第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖隧道主要技術(shù)措施研究

李國良，王 飛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

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第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖隧道主要技術(shù)措施研究

李國良，王 飛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

為解決蘭渝鐵路、寧夏王洼鐵路在建設(shè)過程中所遇到的第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖所帶來的系列工程問題，結(jié)合桃樹坪、胡麻嶺、程兒山等隧道建設(shè)中的工程難點和科研攻關(guān)，系統(tǒng)闡述了第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖的圍巖特性，介紹了適應(yīng)該圍巖的主要輔助技術(shù)措施和工程方案，提出了針對該地層的設(shè)計措施和施工關(guān)鍵技術(shù)。確定采用以“重降水、密導(dǎo)管、強(qiáng)支護(hù)、輔注漿、快挖快支快封閉”為主的工程原則，必要時洞內(nèi)水平旋噴加固，摸索出一整套此類地層條件下隧道的施工方法，并成功的應(yīng)用于工程實踐中，解決了一個世界罕遇的工程難題。

隧道工程；第三系；泥質(zhì)弱膠結(jié)；富水；粉細(xì)砂巖；圍巖特性；水平旋噴

0 引 言

第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖隧道施工問題是近年來隧道界遇到的一個嶄新的工程技術(shù)難題。該類圍巖主要分布于蘭州市周邊，具有明顯的地域特色，在之前隧道建設(shè)中很少碰到。蘭渝鐵路桃樹坪、胡麻嶺、馬家坡、哈達(dá)鋪等隧道，寧夏王洼鐵路程兒山隧道均遇到此類地層，給工程建設(shè)造成了巨大的困難。

在蘭渝鐵路建設(shè)初期，地勘初步揭示了本線的復(fù)雜地質(zhì)情況，主要包括第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖、高地應(yīng)力軟巖大變形、高地應(yīng)力硬巖隧道塌方等，這些不利因素在隧道選線階段已進(jìn)行了適當(dāng)考慮和規(guī)避，但當(dāng)時的認(rèn)識并不充分，尤其對第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖的工程及水文地質(zhì)特性的認(rèn)識不充分。待隧道挖開接觸后，才發(fā)現(xiàn)問題的復(fù)雜性和嚴(yán)重性。針對第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖的物理力學(xué)特性、工程及水文地質(zhì)特性、巖體含水率對圍巖穩(wěn)定性影響等的大量研究，找到了一定的規(guī)律，逐漸熟悉和認(rèn)清了這種特殊圍巖的工程特性，進(jìn)而所采取的針對性工程措施、主要輔助技術(shù)措施、設(shè)計方案和工法等已趨于穩(wěn)定[1]。筆者以桃樹坪、胡麻嶺隧道第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖為例，介紹隧道建設(shè)過程中方案論證和科研試驗等情況，并對研究成果在馬家坡隧道、程兒山隧道的應(yīng)用情況也進(jìn)行簡單介紹。

桃樹坪隧道長3 220 m，設(shè)5座斜井；胡麻嶺隧道長13 611 m，3 # (770 m)～4 # (664 m)斜井之間的3 250 m段落為第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖，在施工過程中先后增設(shè)5 # (705 m)斜井，7 # 豎井(深30 m)和8 # 斜井(450 m)輔助正洞施工，本段已成為蘭渝鐵路全線控制工期的主要段落之一。圖1為胡麻嶺隧道位于第三系富水粉細(xì)砂巖段正洞及輔助坑道平面圖。

圖1 胡麻嶺隧道第三系富水砂巖段平面

1 隧道施工中出現(xiàn)的問題

桃樹坪、胡麻嶺等隧道自2009年2月先后開工，在黃土和無水的第三系粉細(xì)砂巖地段施工進(jìn)展正常。至2010年5月，斜井、正洞先后進(jìn)入地下水水位線以下后，第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖遇水軟化，掌子面泥化，基底擾動后呈“稀粥狀”，無法自穩(wěn)，難以開挖成形，邊墻拱架接腿及仰拱開挖難度極大，初支無法及早封閉成環(huán)；掌子面及邊墻背后常伴有涌水、涌砂等現(xiàn)象，使拱架脫空形成空腔，造成鋼架扭曲，邊墻垮塌，施工安全風(fēng)險極大，施工進(jìn)度每月不足10 m。圖2、圖3為桃樹坪隧道4 # 斜井開挖及初支開裂情況，圖示可反映出該地層條件下隧道施工作業(yè)的難度和風(fēng)險性均較大[2]。

圖2 桃樹坪隧道4 # 斜井開挖

圖3 桃樹坪隧道4 # 斜井初支開裂加固

2 第三系粉細(xì)砂巖圍巖特性研究

第三系粉細(xì)砂巖為淺紅色，具粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)。無地下水時，圍巖整體穩(wěn)定性較好。當(dāng)?shù)叵滤l(fā)育時，受水浸潤或浸泡后，圍巖軟化，施工擾動后多呈粉細(xì)砂狀，呈蠕變流態(tài)。地下水富集地段，掌子面還出現(xiàn)涌水、涌砂等現(xiàn)象，Ⅵ級圍巖為主，各掌子面涌水量約為300～1 000 m3/d。專家研討會認(rèn)為第三系粉細(xì)砂巖屬于工程性質(zhì)很差的劣質(zhì)巖[3]。

根據(jù)取樣的顆粒分析及顆粒級配表，第三系砂巖的顆粒組成以粉細(xì)粒為主，粒徑主要集中于0.075～0.25 mm之間，通過滲透系數(shù)分析，其砂巖本體屬中等透水等級。其主要物理力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 第三系粉細(xì)砂巖主要物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)直剪試驗結(jié)果，砂巖黏聚力值為14.21～99.38 kPa，平均為56.79 kPa，內(nèi)摩擦角值為31.96～46.29°。

第三系粉細(xì)砂巖受沉積環(huán)境等影響，形成過程中多為泥質(zhì)弱膠結(jié)，且成巖性差，天然抗壓強(qiáng)度很低，一般﹤1 MPa；遇水浸潤或擾動后極易軟化的特征明顯，其飽和抗壓強(qiáng)度無法通過室內(nèi)試驗測得。通過電鏡掃描圖片進(jìn)行觀察，第三系弱膠結(jié)砂巖試樣微結(jié)構(gòu)為粒狀、架空—鑲嵌、點接觸結(jié)構(gòu)。在水的作用下發(fā)生流變后，內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)重新排列，孔隙數(shù)量成倍增加，遠(yuǎn)超于流變前[4]。

3 隧道內(nèi)主要技術(shù)措施研究

鑒于第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖地質(zhì)條件復(fù)雜性，施工中先后針對隧道線位優(yōu)化，施工方案(盾構(gòu)、插板機(jī)、預(yù)切槽機(jī))，施工方法(CD、CRD、雙側(cè)壁)，超前支護(hù)(插板、旋噴、小導(dǎo)管、大管棚)，輔助工法(注漿、降水、基底換填、排樁)等進(jìn)行了系列工程試驗及系統(tǒng)研究[5-8]。前期試驗工法及效果如下。

3.1 超前支護(hù)

超前支護(hù)以少擾動圍巖為主，方便快捷、經(jīng)濟(jì)、支護(hù)效果好為原則，主要以密排小導(dǎo)管、大管棚+小導(dǎo)管、水平旋噴樁、插板法4種方式進(jìn)行現(xiàn)場試驗比選。

當(dāng)掌子面含水率較大，軟塑狀或流塑狀的擾動地層擬采用水平旋噴進(jìn)行超前加固，但在施工前期因設(shè)備因素，施工進(jìn)度緩慢，正洞拱墻水平旋噴樁約為75根，按成樁速度1～2根/d計算，僅成樁時間就需要1～2.5個月，施工進(jìn)度很慢，且成樁效果不好，成樁直徑僅為設(shè)計直徑的50%～60%。當(dāng)時水平旋噴樁工藝的主要問題為國產(chǎn)設(shè)備效率低、施工效果較差，不能滿足施工的需求，后期由專業(yè)注漿隊伍采用國外進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行洞內(nèi)水平旋噴作業(yè)，施工工效及實施效果均有大幅好轉(zhuǎn)。

插板法主要在桃樹坪隧道4 # 斜井開展插板試驗，目前沒有專業(yè)的插板機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)場采用人工插板。第三系砂巖在未擾動時，巖性致密，拱部插板頂進(jìn)困難，但其在擾動地段邊墻部位可替代排管，減少邊墻部位流塑狀砂層開挖難度，效果較好。對于隧道拱部含砂卵石、含水率較小且施工擾動較輕的第三系砂巖，超前支護(hù)宜采用密排小導(dǎo)管，必要時輔以大管棚的方案[6]。

根據(jù)前期對超前支護(hù)的試驗結(jié)果，確定以密排小導(dǎo)管為主要的支護(hù)方式(圖4)，正洞隧道必要時輔以中管棚，其施工方便快捷、效果較好。

圖4 洞內(nèi)超前小導(dǎo)管

3.2 排樁(板、管)支擋

第三系粉細(xì)砂層在地下水發(fā)育或含水率較高時，長期受水浸泡和施工擾動，中、下臺階圍巖呈軟流塑狀，局部地段呈流砂狀而無法施工。為保證邊墻及中、下臺階的正常開挖，防止支護(hù)背后露空乃至坍塌，先在邊墻部位和中、下臺階正面密排打設(shè)小導(dǎo)管或槽鋼、鋼板等支擋措施對流塑狀砂體進(jìn)行圍護(hù)，再進(jìn)行邊墻和仰拱部位的開挖。盡管洞內(nèi)排樁、排板等施工非常艱難，但擋砂效果良好。

在洞內(nèi)降水成功后，砂巖體已具有一定的自穩(wěn)性，此時排樁(板、管)支擋已不必要。圖5、圖6為桃樹坪隧道洞內(nèi)邊墻及臺階端部橫向擋砂排板，當(dāng)?shù)叵滤嬖跁r，通過類似支擋措施可阻止砂體蠕變流動，穩(wěn)定開挖面。

圖5 邊墻擋砂排板

圖6 洞內(nèi)橫向擋砂排管

3.3 注漿技術(shù)

針對第三系粉細(xì)砂巖遇水后特殊的工程特性，現(xiàn)場進(jìn)行了大量的徑向、帷幕和化學(xué)注漿試驗，主要結(jié)論如下：

1)徑向注漿：考慮到初支背后易形成空洞，初期支護(hù)封閉成環(huán)后，全斷面施做徑向壓漿回填。

2)帷幕注漿：對出現(xiàn)突涌的局域和段落，采用帷幕注漿或掌子面注漿加固。

3)化學(xué)注漿：采用固砂劑、聚亞胺膠脂材料、馬麗散等，但實際效果不佳，且化學(xué)漿液后期經(jīng)分解后會在一定程度上污染地下水土資源。

第三系粉細(xì)砂巖未開挖擾動時，巖體致密無裂隙，漿液很難滲入，故確定采用徑向注漿，以回填初支背后空洞為主的技術(shù)方案。

3.4 洞內(nèi)降水

施工降水主要以疏干基底地下水，提高基底承載力，確?；缀瓦厜φｉ_挖為原則，現(xiàn)場開展洞內(nèi)管井、集水井和超前真空降水等試驗[7]。

現(xiàn)場多采用真空輕型井點降水+洞內(nèi)深井降水+集水坑集排水的方法對隧道進(jìn)行系統(tǒng)的降、排水施工，見圖7、圖8。

圖7 洞內(nèi)降水管路布置

圖8 正洞降水設(shè)計

圖9為桃樹坪隧道2 # 斜井X 0+20中下臺階開挖后的降水曲線，砂巖含水率在0～6 h內(nèi)從10.5%急劇增加至18.9%，并開始流變，臺階失穩(wěn)。通過24 h持續(xù)降水，含水率逐漸下降至10%左右，降水效果較好，可開挖成型。

圖9 降水時含水量-時間曲線

圖10為采用超前降水后中臺階的降水曲線，可見超前真空降水能夠?qū)鷰r含水率控制在5%～9%，低于圍巖塑性變形的含水率，圍巖基本穩(wěn)定，可正常施工。

圖10 超前降水含水量-時間曲線

試驗研究表明，砂巖發(fā)生塑性變形的含水率為12%～16%，3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時間點；發(fā)生流變的含水率為18%～19%，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時間點。當(dāng)砂巖發(fā)生塑性變形或流變時，其穩(wěn)定性大大降低[9]。

正洞采用深井與輕型井點(含超前)相結(jié)合的降水方案，斜井采用輕型井點降水(含超前)的方案，目前在大部分工作面，降水是成功的、必須的。在前期，也進(jìn)行了在隧道底部采用微型盾構(gòu)施做超前降水走廊試驗，但未成功。

3.5 水平旋噴技術(shù)

桃樹坪隧道出口掘進(jìn)183 m后，第三系粉細(xì)砂巖水位抬升至拱腰附近，2010年初左側(cè)邊墻擠出，出現(xiàn)塌方，采用6步CRD工法開挖也無法前進(jìn)，多次反復(fù)。擬采用大型專用設(shè)備進(jìn)行洞內(nèi)水平旋噴試驗。設(shè)備采用意大利進(jìn)口的PST- 60搖臂鉆機(jī)和SM-14鉆機(jī)及其配套高壓旋噴設(shè)備的旋噴加固：

1)洞室周邊大直徑長懸臂水平旋噴樁加固，加固范圍為沿隧道縱向18 m，樁徑800 mm，開挖15 m，預(yù)留3 m作為循環(huán)搭接。

2)掌子面玻璃纖維錨桿旋噴樁加固，梅花形布置。

3)大直徑鎖腳旋噴樁加固，鎖腳旋噴樁長度為8 m，樁徑600 mm，斜向隧道兩側(cè)下方30～45°打設(shè)，樁內(nèi)均埋設(shè)8 m直徑為76 mm的鋼管。

4)降水采用超前真空降水和管井降水相結(jié)合的施工方案。

圖11為洞內(nèi)水平旋噴加固設(shè)計圖，圖12為洞內(nèi)水平旋噴加固后的現(xiàn)場效果圖，經(jīng)過旋噴注漿加固，隧道基本可實現(xiàn)全斷面或上下臺階開挖。桃樹坪隧道出口采用該工法施工，現(xiàn)場效果較好。

圖11 洞內(nèi)水平旋噴設(shè)計

圖12 洞內(nèi)水平旋噴加固效果

4 地表深井降水技術(shù)

胡麻嶺隧道7 # 豎井在建井中，滲(涌)水量為800～900 m3/d，施工擾動后圍巖軟化，呈飽和粉細(xì)砂狀，圍護(hù)樁間的涌水?dāng)y帶大量沙子流出，施工十分困難，安全風(fēng)險大，最后采用地表深井降水技術(shù)。

胡麻嶺隧道地表深井降水分為以下幾個階段：

1)7 # 豎井周邊降水：2010年8月在豎井周邊先后共設(shè)9孔地表降水井，井深50 m，降水效果較好，保證了豎井建井和開口段的正常施工。

2)淺井試驗(埋深﹤100 m)：深74 m，設(shè)計抽水孔1孔，觀測孔4孔。目的為掌握第三系含水砂巖的水文地質(zhì)參數(shù)及降水井的影響范圍，為后續(xù)的地表降水井布置取得較為適合的參數(shù)。降水試驗井實施情況見表2。

表2 試驗井實施情況

依據(jù)試驗結(jié)果，對7 # 豎井工區(qū)及5 # 斜井工區(qū)淺埋段(埋深﹤100 m)，實施地表重力降水輔助施工，取得了成功。

地表降水井與正洞輪廓線外側(cè)邊緣相距4 m，每側(cè)井間縱向距離20 m(第一列降水井距離掌子面15 m)，對稱布置。降水井直徑273 mm，深入洞底高程以下20 m，配置流量8～12 m3/h，揚程﹥150 m的潛水泵。圖13、圖14為隧道地表降水設(shè)計及布置方式，條件允許時，于地表對隧道進(jìn)行降水，實施起來更為方便有利。

圖13 地表降水井布置

圖14 地表降水井

3)深井試驗(埋深100～200 m)：胡麻嶺隧道3 # 斜井埋深較大，斜井水量大，為掌握在地表實施200 m左右深井的成井工藝可行性、單井出水量及水位降至預(yù)設(shè)計的時間，于2012年11月及2013年2月在3#斜井掌子面前方18～55 m之間分兩批布置了4座降水井，井深187～194 m，試驗結(jié)果為塌孔掉鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，不成功。

胡麻嶺隧道5 # 斜井、7 # 豎井溝谷段(埋深﹤100 m)采用地表降水技術(shù)，效果極好，施工順利；3 # 斜井工區(qū)隧道埋深近200 m，地表降水尚未成功，進(jìn)展緩慢，目前仍進(jìn)行深井試驗；其余各工區(qū)施工均較為順利。圖15、圖16列舉胡麻嶺7 # 豎井降水前后井內(nèi)施工情況，圖示可看出，降水后井內(nèi)環(huán)境干燥，圍巖穩(wěn)定性明顯好轉(zhuǎn)，有利于工程的實施。

圖15 胡麻嶺7 # 豎井降水前涌水

圖16 胡麻嶺7 # 豎井降水后開挖面

5 結(jié) 論

經(jīng)過前期大量的施工探索和研究，對各項施工方案、施工工法、輔助施工措施等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，確定采用“重降水、密導(dǎo)管、強(qiáng)支護(hù)、輔注漿、快挖快支快封閉”的設(shè)計原則，并對桃樹坪隧道出口采用大功率設(shè)備進(jìn)行洞內(nèi)水平旋噴施工，做到了相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新。

第三系泥質(zhì)弱膠結(jié)富水粉細(xì)砂巖屬于劣質(zhì)巖，遇水后穩(wěn)定性急劇變差，難以開挖成型，采取系列技術(shù)措施后，雖然能夠較正常施工，但增加投資較多，工序轉(zhuǎn)換較復(fù)雜，施工進(jìn)度緩慢。因此，后續(xù)一些線路在遇到類似地質(zhì)問題時，在設(shè)計上優(yōu)先進(jìn)行選線繞避或抬高線位于地下水位之上是正確、合理的。其余主要措施如下：

1)超前支護(hù)：拱部加密小導(dǎo)管和邊墻插板法預(yù)支護(hù)，必要時設(shè)置大管棚。

2)初期支護(hù)：加大初期支護(hù)剛度，采用I25a鋼架，間距為1榀/0.5 m，設(shè)置混凝土墊塊和縱向槽鋼托梁。

3)二次支護(hù)：拱墻預(yù)留二次支護(hù)空間，根據(jù)變形情況必要時增設(shè)二次支護(hù)。

4)徑向注漿：待初期支護(hù)封閉成環(huán)后，全環(huán)設(shè)置注漿小導(dǎo)管，及時進(jìn)行初期支護(hù)背后壓漿，確保支護(hù)與圍巖密貼。

5)降水：洞內(nèi)采用輕型井點(含超前)和管井降水，對隧道淺埋段(埋深小于100 m)可采用地表深井降水。

6)施工方法：斜井采用臺階法，正洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑及CRD等工法。桃樹坪隧道出口采用洞內(nèi)水平旋噴技術(shù)輔助施工，臺階法開挖。

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Major Technical Measures of the Third Series Argillaceous Weak Cementation Rich Water Silty Sand Rock Tunnelss

Li Guoliang, Wang Fei

(First Survey & Design Institute of China Railway Group Co. Ltd., Xi’an 710043, Shaanxi, China)

In order to solve the serial engineering problems caused by the third series argillaceous weak cementation rich water silty sand in the construction process of Lan-Yu and Ningxia Wangwa railway, the surrounding rock characteristics of the third series argillaceous weak cementation rich water silty sand rock systematically were elaborated, the main auxiliary technical measures and engineering plans were introduced, and the design measures and the key construction technology of this stratum were put forward, in the consideration of the engineering and scientific difficulties in construction of Tao Shuping, Hu Maling, Cheng’er Shan tunnels, et al. The major principle that “major precipitation, concentrated catheters, strong supporting, assistant grouting, fast digging, fast supporting, fast closing” was determined, and the horizontal jet reinforcement in tunnel was adopted when it was necessary. The proposed whole set construction method of such stratum conditions was explored and applied to the engineering practice successfully, which solved the rarely encountered engineering problem in the world.

tunnel engineering; the third series; argillaceous weak cementation; rich water; fine sandstone; surrounding rock features; horizontal jet

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.07

2014-06-17；

2014-09-25

李國良(1966—)，男，甘肅莊浪人，教授級高級工程師，主要從事隧道及地下工程設(shè)計及研究。E-mail：1196328566@qq.com。

U459.1

A

1674-0696(2015)04-039-06