嚴(yán)寒地區(qū)山嶺隧道涌水流砂地層施工技術(shù)探討

楊 雪 峰

(中國建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100070)

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嚴(yán)寒地區(qū)山嶺隧道涌水流砂地層施工技術(shù)探討

楊 雪 峰

(中國建筑土木建設(shè)有限公司,北京 100070)

針對高松樹隧道涌水流砂地層施工的重難點(diǎn)，提出了以堵為主與以排為主兩種施工方案，通過分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，選取了以排為主的施工方案，并闡述了具體的施工措施，確保了施工質(zhì)量與安全。

隧道，涌水流砂地層，超前支護(hù)，掌子面

0 引言

隨著隧道工程施工技術(shù)水平的不斷提高,具有各種特點(diǎn)的長大隧道、復(fù)雜地質(zhì)隧道、大斷面的隧道比重日趨增大。涌水流砂地層的特殊地質(zhì)特性，增加了隧道施工坍塌的風(fēng)險及施工難度，直接危及施工作業(yè)人員的生命安全,造成設(shè)備損壞、工期延誤、增加額外工程費(fèi)用等嚴(yán)重?fù)p失。

1 工程概況

高松樹隧道位于敦化盆地西側(cè)丘陵區(qū)明川屯村附近，隧道起訖里程為DK142+920～DK144+880，中心里程為：DK143+900，全長1 960 m，最大埋深約65 m。

出口DK144+274～DK144+084埋深約30 m，巖性為全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖，富水嚴(yán)重，由原設(shè)計(jì)Ⅳ或Ⅲ級圍巖變更為Ⅵ級圍巖。

2 現(xiàn)場施工情況

施工開挖揭示DK144+274圍巖為全風(fēng)化砂礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，富水嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，自穩(wěn)能力差，擾動后呈流砂狀，極易造成坍塌，經(jīng)過第三方物探及TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測：DK144+170～DK144+274巖性為上第三系中新統(tǒng)土門子組砂礫巖，全風(fēng)化，巖體破碎，富水嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，屬于典型的涌水流砂地層。

3 工程重難點(diǎn)分析

1)地質(zhì)問題：經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及現(xiàn)場的地質(zhì)確認(rèn)，DK144+274～DK144+010段圍巖地質(zhì)均為富水強(qiáng)～全風(fēng)化砂巖，圍巖級別由Ⅳ或Ⅲ級變更為Ⅵ級，增加了施工難度和施工風(fēng)險，掌子面施工采取何種支護(hù)措施及施工方法方能度過如此長段落的涌水流砂地層，是涌水流砂地層施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2)沉降問題：如何控制軟弱圍巖隧道施工中沉降，是涌水流沙地層隧道施工的難點(diǎn)。

3)氣候問題：由于東北特殊的嚴(yán)寒氣候，10月15日進(jìn)入冬期施工，無疑給涌水流砂地層隧道施工帶來了更多更大的難度，特別是鋼架加工及噴射混凝土施工質(zhì)量。

4)施工安全問題：由于涌水流砂地段地表為農(nóng)田作業(yè)區(qū)和林區(qū)，農(nóng)田作業(yè)人員和動物放牧較多，安全隱患大，如何控制沉降，確保隧道暗洞施工，是方案制定的重點(diǎn)。

4 施工方案

圍繞以堵為主和以排為主的兩種治水出發(fā)點(diǎn)，以下為涌水流砂地層施工擬采取的兩種方案。

4.1 以堵為主施工方案

采用堵水為主的施工方案流程：施工準(zhǔn)備→超前預(yù)注漿→超前管棚→開挖支護(hù)→監(jiān)控量測→圍巖穩(wěn)定性判定→仰拱及仰拱填充施作→防排水施作→復(fù)合襯砌施作。

1)開挖前進(jìn)行上半斷面超前預(yù)注漿加固處理，每一循環(huán)注漿長度為30 m，開挖25 m，并保留5 m止?jié){巖盤，漿液擴(kuò)散半徑2 m，孔底間距3 m，加固圈厚度5 m，注漿采取前進(jìn)式注漿，注漿結(jié)束后，單孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，當(dāng)注漿完畢未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注漿。

2)考慮到超前預(yù)注漿施工難度大，外插角及注漿效果難于控制的客觀現(xiàn)象存在，本著安全第一的施工原則，拱部增設(shè)管棚進(jìn)行超前支護(hù)，每環(huán)長度10 m，搭接3 m，管棚采用φ108，壁厚6 mm鋼管，同時通過φ108超前管棚的設(shè)置，檢驗(yàn)上半斷面超前預(yù)注漿的防水加固效果同時起到支護(hù)措施補(bǔ)強(qiáng)的效果。

3)超前預(yù)注漿和超前管棚施作完成后，采用臨時仰拱法進(jìn)行開挖支護(hù)，通過臨時仰拱的施作，橫向支撐起到制約兩側(cè)收斂，確保開挖支護(hù)的順利進(jìn)行。

4.2 以排為主施工方案

采用以排為主的施工順序：施工準(zhǔn)備→超前引水管→超前管棚→超前小導(dǎo)管→開挖支護(hù)→監(jiān)控量測→圍巖穩(wěn)定性判定→仰拱及仰拱填充施作→防排水施作→復(fù)合襯砌施作。

1)開挖前通過排水管的設(shè)置，對富水圍巖提前進(jìn)行排水泄壓，降低流砂地層的流塑性，增強(qiáng)了圍巖自身穩(wěn)定性，符合新奧法的精髓。

2)超前管棚的設(shè)置起到承載拱的效應(yīng)，同時在引水管與開挖斷面間形成一道隔離帶，在保證剛度支護(hù)的前提下，有效的提高了隔水效果，為開挖支護(hù)施工提供了安全保證。

3)超前引水管及超前管棚施作完成后，加設(shè)超前小導(dǎo)管相結(jié)合的聯(lián)合支護(hù)措施，超前小導(dǎo)管的設(shè)置，起到對超前管棚支護(hù)措施的補(bǔ)強(qiáng)作用。

4)開挖工法采用三臺階七步開挖法，采用小斷面多臺階開挖，沉降小，防水效果好，工期短，無臨時支護(hù)，造價低。

4.3 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析和確定

1)以堵為主的方案優(yōu)缺點(diǎn)分析。a.優(yōu)點(diǎn)：洞內(nèi)通過超前預(yù)注漿及φ108管棚可以在拱部一定范圍內(nèi)形成具備一定剛度的承載拱，提高拱頂附近圍巖的抗剪強(qiáng)度，此法可以作為堵水和防止拱頂崩落的對策。b.缺點(diǎn):由于洞內(nèi)注漿由低向高壓漿，超前預(yù)注漿屬于完全被動式注漿，注漿范圍有限，而且超前預(yù)注漿的每一循環(huán)注漿長度為30 m，外插角及注漿效果難以控制，特別是針對第三系全風(fēng)化砂巖，密實(shí)度大，注漿難度大；洞內(nèi)作業(yè)空間有限，施工作業(yè)難度大；鉆孔及注漿處理時間長，超前預(yù)注漿一循環(huán)的施工需10 d左右，其中鉆孔需7 d左右，注漿須3 d左右，對鋪渣節(jié)點(diǎn)工期有較大影響；由于注漿效果難以控制，掌子面開挖后全風(fēng)化砂巖夾帶泥巖遇水軟化呈流塑性，變形加劇，三臺階臨時仰拱難以落在穩(wěn)固的基底上，橫向鋼支撐擾動較大，大大制約了橫向收斂的作用。

2)以排為主的方案優(yōu)缺點(diǎn)分析。a.優(yōu)點(diǎn)：拱部預(yù)留超前引水管，對富水圍巖進(jìn)行排水泄壓，降低流砂地層的流塑性，增強(qiáng)了圍巖自身穩(wěn)定性，降低了開挖過程中發(fā)生流砂溜塌的風(fēng)險；超前管棚剛度大，超前小導(dǎo)管操作簡便靈活，易于調(diào)整，超前支護(hù)采用φ89超前大管棚及φ42超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)方式，管棚長度為10 m一環(huán)，外插角為5°～10°；鑒于掌子面為強(qiáng)～全風(fēng)化砂巖，且為富水地層，工程地質(zhì)差，大斷面開挖易造成坍塌風(fēng)險，三臺階七步開挖法開挖斷面小，易于封閉成環(huán)。b.以排為主的施工方案缺點(diǎn)：柔性較大，施工對引水要求高，能否將富水圍巖中的集水排出，是整個施工方案的關(guān)鍵。

3)最終方案確定。通過對工程重難點(diǎn)分析及方案的優(yōu)缺點(diǎn)的分析，采用以排為主的施工方案。

4.4 主要施工技術(shù)及措施

1)超前引水管設(shè)置。沿拱部140°設(shè)超前排水管，排水孔位置根據(jù)出水點(diǎn)水量和水壓布置，孔深15 m，外插角12°，環(huán)向間距為2 m，排水管采用φ89 mm壁厚5 mm的熱軋無縫鋼花管，鋼管上設(shè)8 mm～10 mm透水孔，孔間距5 cm，梅花形布置,為防止流砂堵塞，開孔完畢后在鋼管外側(cè)套一層土工布作為防砂透水膜。與超前管棚施作時同步，遇到局部塌孔阻力時采用鉆機(jī)頂入，安裝到位后封閉管口土體和鋼管空隙，掌子面及松散體的自由水通過透水膜滲入管內(nèi)排出。

2)超前支護(hù)?？紤]到超前預(yù)注漿施工難度大，外插角及注漿效果難以控制的客觀現(xiàn)象存在，同時考慮到超前管棚剛度大，超前小導(dǎo)管操作簡便靈活，易于調(diào)整，最終決定DK144+274～DK144+084掌子面開挖，超前支護(hù)采用φ89超前大管棚及φ42超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)方式，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

a.洞身超前管棚設(shè)計(jì)參數(shù)。管棚長度為10 m，環(huán)向間距為0.4 m，縱向搭接長度為3 m，每環(huán)共47根；鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管及鋼花管，外徑89 mm，壁厚5 mm；編號為單數(shù)號者采用鋼花管，施工前先打設(shè)鋼花管并注漿，然后打設(shè)鋼管，以便檢查鋼花管的注漿質(zhì)量；傾角：外插角不大于12°，具體可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整；鋼管施工誤差：徑向不大于20 cm，相鄰鋼管之間環(huán)向不大于10 cm。b.超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)。超前小導(dǎo)管長度為3 m，環(huán)向間距為0.4 m，縱向間距為1 m，每環(huán)共44根；材料：鋼管采用外徑42 mm、厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管前端做成尖錐狀，尾部焊上箍筋；外插角：5°～15°。由于DK144+274處掌子面為坍塌松散體，流塑性大，坍塌體如不進(jìn)行加固處理，開挖時易再次造成滑塌，考慮到施工作業(yè)安全，遂對掌子面上導(dǎo)進(jìn)行注漿加固處理。

設(shè)計(jì)參數(shù)：中隔墻部位采用φ89鋼花管，長度為10 m，豎向間距為0.4 m，共6根；掌子面其余部位采用φ42鋼花管，長度為6 m，間距為2 m×2 m，梅花形布置。

3)掌子面加固。由于掌子面圍巖流塑性大，不進(jìn)行加固處理，開挖時易造成滑塌，考慮到施工作業(yè)安全，遂對掌子面核心土部位進(jìn)行注漿加固處理。施工設(shè)計(jì)參數(shù)：

a.中隔墻部位采用φ89鋼花管，長度為10 m，豎向間距為0.4 m，共6根；b.掌子面其余部位采用φ42鋼花管，長度為6 m，間距為2 m×2 m，梅花形布置；c.注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿，漿液配合比為：水泥∶水玻璃∶水=1∶0.67∶1.22，注漿壓力為0.5 MPa～1.5 MPa，施工中根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整完善。

4)施工工法。鑒于掌子面為強(qiáng)～全風(fēng)化砂巖，且為富水地層，工程地質(zhì)差，大斷面開挖易造成坍塌風(fēng)險，施工工法由三臺階臨時仰拱法優(yōu)化為三臺階七步開挖法。

5)監(jiān)控量測及預(yù)留變形量設(shè)置。施工中，考慮到此軟弱圍巖地帶沉降量較大，根據(jù)相鄰隧道施工情況，Ⅴ級預(yù)留變形量定為10 cm～15 cm，Ⅵ級預(yù)留變形量定為15 cm～25 cm，以免造成二次襯砌厚度不足。施工中根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件和量測數(shù)據(jù)結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整預(yù)留變形量，確保襯砌結(jié)構(gòu)厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

1)實(shí)施效果。通過對涌水流砂地段的引排水處理和一系列的超前加固處理，高松樹隧道涌水流砂帶施工得到了有效的控制，效果良好，通過超前引水管的提前排水處理，提高了砂巖的自穩(wěn)性，洞身超前管棚和超前小導(dǎo)管向流砂層注漿施工，提高了砂巖的粘聚力和巖層的內(nèi)摩擦角，增強(qiáng)了隧道圍巖的穩(wěn)定性，提高了掌子面施工安全系數(shù)。

2)施工體會。a.針對高松樹隧道強(qiáng)～全風(fēng)化砂巖遇水呈流塑狀的特征，易坍塌，通過設(shè)超前引水管，形成以排為主、防排結(jié)合、多道防線、剛?cè)嵯酀?jì)的處理方法，極大的降低了涌水流砂現(xiàn)象的發(fā)生，效果顯著。b.地表裂隙水對淺埋段軟弱圍巖容易產(chǎn)生侵蝕、軟化作用，因此，在雨季施工時，做好地表水的防排水工作十分重要。c.對涌水流砂地層段隧道施工時，預(yù)留超前引水管進(jìn)行引排水是增強(qiáng)圍巖自身穩(wěn)定性的關(guān)鍵，φ89超前管棚及φ42超前小導(dǎo)管支護(hù)措施是隧道安全施工和變形控制的重點(diǎn)，掌子面松散體預(yù)加固處理和三臺階七步開挖法是隧道正常施工的保證。d.對于軟弱圍巖，其超前支護(hù)措施尤其重要。在支護(hù)鉆孔或開挖過程中發(fā)現(xiàn)滲水或涌水情況時，必須暫停施工，查明原因并進(jìn)行引排水處理后方可進(jìn)行施工，切勿盲目施工。

[1] 關(guān)寶樹，趙 勇.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 丁文其，楊林德.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 中華人民共和國鐵道部．高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

[4] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路隧道工程施工驗(yàn)收規(guī)范[S].

On construction techniques of water and quicksand stratum of tunnels in severe cold areas

Yang Xuefeng

(ChinaArchitecturalCivilConstructionCo.,Ltd,Beijing100070,China)

According to the important and difficult points in the water and quicksand stratum of Gaosongshu Tunnel, the paper points out the block-oriented and drainage-oriented construction schemes, selects the former one by comparing their advantages and disadvantages, and illustrates the construction measures, so as to ensure the construction quality and safety.

tunnel, water and quicksand stratum, advanced support, tunnel face

1009-6825(2016)18-0148-02

2016-04-13

楊雪峰(1977- )，男，工程師

U453.61

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