全风化花岗岩地层隧道洞口微桩施工工法

全风化花岗岩地层隧道洞口微桩施工工
法
摘要：为保护隧道洞口周围的重要构筑物，降低隧道洞口施工对周围土体的
挠动，采用钢管桩与预应力锚索组合加固洞口，工艺流程与操作较复杂，依据项
目特点，总结出了相应的施工方法。

关键词：隧道洞口、微桩、钻孔注浆、预应力锚索、锚索张拉
某项目需新建隧道18条，改扩建隧道2条，故需处理与防护的隧道洞口有
40个，其中采用微桩加固的洞口有10个，该10个洞口均位于全风化花岗岩地层，土层松散，土体稳定性较差。

为保护隧道洞口周围的重要构筑物，降低隧道洞口施工对周围土体的挠动，
采用钢管桩与预应力锚索组合加固洞口，工艺流程与操作较复杂，依据项目特点，总结出了相应的施工方法。

1工法特点
1.1在隧道洞口，打入一排钢管式微桩，并超过仰拱7m，微桩长度为7~38m；施作冠梁，锚索钻孔，最后进行横向预应力锚索施工，使隧道洞口有着较强的支
护能力，保证了隧道洞口边仰坡的稳定性，保证了隧道安全进洞。

1.2洞口微桩有效的减少了边仰坡的开挖，同已往隧道洞口土体开挖进洞相比，大大降低了对洞口周围地层的挠动，有效的保证了周围构筑物。

2 施工工艺流程及操作要点
2.1 施工工艺流程
隧道洞口微桩施工工艺流程分为两个流程：
（1）微桩施工；
（2）锚索施工；
图2.1 隧道洞口微桩施工工艺流程图
2.2 微桩施工
1）微桩定位
2）孔位机械位置找平
微桩施工主要为钻孔位置的放样，钻孔机械位置找平，机械就位后，调整钻
头的垂直度，钻至指定深度（超出设计深度0.5米）；
3）钻孔（隔孔钻）
采用潜孔钻钻孔，垂直钻孔直径为240mm；钻孔分奇、偶数，先钻奇数孔，
注浆完成后再钻偶数孔；，并配备有螺杆空压机（型号LGCY-29/23）、水泵等；
钻机就位必须保证水平、稳固、安全、可靠，确保施工中不发生偏移、移动；钻机立轴方向必须准确控制，以保证成孔垂直度，钻进中发现偏斜应及时纠偏，
控制角度偏差≤3°；
4）清孔
利用空压机，往孔内吹孔，保证孔内无塌孔，若有塌孔，则潜孔钻再次进行钻孔。

5）钢管焊接
钢管采用Ф168.3×10mm的S355热轧无缝钢管，微桩长度为7m~33m，微桩间距240mm，钢管长度为12m一节，对钢管进行焊接。

钢管焊接：采用《EN 10210-1》中S355 JOHN钢，对接焊。

表2.1 焊条直径选择
5）钢管安装至设计深度
钢管桩的运输与安装：采用25T吊车调运与安装钢管桩，安装时分节送入孔位，钢管之间采用焊接连接；
6）钢管混凝土浇筑
钢管桩的灌注：采用C25混凝土灌注；
7）微桩顶冠梁浇筑
钢管桩桩帽及冠梁的钢筋绑扎与浇筑。

2.3 预应力锚索施工
1）土层开挖：
采用逐层开挖，分层施工。

开挖采用挖机配合人工开挖，沿已施工的微桩进
行机械开挖，预留20～30cm部分采用人工清理，减少机械设备对微桩的扰动，
开挖面比锚索设计高程低1m。

开挖后对微桩面进行喷射混凝土调平。

2）锚索孔位定位与放样
定位与钻孔是锚索施工中控制工期的关键工序。

为确保钻孔效率和保证钻孔
质量，采用KG403S潜孔钻钻孔，钻孔孔径为φ180mm。

钻孔前，由测量队根据设
计图纸进行锚孔定位，用红油漆标记孔位位置，并进行编号。

3）水平钻孔，按设计要求进行钻孔，保证孔位深度及倾斜角度。

（1）钻机开钻前，按锚索设计长度将钻孔所需钻杆摆放整齐，钻杆打完，
孔深也恰好到位（钻杆总长=孔深）。

钻孔深度要超出锚索设计长度0.5m左右。

钻孔结束，逐根拔出钻杆和钻具，将冲击器清洗好备用。

用一根聚乙烯管复核孔深，并以高压风吹孔，待孔内粉尘吹干净，且孔深不小于锚索设计长度时，拔出
聚乙烯管，塞好孔口，以确保洞口杂物掉落孔内，防止孔内堵塞。

（2）在成孔过程中如遇渗水和塌孔，其处理方法如下：
①渗水的处理：在钻孔过程中或成孔检查时，从孔口吹出的不是粉尘，而是
泥团或泥浆，则表明孔内有渗水。

处理方法是当渗水不大时，钻机不停钻，直至
设计孔深，撤出钻杆，以0.6~0.8Mpa的高压水对钻孔进行清洗，将孔内残余岩
粉或泥浆冲出，直至吹出的水为净水为止；当孔内渗水较大时，进行固壁防渗处理，即首先清孔，然后灌水泥净浆，强度为C25，配比为水泥800kg,水550kg,灌
浆压力为0.3~0.4Mpa,待灌浆压力超过24小时后，重新钻孔至设计深度。

②塌孔、卡钻的处理：当钻孔穿越强风化岩层或岩体破碎带时，往往发生塌孔。

塌孔的主要标志是从孔中吹出黄色岩粉，夹杂一些原状的（非钻头碎、非新鲜、无光泽的）石块，这时，不管钻进深度如何，都要立即停止钻进，拔出钻具，进行固壁注浆，固壁注浆采用水泥净浆，注浆压力采用0.4 MPa，浆液配合比为：一方浆液水泥800kg、水550kg，注浆后等凝固24小时后重新钻孔。

4）清孔
5）锚索安装与注浆
（1）锚索制作：
钢绞线的长度根据设计图纸来确定，包括锚固段、张拉段、自由段，自由段
长度大于设计1米，钢绞线采用轮锯锯断。

组装锚索时，必需在工作台上制作，
不得在地面上进行，要求每根钢绞线顺直，不扭不叉，排列均匀，先测出锚固段
和锚索的长度，分别做出标记，在锚固段的范围内每隔1米设一个扩张环，每两
个扩张环中间用紧箍环固定在注浆管上，自由段每两米设扩张环，在锚索端头安
装导向圆锥。

每根锚索的自由端刷防锈油后用聚乙烯管套好，并将端头用钢丝箍紧，然后用胶布封堵好，防止水泥浆渗入。

其中锚索主要参数：直径为15.24mm，截面积139mm2，特征拉伸强度
f tpk≥1860Mpa, 1%总变形时的特征张力f（1）tk≥ 1670 N/mm2。

注浆管主要参数：为软质聚乙烯材料，直径为22mm，壁厚2mm。

紧箍环主要参数：由硬质聚乙烯制成，周边分布6个φ20mm的开口孔，用
于固定锚索，正中间设置1个φ30mm的孔，用于穿注浆管。

扩张环主要参数：采用厚度3mm直径120mm的钢板，正中间穿一个φ26mm
的孔，用于穿注浆管。

周边均匀设置3个φ22mm的孔，用于穿锚索。

导向圆锥主要参数：由硬质聚乙烯材料制成，直径φ6.5cm，高5cm,在导向
圆锥前面安装一个紧箍环，用铁丝将锚索和紧箍环固定，使锚索能够与导向圆锥
紧密固定。

（2）锚索安装：
锚索孔装索前，要核对锚索编号是否与孔号一致，确认无误后，再以高压风
清孔一次，清孔完毕后，即可着手安装锚索。

安装锚索时需注意检查波纹套管装
置是否损坏、锚固段与自由段是否密封，如有破损或密封不严则按要求更换或密封；锚索安放时要防止锚索扭压、弯曲，注浆管随锚索一同放入孔内，注浆管头
部距孔底为50cm；锚索插到孔内的深度为距孔底50cm；安装完成后放入排气管，
排气管采用φ22mm的钢管，深入孔内距孔底距离不得大于15m，尾部高于孔口50cm。

（3）锚固法注浆：
现场准备好双液注浆机，搅拌机，塑料储水池、秤、水泵及其它材料，配备2个压力表和1个安全阀，浆液强度为C25，最大水灰比为0.5，配比合必须获得监理的批准。

除可按质量或体积进行配料的水和液体外加剂外，所有材料均按质量进行配料，袋装材料在使用前应称重，但是明确标明重量并说明公差的除外。

配料的精确度应为或已确定为（对于预装袋材料）：对于干料、水泥和外加剂，规定数量的±2%，对于拌和水，规定数量的±1%，拌和水的总量应包括液体外加剂的含水量。

根据环境或材料的影响，考虑水泥浆的塑性性能，水灰比应尽可能低。

应记录实际水灰比。

将材料混合形成均匀的水泥浆，并持续缓慢地搅动，直到泵入管道。

应先向搅拌器中加水，然后再添加干料，干料可整体或按顺序部分添加，直至达到总量。

对所有工作进行检查，以确保管道、排气孔、入口和出口能够满足注浆的要求。

该检查应该用干燥、无油的空气吹遍系统并依次测试每个排气孔来完成。

开始注浆作业之前，必须清除孔内的所有水，孔内注浆应在锚索安装完24小时内完成，注浆速度不宜过快，避免水泥浆离析。

注浆锚固法注浆采用排气注浆法施工。

注浆管插至孔底，砂浆由孔底注入，空气由锚索孔排出；锚索孔注浆采用砂浆注浆机，注浆压力保持在0.3～0.6 MPa。

6）钢梁安装
（1）钢横梁制作与安装
横梁采用2根HEA180型钢，两H型钢采用IPN180型钢连接,间距1m现场焊接，横梁根据设计长度加工完成后，按设计位置进行安装；用φ20钢筋，做成L 型焊结在微桩上,将横梁托起，横梁安装后再在其上部用φ20钢筋L型状倒装焊结在微桩上，使其固定,其焊接工艺参照《BS 5135:1984. Arc welding of carbon and carbon manganese steels》执行。

（2）制作的制作与安装
支座采用10mm、25mm厚钢板加工；安装时，需使锚墩面与锚索垂直，锚索
从支座预留孔中穿过，先安装18号腹板加强钢板，钢板厚度为25mm，长40cm,
宽17cm,钢板焊结在工字梁上；然后安装4号钢垫板，钢板厚度为10mm,长60cm，宽35cm，正中间穿直径19cm的孔，便于锚索穿孔张拉，该钢板与18号腹板加强
钢板相焊结。

再安装5号斜支撑三角形钢板，厚度为25cm，长59cm，宽10cm，
使之与4号钢板相焊结。

最后安装3号压力钢板，厚度为25cm，长59cm，宽
35cm，与5号斜支撑钢板相焊结。

7）整排锚杆张拉与封锚
在孔内砂浆达到设计强度75%后，进行锚索张拉，预应力锚索设计张拉应力
为300KN，张拉加载等级按设计张拉10%进行，每次加载后恒载3min；张拉控制
应力控制在0.65～0.7倍锚索强度标准值范围内；张拉荷载分级逐步施加，最后
一次张拉将荷载增加到1.05倍设计荷载，如果变形无变化，锚索保持原状，油
泵上压力表指针无返回现象，方可卸载到设计荷载，进行锁定作业；应在张拉控
制应力处于稳定状态时再锚固预应力钢绞线。

8）开挖下一层，进行下一排锚索施工
9）洞口开挖
在完成微桩施工后，开始洞口开挖施工
3 质量控制
3.1 本工法遵照执行的标准和规范
①设计图纸和技术规范附录；
②《EN 10210-1》；S355 JOHN钢，对接焊
③《EN 1991》
④《BS 5135:1984. Arc welding of carbon and carbon manganese steels（碳钢和碳锰钢的电弧焊）》
焊缝每一面100％的焊缝表面和10mm的相邻母材，切口最大深度0.5mm。

⑤(EN ISO 2560-A E 42 0 RR12)：焊件厚度＞12mm，焊条直径：4～6mm
⑥钻孔，垂直度≤3°；
3.2 质量保证措施
3.2.1 项目指挥部成立“质量管理领导小组”，由项目部经理牵头，项目部总工程师、项目部各有关业务部门人员和各施工队队长、主管工程师和专业工程师参加。

3.2.2由项目经理、总工、生产副经理、质检科、工程科、技术科联合组建项目质量管理体系，通过质量管理及组织、技术保证措施和及时准确的质量管理信息系统，实现项目施工整个过程的质量控制。

3.2.3 认真细致地做好工序预检、隐检和不定期质量检查、评定工作，发现问题后与责任人一起制定纠正措施，报项目部总工程师批准后，组织实施。

3.2.4制定严格的得劳动力计划，明确分工、责任到人和严格的交接班制度，对所有从业人员进行全面的技术作业培训使每个从业人员掌握施工方法及流程以保障施工质量。

3.2.5 微桩施工的质量控制；微桩施工时，主要控制其垂直度及保证孔深达到设计要求，边钻孔边测其垂直度，发现偏离较大时，及时调整；
3.2.6 锚索安装的质量控制
在锚索孔位成型后，需严格检查钻孔的深度与倾斜角度是否满足设计要求，如不满足，需修补或重新钻孔；检查完后需立即安装锚索并完成注浆，以防孔位坍塌，从而影响锚索的锚固段长度与自由端长度，直接影响张拉质量。

3.2.7 锚索张拉施工的质量控制
锚索张拉施工微桩施工质量控制的关键，在锚索注浆及横梁施工完后，养护
3天后（孔内砂浆强度达到75%以上），可进行张拉锁定作业。

张拉前整平承压板支撑构件面，安装承压板、垫板、锚具，并保持与锚杆轴
线方向垂直；对千斤顶和高压油泵进行标定；
张拉按一定程序进行，锚索张拉顺序应考虑对临近锚索的相互影响确定；
正式张拉前对锚索进行预张拉2次，张拉力为设计荷载的0.1～0.2倍，以
保证锚索各部位接触紧密、杆体平直，消除杆体的隐蔽变形量。

拉直后再进行张
拉时，其变形量起点以此状态为零点起记；
张拉控制应力控制在0.65～0.7倍锚索强度标准值范围内；张拉荷载分级逐
步施加，最后一次张拉将荷载增加到1.05倍设计荷载，如果变形无变化，锚索
保持原状，油泵上压力表指针无返回现象，方可卸载到设计荷载，进行锁定作业；应在张拉控制应力处于稳定状态时再锚固预应力钢绞线。

预应力锚索张拉应在专业技术人员指导下进行安装，对液压系统、传输装置、锚索变形等关键方面重点监控。

认真实施安全交底工作，做好预应力锚索施工危险源辨识和风险评价，事先
设置实验孔。

4 效益分析
4.1安全效益
洞口位于全风化花岗岩地层，土层松散，土体稳定性较差。

采用钢管桩与预
应力锚索组合加固洞口，能有效保护隧道洞口周围的重要构筑物，降低隧道洞口
施工对周围土体的挠动，保证隧道安全进洞。

4.2经济效益
全风花花岗岩地段洞口段，属于坡积土层，开挖后极易失稳，造成整个山体
滑移，危害极大。

如不采用微桩施工，为确保山体的稳定性，必须将隧道洞身延
长，且洞内掘进安全风险较大。

以本项目7号隧道出口为例，如洞口不采用微桩
施工，为确保山体稳定，减少对山体的破坏，左、右洞必须同时延长25米以上。

具体节约时间如下：
1）微桩施工时间：
（1）微桩施工：100m/天，2880/100=29天；
（2）锚索及钢梁施工时间15天；
微桩施工需求时间：44天。

2）洞身延长时间：
（1）洞口开挖及边仰坡防护20天；
（2）左洞作为先行洞洞身掘进支护25m需25天；
（3）右洞待左洞掘进支护25m后再行施工需25天；
洞身延长施工需求时间为70天。

节约投资如下：
微桩施工：2880m*800元/m=230万元；
左、右洞身延长：25m*2*60000元=300万元；
4.3社会效益
研发了微桩施工工法，探索了一种新的洞口支护形式，提高了施工工效。

同
时降低了施工安全风险，积累了相关施工经验，施工质量受到了监理和业主的一
致好评，为企业创立了良好口碑。

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