流砂地層隧道施工技術(shù)研究

劉 棟 王振華 羅鴻昌 藺忠平 劉倫林

(中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 511400)

城市作為一個(gè)在人類文明不斷發(fā)展后孕育的具有為人類活動(dòng)提供空間的產(chǎn)物，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化速度的加快，越來(lái)越多的人口涌向人均空間資源稀缺的城市，加劇了人與其他設(shè)施進(jìn)行空間資源爭(zhēng)奪的矛盾，惡化了城市人口生活環(huán)境。為了改善城市的空間容納率，提高城市人口生活質(zhì)量，我們將城市的地下空間作為城市空間優(yōu)化的主要立足點(diǎn)。在最新的生態(tài)城市構(gòu)建要求中，充分發(fā)揮城市現(xiàn)有土地量利用率，努力做好城市地下復(fù)雜水文地質(zhì)勘測(cè)勘察，不斷提升城市地下資源在城市發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)，預(yù)防和治理城市地下復(fù)雜水文地質(zhì)在城市地下空間拓展中的不良影響。

城市復(fù)雜水文地質(zhì)是阻礙我們擴(kuò)展城市地下空間的主要因素，在不良地質(zhì)環(huán)境下施工時(shí)對(duì)施工技術(shù)要求尤為嚴(yán)苛。流砂地層是顆粒均勻的富水非粘性土發(fā)生流砂現(xiàn)象的土層，當(dāng)發(fā)生流砂現(xiàn)象時(shí)土體完全喪失承載能力，進(jìn)而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，惡化施工條件，危及毗鄰建筑物。梁云生[1]在研究北京地鐵5號(hào)線崇文門站一東單站富水地段中，得出在進(jìn)行隧道圍巖加固施工時(shí)，位于隧道兩側(cè)的豎向旋噴樁可以對(duì)水流起到很好的阻斷效果，改善了隧道內(nèi)部的施工環(huán)境。李德章[2]在研究合肥市府廣場(chǎng)飽和淤泥質(zhì)地層地下通道施工中，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)管棚和注漿小導(dǎo)管相結(jié)合的超前支護(hù)方法能夠有效的控制地表沉陷量和隧道內(nèi)地下水的突涌現(xiàn)象。

本文針對(duì)莞惠城際GZH-7常平站段內(nèi)流砂地層，探討在飽和非粘性土且不斷有地下水補(bǔ)給的巖層內(nèi)進(jìn)行隧道施工，保證施工安全和施工質(zhì)量的主要施工技術(shù)手段。且該段位于市區(qū)內(nèi)，地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)沉降參數(shù)要求非常嚴(yán)格，施工中出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象將會(huì)造成水土流失，不利于沉降的控制?！爸瘟魃氨叵戎嗡钡脑瓌t要求我們?cè)诟凰柡蜕皩又羞M(jìn)行隧道開挖時(shí)，治水首當(dāng)其行。目前治水采用的措施主要有井點(diǎn)降水、止水帷幕及凍結(jié)等方法，這些方法對(duì)于不同施工條件各有優(yōu)勢(shì)，在使用時(shí)應(yīng)充分考慮其適用性。

1 工程概況

莞惠城際GZH-7標(biāo)8號(hào)施工豎井—常平站段位于廣東省東莞市常平鎮(zhèn)，起止里程GDZK44+050.000～GDZK44+577.000，長(zhǎng)527.000 m。線路在常平大道下敷設(shè)，線間距18.56 m，為雙洞單線隧道，隧道拱頂埋深約16.1 m～21.0 m，采用設(shè)計(jì)時(shí)速200 km復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)斷面。8號(hào)豎井左線大里程設(shè)計(jì)為Ⅵ級(jí)圍巖，坍塌區(qū)域位于全風(fēng)化混合片麻巖層，拱頂埋深20 m，拱頂以上分別為4.5 m厚全風(fēng)化混合片麻巖、1.0 m厚粉質(zhì)粘土、1.3 m厚砂層、7.0 m厚淤泥質(zhì)粘性土、3.0 m厚粉質(zhì)粘性土，地表下3.2 m厚素填土[3]。

本項(xiàng)目施工隧道下穿雙線六車道常平大道，為保證施工安全采用封閉道路施工；隧道周邊建筑物主要為聯(lián)邦花園小區(qū)、星匯中心、POP、兒童攝影樓及板石村居民房；隧道周邊管線眾多，右線外側(cè)的重大管線主要為φ1 000混凝土排水管、φ1 000供水鋼管，左線外側(cè)的重大管線主要為φ2 000混凝土排水管、φ1 000供水鋼管、φ200PE燃?xì)夤堋?/p>

在常平段內(nèi)有W3強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖、W4全風(fēng)化混合片麻巖兩種巖層。在全風(fēng)化片麻巖巖層中夾雜著飽水的疏松粉、細(xì)砂土，這種巖層地質(zhì)在遇水后極易發(fā)生軟化完全喪失自穩(wěn)能力。施工單位在對(duì)這種巖層進(jìn)行旋噴加固施工時(shí)沒(méi)有對(duì)該巖層的屬性有充分的認(rèn)識(shí)，在施工工藝上沒(méi)針對(duì)這些屬性做出相應(yīng)的調(diào)整，而導(dǎo)致在該類地層內(nèi)旋噴施工時(shí)，高壓旋噴漿擊穿該類巖層與飽水砂層貫通，發(fā)生突涌。項(xiàng)目開工至今在兩種巖層交界處已發(fā)生多次涌水涌砂。

2 流砂地層隧道施工技術(shù)

2.1 帷幕注漿+CD工法開挖

沿隧道左右兩側(cè)開挖輪廓線外各設(shè)一道止水帷幕，左右線隧道間設(shè)置一道縱向止水帷幕；垂直線路方向每30 m設(shè)置一道橫向止水帷幕，形成矩形網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)設(shè)置3口降水井，開挖過(guò)程中對(duì)隧道進(jìn)行降水。止水帷幕采用厚度為600 mm混凝土墻，止水帷幕深度均需入弱風(fēng)化巖層1 m。

隧道采用CD工法開挖，設(shè)置超前全斷面雙液漿注漿，初期支護(hù)采用超前小導(dǎo)管、型鋼鋼架、縱向連接筋、鎖腳錨管、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土，如圖1所示。隧道穿越砂層全、半斷面注漿，注漿過(guò)程中，漿液被動(dòng)水稀釋、流走，不能有效加固地層，如圖2,圖3所示。

水平旋噴樁是在高壓作用下借助高壓鉆機(jī)將水泥漿通過(guò)噴嘴注入土體內(nèi)，并且在噴嘴旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中水泥漿與土體顆粒充分?jǐn)嚢杌旌希_(dá)到初凝時(shí)間后，混合物便成為一種具有承載力的固態(tài)物質(zhì)，并且能形成帷幕效果達(dá)到隔絕水流的作用。通過(guò)旋噴注漿形成的隧道外圍可以相當(dāng)于一個(gè)隔水膜罩，為隧道開挖施工提供了安全可靠的環(huán)境。

水平旋噴樁成樁效果好，滲透系數(shù)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，但在高壓旋噴施工時(shí)，擾動(dòng)全風(fēng)化混合片麻巖地層，擊穿止?jié){墻，涌水涌砂塌陷至地表。

2.2 地表止水帷幕(素混凝土)+帷幕內(nèi)井點(diǎn)降水+水平旋噴樁+臺(tái)階法開挖

帷幕內(nèi)井點(diǎn)降水流程依次為井點(diǎn)測(cè)量定位→挖井口→安護(hù)筒鉆機(jī)就位一鉆孔→回填井底砂墊層→吊放井管→回填井管與孔壁間的礫石過(guò)濾層→洗井→井管內(nèi)下設(shè)水泵、安裝抽水控制電路→試抽水降水井正常工作→降水完畢拔井管→封井[4]，如圖4，圖5所示。

隨著井點(diǎn)降水引起的地下水位的下降，土體失去浮力，在重力的作用下發(fā)生固結(jié)沉降，且隨著水在土地內(nèi)的流動(dòng)帶動(dòng)細(xì)顆粒土體運(yùn)動(dòng)發(fā)生土體的流失。在降水的過(guò)程中通過(guò)控制降水深度和降水速度等，可以使地表沉降得到有效的控制。同時(shí)在止水帷幕的作用下，止水帷幕外側(cè)的地表沉降被控制在最小范圍內(nèi)，減少了對(duì)城市地下復(fù)雜管網(wǎng)的影響。實(shí)際沉降量遠(yuǎn)小于沉降控制量限值。

由于采用網(wǎng)格內(nèi)降水后，帷幕內(nèi)外側(cè)存在水位差較大的現(xiàn)象，當(dāng)進(jìn)行臺(tái)階法開挖地連墻側(cè)下臺(tái)階時(shí)，墻外側(cè)水土體在水位差壓力作用下?lián)舸┧鼗炷恋剡B墻，涌入洞內(nèi)，導(dǎo)致隧道內(nèi)積水，不利于施工，同時(shí)對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利因素。

2.3 地表止水帷幕(鋼筋混凝土)+帷幕內(nèi)井點(diǎn)降水+地表旋噴樁及袖閥管注漿+CRD法開挖(成功貫通)

由于采用素混凝土施工的地表止水帷幕無(wú)法承受由于井點(diǎn)降水產(chǎn)生的墻內(nèi)外水位差壓力而易發(fā)生水土擊穿墻體的現(xiàn)象，故對(duì)地表止水帷幕的材料進(jìn)行重新選擇優(yōu)化。在多種對(duì)比后采用鋼筋混凝土施工地表止水帷幕可以大大提高止水帷幕的強(qiáng)度，同時(shí)提高了圍巖的穩(wěn)定性，避免了水位差引起的水土擊穿幕墻現(xiàn)象。

在改進(jìn)土體力學(xué)性能的方法中，注漿技術(shù)通過(guò)將水硬性無(wú)機(jī)膠凝材料與土體攪拌形成三合土，在水泥發(fā)生水化反應(yīng)硬化后，能將砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起，從而改變其力學(xué)性能。但在采用土體注漿改善土體力學(xué)性能的時(shí)候，往往是通過(guò)土體的滲透、壓密、劈裂等方式與土體相互作用達(dá)到[5]，使松散的土體的自穩(wěn)能力及承載力都得到相應(yīng)的提高。本隧道施工采用袖管注漿的方法：可以根據(jù)實(shí)際施工情況選擇需要灌注的注漿段；對(duì)需要著重加強(qiáng)的部位可以進(jìn)行重復(fù)注漿；鉆孔作業(yè)和注漿作業(yè)可以分開提高施工效率；注漿段長(zhǎng)度和壓力也可以非常便捷的進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用袖管注漿在對(duì)土體填充、壓密、滲透和劈裂的復(fù)合效應(yīng)使隧道圍巖的力學(xué)性能得到很好的改善。

3 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)比不同的施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)的施工效果得到了適合在流砂地層隧道施工的施工技術(shù)。2)通過(guò)采用地表止水帷幕(鋼筋混凝土)+帷幕內(nèi)井點(diǎn)降水+地表旋噴樁及袖閥管注漿+CRD法開挖的工藝方法順利完成復(fù)雜地層隧道的開挖，提高了工程的經(jīng)濟(jì)效益，減少了施工中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。3)在采用袖管注漿時(shí)由于袖閥管外套管不能被拔出后重復(fù)使用，增加了注漿工藝的費(fèi)用，有待在以后的施工研究中改善。

[1] 梁云生.城市地鐵旋噴樁施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2007(3):84-87.

[2] 李德章.復(fù)雜環(huán)境下超淺埋地下通道施工技術(shù)研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,17(2):1-3,13.

[3] 郭振方.城際鐵路隧道下穿飽和動(dòng)態(tài)富水砂層施工技術(shù)探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2016(9)：67-68.

[4] 林高如.管井降水在孔隙潛水中的施工應(yīng)用[J].山西建筑,2013,39(22):53-54.

[5] 陳小峰.100 MPa高強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的試驗(yàn)研究[D.西安：西北工業(yè)大學(xué),2003.