第三系富水粉细砂VI级围岩隧道浅埋下穿水库施工技术

GXF360 2017-05-28

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第三系富水粉细砂VI级围岩隧道浅埋下穿水库施工技术

孙成刚

(中铁十九局集团有限公司兰渝铁路工程项目部，甘肃定西743001)

摘　要：兰渝铁路胡麻岭隧道5#斜井正洞段落遇到第三系富水粉细砂地层浅埋下穿水库施工，因而隧道塌方、变形、突水涌泥风险高。施工中采用地表旋喷桩固结隧道洞身围岩，辅以综合降水、双液浆局部加固、CRD交叉中隔壁法开挖等措施，并配以严密的内外监测技术，安全顺利通过此段落。

关键词：第三系富水粉细砂；隧道；浅埋；下穿水库；地表旋喷；综合降水；CRD工法

收稿日期：2014-12-18

作者简介：孙成刚(1981—)，男，工程师，主要从事隧道及地下工程施工管理工作　zt19jazb@163.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.02.014

中图分类号：U459.5

　文献标识码：B

　文章编号：1672-3953(2015)02-0050-04

Abstract:　The　construction　of　the　section　of　the　right　cavity　of　the　fifth　shaft　of　the　Humaling　Tunnel　of　the　Lanzhou-Chongqing　Railway　involves　the　shallow-depth　tunnel　passing　under　a　reserve　through　the　Tertiary　watery　fine-sand　stratum,in　which　case　there　is　a　high　risk　of　collapse,deformation,water　inflow　and　mud　gush.In　the　course　of　the　construction　of　such　a　section,the　rotary-jetting　pile　is　used　to　solidify　the　surrounding　rock　of　the　tunnel,with　the　techniques　of　the　comprehensive　precipitation,double-liquid　local　consolidation,and　the　CRD　intercrossing-and-inter-blocking-wall　excavation　adopted　for　the　construction　and　the　internal　and　external　monitoring　techniques　applied　to　helping　the　construction.

第三系富水粉细砂VI级围岩呈流塑状，围岩易从掌子面或初期支护背后流出，施工过程边挖边流，造成开挖及支护无法施工，同时围岩流出形成初支背后空洞，易引起初期支护变形、掌子面塌方，若遇到高压富水区段则时常形成突水涌泥，因而施工难度大，安全风险高。在浅埋下穿水库段落，受库水补给及地表裂隙作用，突水风险加剧，必须彻底解决库水影响方可施工。方案比选上，可选择明挖法，但是必须要彻底排干库水，同时水库底软流塑状围岩明挖过程易坍塌，因而明挖法实施难度较高，也不符合环境保护要求。在浅埋暗挖隧道施工技术中，许多专家学者已做过研究，解方亮 [1]探讨了软流塑状VI级围岩隧道施工技术，提出了地表治理的综合措施；周书明等 [2]探讨了软流塑淤泥地质浅埋暗挖施工技术；贾小辉 [3]探讨了注浆工艺在浅埋暗挖工程中的应用；张国亮、韩占波 [4]介绍了双层小导管在浅埋暗挖隧道施工中的应用；张云 [5]结合北京地铁5号线崇文门车站，介绍了中洞法、CRD中隔壁法等浅埋暗挖施工方案。通过综合比选，胡麻岭隧道第三系富水粉细砂浅埋下穿水库段落，采用地表旋喷桩固结隧道洞身围岩，辅以综合降水、双液浆局部加固、CRD双侧壁导坑法开挖等措施，并配以严密的内外监测技术，安全顺利通过此段落。

1　工程概况

胡麻岭特长隧道是兰渝铁路的关键控制性工程，位于甘肃省定西市境内，全长13　611　m，为双线大断面隧道，施工揭示判定正洞3　250　m(DK76+350～DK79+600)为第三系富水粉细砂地层，VI级围岩，其中140　m(DK76+630～DK76+770)下穿水库，水库宽80　m，长年蓄水，水库底距隧道拱顶最大埋深约59　m，最小埋深约34　m，地势平缓。

1.1　工程地质特性

第三系富水粉细砂地层为浅红色，粉细粒结构，成岩性差，泥质弱胶结，局部形成钙质半胶结或胶结的透镜体，岩质软，无地下水时，围岩整体稳定性较好，其物理力学指标见表1。当地下水发育时，此类砂岩经开挖扰动、受水长时间浸润或浸泡后，围岩软化现象明显，在地下水富集地段，掌子面还出现涌水、涌砂现象，隧道掌子面前施工扰动后基底多呈粉细砂状，基底软化，拱部及边墙变形、收敛很严重。

表1　第三系富水粉细砂地质物理力学指标统计表

隧道名称颗分定名含水率/%比重Gs孔隙比e压缩系数a1-2/MPa-1黏粒含量/%渗透系数Kt/(cm·s-1)胡麻岭粉细砂岩4.3~19.52.600.36~0.480.078~222.0×10-4~5.2×10-5

1.2　水文地质特性

隧道通过区地表水较发育，主要为石门水库上游水塘长年积水和乃长沟长年流水。受大气降水补给，地下水主要为下部第三系基岩裂隙水，水量不大，主要受大气降水及地表水补给。该段隧道洞身设计预测正常涌水量为1　429　m 3/d，最大涌水量为4　287　m 3/d。根据环境水对混凝土侵蚀判定标准属硫酸盐侵蚀及氯盐侵蚀，环境作用等级H2、L1。

2　第三系富水粉细砂VI级围岩隧道浅埋下穿水库施工技术

2.1　下穿水库段落采用地表旋喷桩固结围岩

通过工艺试验，因第三系富水粉细砂地层孔隙比较低，采用地表注浆工艺效果因浆液较难扩散，因而固结效果较差，采用地表旋喷桩固结技术，通过桩与桩之间的相互咬合，对围岩固结效果较好，施工过程如下：在下穿水库段隧道中线两侧15　m外施作两道截水围堰，围堰完成后将堰内水排干和清除河底的淤泥，并施作排浆沟。采用高压旋喷对围岩进行固结，旋喷桩桩径60　cm、桩间距50　cm(桩体咬合10　cm)，旋喷加固范围横向为隧道中线两侧各9.51　m、共计19.02　m，纵向加固范围为水库宽度80　m。旋喷浆液采用普通硅酸盐水泥配置，水灰比1∶2。

2.2　开挖及支护工艺选择

洞内施工采用六部CRD工法(图1)。开挖前使用超前探孔判定前方围岩固结效果及水量大小，若固结效果不好，必须采用辅助措施。在地表旋喷桩成桩良好、围岩固结效果较好的前提下可进行开挖作业。为确保高风险段落施工安全，施工采用单工序作业，未进行作业的掌子面采用喷C25混凝土封闭掌子面围岩，厚10　cm。开挖预留变形量为35　cm，全环喷C30砼厚33　cm；采用?8　mm钢筋的双层钢筋网，网孔间距20　cm×20　cm；全环布设I25a型钢，间距1榀/0.5　m，每部拱脚处打设4根?32　mm自进式锁脚锚杆，长度5　m；钢架纵向连接筋?22　mm螺纹钢筋，“Z”字型连接，环向间距1.0　m。CRD工法临时支护的底部及侧壁采用I20a型钢钢架，间距1榀/0.5　m，钢架间采用?22　mm钢筋“Z”字形连接，环向间距1　m；并挂设?8　mm钢筋网，网格尺寸为20　cm×20　cm，临时支护喷射C25混凝土20　cm。二衬采用C40钢筋混凝土，厚度60　cm，二衬钢筋?22　mm@125　mm，纵筋?14　mm@200　mm，箍筋?8　mm@200　mm。

2.3　辅助措施选择

第三系富水粉细砂地层黏粒含量在8%～22%之间，分布不均匀；渗透系数在2.0×10 -4～5.2×10 -5　cm/s之间，指标上下限界差值较大；另外水库下方地层中存在因水流作用及地震连发带影响产生的裂隙。以上因素直接导致所采取的注浆措施的浆液扩散程度不一，采用旋喷桩加固时，会产生局部桩体咬合较差或未成桩的现象，虽然范围较小但受库水压力影响容易引发局部的突水涌泥，甚至导致隧道局部与库水联通。施工中持续采用降水措施以加强围岩稳定性并降低库水对围岩影响，同时对于局部成桩效果不好、围岩呈流塑状的段落，采用双液回退式注浆措施对围岩进行小范围补强。

图1　六部CRD工法示意图

2.3.1　综合降水措施

降水工作一直贯穿整个施工环节，必须在降水作业取得明显效果后方可进行其它工艺作业。结合该段落现场状况，经工艺试验，采用洞内、洞外降水相结合方法。洞外采用地表深井降水(由地表施作管井降水，井深至隧道仰拱面下方)；洞内采用超前水平真空降水(在拱部及边墙设置两排超前降水管)、台阶负压轻型井点降水(在上、中台阶安设降水管，同时为了降低仰拱底部水位，特在隧道底部两侧加设两根降水管)及洞内深井负压降水等降水措施(见图2)。

2.3.2　回退式双液注浆辅助措施 [6]

回退式双液注浆辅助措施适用在施工中揭示的地表旋喷桩咬合较差或未成桩的局部段落。回退式注浆管采用?225　mm普通钢管，管长6　m，注浆管一端加工丝头(图3)，便于安装止浆阀，注浆管身不设置溢浆孔。

注浆管设置在局部流塑状、水量大的围岩及周边，环向间距0.2　m，外插角10~15°，注浆长度4.5　m，现场根据实际情况在出水多的地方适当加密加长。注浆所用材料为水泥-水玻璃双浆液，水泥为425#普通硅酸盐水泥。水玻璃模数为M=2.8～3.1,浓度为35～40　Be′。水泥浆(水灰比)：0.6∶1~1∶1，该水灰比为质量比，可在注浆过程中根据实际情况予以改变。水泥浆与水玻璃体积比：1∶1~1∶0.6。为使浆液尽快凝固，浆液中添加磷酸二氢钠对浆液固结时间进行控制。注浆压强为2～4　MPa,浆液扩散半径为0.2～0.4　m。

图2　CRD法洞内综合降水示意图(单位：mm)

图3　注浆钢管构造图(单位：cm)

2.4　步距控制

第三系富水粉细砂地层常规段落采用CRD法施工，仰拱距离①部开挖面控制在35　m内、衬砌控制在70　m内；在浅埋下穿水库的特殊段落，为确保施工安全，仰拱距离①部开挖面控制在25　m、衬砌控制在30　m、紧跟临时支护结构；临时支护在仰拱施工完毕后拆除，拆除后立即施作二次衬砌。

3　监控措施

根据隧道地质条件，结合隧道的开挖支护方式，制定的监控量测项目有洞内外观察、拱顶沉降、水平收敛、地表沉降等。CRD施工工法分部较多，为确保安全，在每一个分部内均设置水平收敛测线，在隔壁拆除过程中及拆除后尚未进行二次衬砌的间隔内，要进行密集观测，防止突发的围岩变形(代表性曲线见图4～图6)。由于采用步步成环的施工工艺，变形量较小，一般累计10～20　mm左右便达到稳定状态。

4　结束语

胡麻岭隧道第三系富水粉细砂地层下穿水库段落，自2013年3月15日开始组织水库内陆表旋喷施工，到2014年12月9日顺利通过，在采取常规降水措施的基础上，采用地表旋喷工艺尽量减轻库水影响，结合局部注浆堵漏的措施，严控安全步距，有效控制了围岩的变形，保证了结构的安全与质量，对控制流塑状围岩、软岩变形及下穿段落的施工有一定借鉴作用。