不同涌水量大小流砂地層隧道施工工法及工藝選擇研究

羅培新

摘要：通過對不同涌水量研究，總結(jié)出了一套適用于不同涌水量情況下的加固措施。涌水量在0 - 100 m³/d時，采用超前小導管進行超前加固處理+三臺階七步開挖法;涌水量在100 - 500 m³/d時，采用超前小導管+帷幕注漿+三臺階七步開挖法;涌水量在500 - 800 m³/d時，采用超前小導管+水平旋噴樁加固+豎向旋噴樁+三臺階臨時仰拱法;涌水量為800 -1 200 m³d，采用超前小導管進行超前加固處理+真空負壓降水+CRD法。

關(guān)鍵詞：不同涌水量;流砂地層;超前小導管;三臺階七步開挖法

中圖分類號：U455

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.004

某隧道主要地質(zhì)條件為第三系棕紅色粉細砂巖，細粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度差，開挖后多呈砂狀，在水的作用下，易發(fā)生塑性流變，掌子面時有坍塌。對這種地層加固技術(shù)中國國內(nèi)外已有相當多的研究，但對于流沙地層的研究較少，可參考資料不多，加固技術(shù)主要有超前小導管注漿支護、超前大管棚支護、全斷面帷幕注漿、高壓旋噴樁等[1-3]，還沒有形成統(tǒng)一的規(guī)律，因此針對某隧道關(guān)鍵技術(shù)施工中對不同涌水量階段所采用的施工工法及工藝進行了研究。本研究不僅在學術(shù)上具有重要意義，其研究成果還可以為未來類似工程施工提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備，對于安全施工、縮短施工周期、節(jié)省工程造價等也具有重要的應用價值[4-6]。

1 不同涌水量大小流砂地層工法選擇與應用

流砂隧道施工中發(fā)生塌方的情況較多，特別是全風化砂巖及地下水豐富地段，隨著隧道出水點逐漸抬升，涌水量不斷增加，圍巖條件越來越差，開挖擾動后中下導斷面前方多形成飽和、松散砂層[7-11]，拱頂及兩側(cè)邊墻砂巖隨滲水流出局部形成空洞，并且初支變形嚴重，由此可看出制約本隧道工法選擇的主要原因為涌水量的大小，因此根據(jù)涌水量的大小，選擇了三種施工工法，分別為短三臺階七步開挖法、三臺階臨時仰拱法、CRD（交叉中隔壁）法，下面就三種工法的在施工中的適用范圍進行闡述。

1.1 三臺階七步開挖法

三臺階七步開挖法是在隧道開挖過程中，以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，將隧道斷面分為上、中、下三個臺階七個工作面，以前后七個不同的位置相互錯開同時開挖和支護，形成支護整體閉合成環(huán)，縮小作業(yè)循環(huán)，逐步向縱深推進的作業(yè)方法。根據(jù)現(xiàn)場實際結(jié)果顯示，本施工方法適用于出水量范圍在0 - 500 m³/d之間。

1.2 三臺階臨時仰拱法

隧道施工至DK5+585時全斷面進入富含水全風化砂巖中，出水量逐步增大，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，圍巖收斂量明顯加大，施工過程中出現(xiàn)坍塌、圍巖兩幫突變，并出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，三臺階七步法已不能滿足施工需求。當前主要解決圍巖收斂變形，CRD（交叉中隔壁）法雖能有效控制圍巖的變形和保證隧道的穩(wěn)定，但由于CRD（交叉中隔壁）法支撐和拆除都比較煩瑣，結(jié)合本隧道現(xiàn)場實際情況，經(jīng)過研究討論，最終研究決定采用三臺階臨時仰拱法開挖施工，此工法應用于本隧道涌水量在500 - 800 m³/d時。變換施工工法前后分別取三個斷面進行比較，圍巖收斂數(shù)據(jù)對比和拱頂沉降數(shù)據(jù)對比分別如表1、表2所示。

1.3 CRD（交叉中隔壁）法施工技術(shù)

隨著隧道繼續(xù)開挖，涌水量逐漸增大，最小涌水量為800 m³/d，最大涌水量達到1 200 m³/d，上臺階開挖過程中邊墻、拱頂出現(xiàn)大面積股狀涌水，膠結(jié)松散的砂巖塌落隨著水流涌出，在此種情況下核心土已很難保留，仰拱處出現(xiàn)沙沸現(xiàn)象，加之開挖斷面相對較大，支護困難，施工進度緩慢，另外監(jiān)控兩側(cè)數(shù)據(jù)也顯示圍巖拱頂沉降量明顯增大，存在較大的安全隱患。 為解決現(xiàn)場的施工難題，經(jīng)專家會討論確定當前開挖工法采取CRD（交叉中隔壁）法。變換施工工法前后分別取三個斷面進行比較，圍巖收斂數(shù)據(jù)對比和拱頂沉降數(shù)據(jù)對比分別如表3、表4所示。

2 不同涌水量大小流砂地層工藝選擇與應用

隨著隧道不斷向前推進，涌水量大小發(fā)生明顯的變化，為加強隧道圍巖穩(wěn)定性，針對不同涌水量地段，總結(jié)出了超前小導管、帷幕注漿、水平旋噴樁和豎向旋噴樁加固措施的使用范圍。下面對具體實施情況進行說明。

2.1 超前小導管在流砂地層的應用

由于本隧道屬于流砂地層，因此小導管施工進行超前加固貫穿于隧道施工的全過程，主要是為了限制前方地層松動變形，增強圍巖的力學性質(zhì)，提高圍巖的自穩(wěn)能力。

隨著隧道不斷施工，圍巖地質(zhì)復雜多變，在DK5+520 -DK5+540段內(nèi)涌水量在100 - 500 m³/d之間，單獨采用超前小導管進行加固難以滿足施工需要，出現(xiàn)了局部坍塌的現(xiàn)象，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場情況，涌水量在100 - 500 m³/d時，采用帷幕注漿和超前小導管支護措施同時配合三臺階法進行隧道施工。

根據(jù)注漿擴散半徑計算，孔距為0.4 - 0.8 m，注漿孔深15 m，向外輻射角度10。-25。，注漿孔直徑φ25 cm，漿液擴散半徑：0.4 - 0.6m，漿液凝結(jié)時間：20 s - 30 min，注漿壓力0.5 - 4.0 MPa（塌方體、巖體松散等地段終壓采用低壓力0.3 MPa進行注漿，正常密實段終壓最大取4.0 MPa，挖循環(huán)段長12 m，留止?jié){盤段長3m，掌子面采用C25網(wǎng)噴混凝土或C20混凝土進行全封閉，厚度50 - 100 cm。

在流沙地層施工中，通過帷幕注漿堵水效果較好，在隧道開挖后，圍巖裂隙間漿液填充密實，圍巖整體穩(wěn)定性明顯提高，堵水效果顯著。帷幕注漿掌子面如圖2所示。

2.2 水平旋噴樁在流砂地層的應用

隨著隧道施工的不斷推進，施工至DK5+585時，涌水量達到500 m³/d，隧道內(nèi)明顯出現(xiàn)涌水涌砂的現(xiàn)象，如圖3所示。出水的壓力明顯加大，帷幕注漿由于其注漿壓力小，影響范圍小，加固措施無法止住涌水涌沙，導致掌子面前方出現(xiàn)空洞，邊墻甚至導致大面積塌方，經(jīng)過研究，最終確定采用超前小導管以及水平旋噴樁加固措施，同時采用雙層臨時仰拱施工工法。

水平旋噴預支護是在不良地質(zhì)隧道工作面前方，沿隧道開挖外輪廓線鉆孔，達到預定深度后，邊后退邊高壓旋噴注漿，相鄰的旋噴固結(jié)體相互搭接咬合形成旋噴拱棚，達到堵水效果，如圖4所示。

2.3 豎向旋噴樁在流砂地層的應用

隨著隧道施工不斷推進，涌水量不斷增大，在DK5+585 - DK5+675段涌水量大于500 - 800 m³/d，仰拱施工出現(xiàn)沙沸，大股從底部及側(cè)面突涌，對此經(jīng)研究決定邊墻采用豎向旋噴樁加固，隧頂采用超前小導管支護，掌子面采取真空負壓降水措施，同時采用雙層臨時仰拱的開挖方法。

單管法旋噴是一種漿液灌注攪拌噴射的方法，即用噴嘴將水泥漿低壓力噴射注入到被切割、攪拌的地基中，使水泥漿與土混合達到加固目的，其加固直徑達500 - 600 mm。

現(xiàn)場旋噴試驗完成后，開挖施作段未產(chǎn)生涌水涌砂現(xiàn)象，加固固結(jié)效果良好，有效加快邊墻困難段施工進度，月成洞進尺在25-30m，豎向旋噴樁效果如圖5所示。

3 結(jié)論

通過對開挖工法的研究得出，相同地質(zhì)條件、不同涌水量下使用不同的開挖工法可以有效控制圍巖變形，本隧道涌水量為0 - 500 m³/d，適用三臺階七步開挖法;涌水量為500 - 800 m³/d，適用三臺階臨時仰拱法;涌水量為800 -1 200 m³/d，適用CRD法。

通過對不同涌水量的研究，總結(jié)出了一套適用于不同涌水量大小情況下的加固措施。涌水量在0 - 100 m³/d時，采用超前小導管進行超前加固處理;涌水量在100 - 500 m³/d時，采用超前小導管及帷幕注漿方法效果良好;涌水量在500 - 800 m³/d時，掌子面采用超前小導管及水平旋噴樁加固方法，邊墻采用豎向旋噴樁加固效果明顯;超過此涌水量時，采取強堵措施便顯得捉襟見肘。

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