝土的施工工艺不规范造成局部脱空。

一是喷射混凝土作业时未按照分段、分片、分层依次进行，喷射顺序不是自下而上，现场操作随意性强；二是喷射时未先将低洼处大致喷平后按照施工顺序操作；三是喷射砼时要求往复喷射，部分作业人员为节省时间、减少操作步骤而采取的“堆码式”喷射砼；四是操作手的喷头未垂直岩面。

（3）对隧道初期支护转序验收重视不足，仅关注初期支护钢架施工质量二忽略脱空问题。

（4）虽进行初支转序孔验证，但现场操作时转序孔数量不足、深度不够，只按照设计厚度验证喷射砼厚度问题，未进一步加深检查孔至岩面，难以如实反映初支背后是否脱空。

（5）初期支护检查验证孔抽查范围，不能“全覆盖、全断面”逐个进行检查，对小范围的小脱空问题容易遗漏。

5.初期支护质量控制体系

武九铁路客运专线二标三分部项目经理部针对初期支护质量控制，成立以分管领导为主导、安质部和工程部配合的初支质量预控小组。

小组组长：

赵丰功

副组长：

魏志成封鑫

组员：

安质部工程部物设部实验室各工区现场负责人

武九铁路客运专线二标三分部的初支质量预控小组办公室设在项目经理部安质部，进行日常检查考核。

6.初支背后脱空预控措施及处理方案

6.1.预控措施

（1）加强测量放样、优化钻爆设计参数、加强超前预注浆支护施工，减少和控制超欠挖现象。

（2）改善初期支护施工质量，调整施工工序，改进施工工艺，严格按照即：

爆破→初喷→打锚杆→挂钢筋网格→立钢架→复喷，重点控制“初喷”和“复喷”工序。

（3）加强喷射砼工艺过程指导及施作质量，严格按照标准化作业指导书喷射砼作业施工工艺进行，分层喷射，避免在岩面与钢筋网出现空隙或造成初支不密实。

喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。

喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。

图1喷射作业顺序示意图

（4）加强初支转序施工管理及施作质量，严格执行“一带班、两跟班”及“三检”制度，必须将初期支护检查验证孔纳入隧道日常工序管理，专人负责、专人盯控。

（5）必须按照大冶指文件要求，利用隧道开挖台架或是防水板铺挂台架对初期支护及时施作检查验证孔。

其中拱部不少于2个，边墙不少于4个，检查验收按照要求形成检查验收记录及监理转序签认工作，方可进行下道工序施工。

同时在浇筑二衬前利用地质雷达对初支进行检测排查，发现脱空及时注浆处理。

（6）加强初期支护施工过程中的管控，尤其是超挖较大部位过程中应加强旁站管控，喷射砼工艺的指导，发现问题及时要求整改。

（7）初支背后脱空处理方案

①对初支背后超挖较大或掉块溜坍形成空腔较大部位以及初期支护已施工完脱空范围较大或脱空深度较深处，在初期支护喷砼完成后埋管泵送流动性较大的C20砼回填吹沙处理,合格后方可进行下道工序；

②对于初支背后范围较小且初支未喷射前采取分阶段打锚杆多层挂网补喷处理；

③脱空深度较小或仅仅是混凝土和围岩之间有少量间隙，采用钻孔利用注浆机向脱空处压注水泥砂浆的方法对脱空或孔隙进行处理；

④局部喷射混凝土不密实部位或存在少量空隙部位，凿除后挂网补喷。

处理完成后，采用打孔验证或地质雷达进行检测直至密实为止。

6.2.初支背后脱空控制性措施

6.2.1.超欠挖控制

（1）测量放样时要精确标出开挖轮廓线，在开挖过程中控制好开挖断面，做到测量精确；

（2）岩石隧道爆破开挖时要严格按照爆破施工技术交底进行提前准备，精确控制好炮眼间距，并严格按照技术参数装入药量，不能忽多忽少；认真进行钻爆设计，准确确定钻爆参数。

根据开挖断面实际和地质情况，周密做好光面爆破施工方案，准确计算钻爆参数，并对作业方案实施动态优化，以提高光面爆破施工质量，最大限度地减少开挖断面超挖，缩小网格和钢架背后的空间，也减少了喷射混凝土数量和人工工作量。

（3）在开挖过程中还需根据实际情况确定预留变形量，应将施工中可能发生的围岩变化情况（掉块或坍落）进行考虑；

（4）在施作超前小导管时要控制好外插角，防止因外插角过大造成超挖；

（5）预留开挖轮廓边缘线，在开挖过程中采用人机配合，避免机械开挖造成超、欠挖现象；

（6）地质情况较差、局部出现坍塌时根据实际情况尽快施作初期支护进行封闭处理；

（7）开挖到设计轮廓线位置后立即进行初喷封闭开挖面，再架设型钢拱架；

6.2.2.调整初期支护施工工序

调整施工工序，改进施工工艺。

为了避免初支背后脱空，优化施工工序，即：

爆破→初喷→打锚杆→挂钢筋网格→支立钢架→复喷，重点把握“初喷”和“复喷”工序。

具体而言：

“初喷”是指在掌子面爆破完成后，不是紧跟架设钢架，而应该对暴露的岩面排险后对钢架和第一层喷射混凝土表面必须进行彻底清理；先喷一层混凝土封闭尤其是先喷射填塞钢架背后,然后以每层3～5cm厚度分层喷射，并对开挖不规则的岩面找平。

“初喷”混凝土面的平整度是减少背后脱空的关键，因为混凝土表面平整，钢筋网格和钢架就能紧贴“初喷”的混凝土面，其背后就不会留有间隙。

在开挖断面存在超挖的情况下，为了保证“初喷”混凝土表面平整。

“复喷”是指二次喷射混凝土。

“复喷”混凝土在打设锚杆与铺设钢筋网后紧贴岩面，安装格栅架或型钢钢架，复喷作业时砼不需要穿过钢筋网格去填充网格和钢架背后的空间，直接覆盖网格和钢架不易在岩面与钢筋网中间形成较大空隙或造成空洞。

6.2.3.喷射砼作业

在隧道开挖完成后，先喷射4cm厚混凝土封闭岩面，然后打设锚杆、架立钢架、挂钢筋网，对初喷岩面进行清理后复喷至设计厚度。

初喷混凝土喷射时应先填平岩面较大凹洼处，初喷混凝土面应大致圆顺。

设置控制喷射混凝土厚度的标志，一般采用埋设钢筋头做标志，亦可在喷射时插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2m设一根，作为施工控制用。

喷射砼作业过程中应严格按照以下要求进行：

⑴喷射操作程序应为：

打开速凝剂辅助风→缓慢打开主风阀→启动速凝剂计量泵、主电机、振动器→向料斗加混凝土。

⑵喷射混凝土作业应采用分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6m。

喷射时先将低洼处大致喷平，再自下而上顺序分层、往复喷射。

⑶喷射混凝土分段施工时，上次喷混凝土应预留斜面，斜面宽度为200～300㎝，斜面上需用压力水冲洗润湿后再行喷射混凝土。

⑶分片喷射要自下而上进行并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。

边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。

在喷射边墙下部及仰拱前，需将上部断面喷射时的回弹物清理干净，防止将回弹物卷入下部喷层中降低支护能力。

⑷分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，若终凝1h后再进行喷射时，应先用风水清洗喷层表面。

一次喷混凝土的厚度以喷混凝土不滑移不坠落为度，既不能因厚度太大而影响喷混凝土的粘结力和凝聚力，也不能太薄而增加回弹量。

边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10cm，拱部控制在5～6cm，并保持喷层厚度均匀。

顶部喷射混凝土时，为避免产生堕落现象，两次间隔时间宜为2～4h。

⑸喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。

风压过大，喷射速度增大，回弹增加；风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响喷混凝土强度。

因此在开机后要注意观察风压，起始风压达到0.5MPa后，才能开始操作，并据喷嘴出料情况调整风压。

一般工作风压：

边墙0.3～0.5MPa，拱部0.4～0.65MPa。

⑹喷射时使喷嘴与受喷面间保持适当距离，喷射角度应与受喷面垂直，以使获得最大压实和最小回弹。

喷嘴与受喷面间距宜为0.6～1.8m；喷嘴应连续、缓慢作横向环行移动，一圈压半圈，喷射手所画的环形圈，横向40～60cm，高15～20cm；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜，将钢架、钢筋网背后喷填密实，但不宜小于70°，必要时应在钢架和初期支护后注浆填充。

如果喷嘴与受喷面的角度大小，会形成混凝土物料在受喷面上的滚动，产生出凹凸不平的波形喷面，增加回弹量，影响喷混凝土的质量。

6.2.3.施打初支验证孔

在初支转二衬施工前，要对初支后脱空情况进行检查，对初支后脱空检查除按要求进行地质雷达检测外，还应在施作二衬前，按每一衬砌台车长度范围内对隧道初支进行钻孔检查，检查孔数量不少于6个，其中拱部不少于2个，边墙不少于4个。

实际施工过程中，按照掌子面滞后一个开挖台车位进行施作并用红油漆标识清楚。

在施作破检孔时技术员现场旁站跟踪，破检孔应钻穿初支并深入至围岩内，根据钻进过程中钻杆进尺速度及钻设完毕后探孔情况，综合判定初支背后是否脱空，存在脱空采取注浆或凿除挂网喷砼处理。

6.2.4.雷达检测

针对掌子面至二衬段落已施工完的初支，分部进行自检，除采用常规钻孔检查外还要采用地质雷达等可进行无损探测，按照拱顶、拱腰及边墙进行，根据检测报告结果及及时采取相应处理措施处理，处理合格后再次报请检测单位复检，复检合格后方可转序。

6.2.5.过程中施工管控

在出渣排险完毕后，现场技术人员立即安排现场对围岩进行初喷，检查掌子面围岩超欠挖情况、围岩稳定状态、超前小导管支护情况，及时调整下一循环爆破参数、优化超前支护、调整开挖工法等，实行动态化管理，合理调整支护参数，减少超挖现象。

在发现局部地段超挖时过程中就及时采取分层挂网补喷平整或预埋PVC管回填注浆处理，同时在喷砼作业中应采取旁站监督对于超挖较小地段采取多次喷砼密实处理。

在进入下一循环作业时，利用打钻时间适当加密破检孔或利用小锤敲击初支表面进行检测，做到每循环检测每循环脱空现象的处理，不留隐患。

5.2.6.建立奖惩措施

建立健全质量奖惩制度，严格按照项目经理部下发的质量管理办法执行，将初支转序验收作为项目经理部日常检查重要项目，如发现未按照要求进行现场施工及操作，严肃考核处理，具体要求如下：

（1）如检查发现脱空而未及时做好现场布置及施工安排，及时进行处理，检查发现一处，给予相应工点所属工区给予处罚1000元（大写：

壹仟圆）。

（2）如项目经理部对初期支护现场破检抽查发现初期支护背部存在空洞，而工区自检未发现，检查发现一处，给予相应工点所属工区给予处罚1000元（大写：

壹仟圆），并对转序验收技术主管处罚100元（大写：

壹佰圆）。

（3）如检查发现未进行初期支护转序验收（监理单位签字确认），而私自进行下道工序施工。

发现一次立即暂停掌子面施工，对初期支护是否脱空进行检查验证且脱空处理完成，经监理工程师验收合格，方可恢复施工，项目经理部对施工班组处罚2000元（大写：

贰仟圆），技术主管处罚200元（大写：

贰佰圆），现场施工负责人处罚500元（大写：

伍佰圆）。

6.3.初支背后脱空处理

6.3.1.较大脱空处理

首先根据抽芯破检情况，利用风枪加大探测空洞范围并标识清楚。

采用取芯机钻孔埋设不少于2根Φ100泵送管，作为排气检查及泵送口。

砼由搅拌站集中供应至现场后，接地泵送管，分阶段分批次进行对空洞进行回填处理。

为避免初支承载力过大，砼采用流动性较大砼，泵送过程中应安排专人指挥及观察，泵送速度不宜过快，分段分批次间隔时间泵送并及时调整坍落度，使得砼向四周撒开填充空洞，同时对护拱上方吹沙回填作为缓冲层。

回填处理完成后，进行雷达扫描检测，如发现局部不密实或存在孔隙范围可采用回填1:

1水泥砂浆处理直至密实。

图1脱空处理示意图

6.3.2.脱空注浆处理

（1）注浆作业工艺流程

埋设注浆孔

图2注浆工艺示意图

（2）注浆管布设图

图3注浆孔布置示意图

（3）施工操作要点及要求

①纵向施做注浆孔，注浆孔为钻孔埋设,根据脱空面积大小区别布设。

连续脱空部位，环向间距3m，纵向间距5m；独立脱空较小部位,一次注浆完成。

当独立脱空范围相对较大时，为避免局部承载过大，注浆分两次或三次完成，先注浆1～1.5个小时，后移至第二个注浆孔注浆，以此类推。

等第一个注浆孔初凝后有一定强度时，在进行二次注浆，最后一次进行补注至空腔密实，用棉纱封堵注浆管，以防止浆液从管内溢出。

②埋设注浆管

利用破检孔洞预埋注浆管。

注浆导管采用Ф42×3.5mm热轧钢管，长度为40cm，当有超挖时适当加长，注浆管迎水面位置应与围岩密贴，注浆管埋设不少于2根，一根作为注浆孔，一根作为排气孔或检查孔。

③注浆

注浆采用1:

1的M20水泥砂浆。

注浆管与注浆机连接好后,排除管内空气,调整好注浆压力，启动注浆机开始注浆,注浆应在距封闭成交底内容：

注浆离掌子面5m外进行,注浆时先注两侧孔，后注拱顶孔。

注浆压力一般为0.3～0.5Mpa，注浆终压力0.5MPa。

注浆时，随时观测压力和流量变化。

当压力逐渐上升，流量逐渐减少，注浆压力达到终压时，稳定3min，可结束本次注浆。

注浆顺序应由下往上，由水少处到多水处。

过程中应密切注意注浆压力的变化。

④堵孔

注浆完毕后，用棉纱封堵注浆管，以防止浆液从管内溢出。

⑤检测

利用地质雷达对脱空范围进行检测，如发现不密实则继续实施注浆回填处理，直至密实。

6.3.3不密实处理

当孔隙范围较小且存在不密实部位可采取利用破碎锤破除开仓凿除，铺挂网片增打锚杆重新喷砼密实。