富水黃土隧道施工技術(shù)研究-《中國新技術(shù)新產(chǎn)品》

1、富水黃土隧道施工技術(shù)研究曹利神華包神鐵路公司塔韓鐵路工程部內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000摘 要：富水砂質(zhì)黃土隧道，裂隙水發(fā)育，地質(zhì)條件極差，圍巖呈流軟塑狀，施工難 度大，風(fēng)險等級高，為了預(yù)防富水黃土隧道施工發(fā)生大變形和坍塌問題，在高壓旋噴樁加固地層的根底上，采用CRD法開挖，做好防排水和井點降水措施，開挖中采用側(cè)壁大管棚加固預(yù)防垮幫。同時做好監(jiān)控量測工作，及時反應(yīng)數(shù)據(jù)，驗證支護結(jié)構(gòu)效果，確認(rèn)支護參數(shù)和施工方法的準(zhǔn)確性，為調(diào)整支護參數(shù)和施工方法提供有力依據(jù)。關(guān)鍵詞：隧道富水黃土 CRD法井點降水高壓旋噴樁1工程概況某隧道起訖里程改為 DK121+824 DK122+422 DK121+824 D

2、K121+882由V級圍巖暗洞 變?yōu)槊鞫?。洞身最大開挖高度10.39m，最大開挖寬度11.56m，洞身穿越自穩(wěn)性差的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土地層及強風(fēng)化砂巖夾泥巖結(jié)構(gòu)地層，第四系上更新統(tǒng)系砂質(zhì)黃土為特殊巖土，出口端洞身 DK122+305- DK122+422段主要位于含砂量較高的砂質(zhì)黃土地層，且兩 側(cè)存在較為發(fā)育的兩大沖溝，隧道洞身通過富水性地段，地下水主要為基巖裂隙水，水位較高。2施工中遇到的問題2.1施工過程隧道從出口端開始進洞，按原設(shè)計方案采用三臺階法施工，支護參數(shù)為：拱部超前支護采用$ 42超前小導(dǎo)管，每根長 4.5m,環(huán)向間距40cm,縱向每四榀鋼架施作一環(huán)，鋼支撐采 用I18型

3、鋼鋼架，間距0.8m，結(jié)合噴射混凝土及鋼筋網(wǎng)片、徑向錨桿進行聯(lián)合支護。在施工至DK122+384時，發(fā)現(xiàn)中臺階左側(cè)拱腰部位滲水嚴(yán)重，地質(zhì)條件惡化，監(jiān)控量測速度到達(dá)-2.43 -6.46mm/d，累計變化量到達(dá)-7.87 -13.43cm。對 DK122+37CDK122+305 段進行變更，支護參數(shù)由 V級圍巖復(fù)合式加強襯砌調(diào)整為VI級圍巖復(fù)合式襯砌，同時在隧道內(nèi)每隔5米設(shè)置一處直徑為 50cm的滲水井，邊墻拱腰部位每隔 35米預(yù)埋3根PVC排水 管，將地下水抽排至洞外。上臺階施工至 DK122+350.4時，在DK122+384處初支混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂紋，最寬達(dá)5mm根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反映結(jié)果發(fā)

4、現(xiàn)DK122+37CDK122+394段量測速率為-4.78-8.72mm/d ,累計量測數(shù)據(jù)持續(xù)增大，圍巖處于急劇變化狀態(tài)，隨即將掌子面立即封閉，并對洞內(nèi)初期支 護設(shè)置臨時豎向支撐進行加固，同時仰拱跟進至掌子面附近，隨后進入冬歇期，對洞內(nèi)滲水繼續(xù)降水。第二年復(fù)工后，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)洞身出現(xiàn)整體性下沉，拱頂累計值下沉到達(dá)-36.17-50.55cm , 原有30cm預(yù)留變形量已被全部吃掉，最大侵限值達(dá)40.55cm，嚴(yán)重威脅隧道施工平安及后期運營平安。2.1 原因分析該隧道為典型的富水風(fēng)積細(xì)砂黃土隧道， 裂隙水發(fā)育， 圍巖呈流軟塑狀， 地質(zhì)條件極 差，是隧道變形持續(xù)變化最后出現(xiàn)整體性下沉的客觀原因，而

5、施工期內(nèi)特別是冬歇期 3個月內(nèi)不斷的降水是導(dǎo)致隧道出現(xiàn)整體性下沉的直接原因。施工期間，洞內(nèi)不斷有地下水滲出，每天抽水量達(dá)16m5,由于土體中水分大量流失，土體中孔隙被壓縮， 原有平衡狀態(tài)遭到破壞， 致使隧道洞身周邊圍巖整體下沉， 出現(xiàn)較為嚴(yán)重 的初支侵限情況發(fā)生， 通過對已施工完畢仰拱破解分析及第二次地質(zhì)勘探資料顯示，后碾房梁隧道該段落地層為富水地層，地下水位埋深約18.330.2m ,位于隧道仰拱底面高程以下。3開挖方案變更DK122+422DK122+356段為路塹，同時根據(jù)地質(zhì)補鉆探結(jié)果調(diào)整制定專門的路塹 基底處理、路塹排水方案。鑒于DK122+305- DK122+350段所暴露土質(zhì)均

6、為新黃土，整體性和成拱能力較弱，裂隙 水發(fā)育，由V級圍巖調(diào)整為 VI級圍巖，開挖支護方法由三臺階法調(diào)整為CRD法，施工過程按有水黃土隧道做好防排水工作，確保洞內(nèi)無積水，并對DK122+328- DK122+356段采用施作高壓旋噴樁進行加固松散土質(zhì)地層。3 富水黃土隧道施工施工中遵循“管超前、少擾動、短進尺、強支護、早封閉、勤量測、嚴(yán)治水、緊襯砌 的施工原那么， 緊湊施工工序， 精心組織施工。 整體施工方案是在高壓旋噴樁加固地層的根底 上，采用CRD法開挖加井點降水措施，開挖中采用側(cè)壁大管棚加固預(yù)防垮幫。3.1 開挖措施1 有水黃土隧道施工必須保證上、 中、下三個臺階的距離盡可能地縮短， 各臺

7、階間距 離保持在 510米范圍內(nèi)， 盡量減少拱腳被浸泡的時間。 同時縮短開挖進尺， 上臺階每循環(huán) 進尺0.5m,開挖后立即噴射 8cm厚混凝土封閉掌子面，下臺階鋼架接長采用跳槽法進行施 工，每循環(huán)接長鋼架榀數(shù)控制在 12榀以內(nèi)。2開挖時嚴(yán)禁超挖,以減少對圍巖的擾動,如有超挖情況出現(xiàn),需用同級別混凝土及 時進行回填,嚴(yán)禁初期支護背后出現(xiàn)空洞,保證隧道圍巖整體穩(wěn)定性。3調(diào)整洞身開挖斷面矢跨比，根據(jù)以往經(jīng)驗，在保證結(jié)構(gòu)受力矢跨比?0. 3,可以提高支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能 , 確保隧道施工平安。3.2 支護措施1 鋼架安裝： 提高鋼架支護強度， 將 I18 型鋼鋼架調(diào)整為 I20 型鋼鋼架， 縮短鋼架間 距

8、，由 0.8m/ 榀調(diào)整至 0.5m/ 榀，并增加鎖腳的鉆設(shè)數(shù)量，保證鎖腳錨管與鋼架間的焊接質(zhì) 量, 提高鋼架整體受力性能和穩(wěn)定性，同時為防止鋼架下沉，鋼架底部須安放于穩(wěn)定的根底 之上，鋼架底部根底剩余 50cm采用人工開挖，并將鋼架安放在30cm*30cm*5c m的混凝土預(yù)制塊上，必要時可擴大拱腳根底，提高根底承載能力。2超前支護及注漿加固： 掌子面土體松散軟弱，自穩(wěn)性能差， 且地下水滲漏情況嚴(yán)重， 為防止開挖后土體大面積坍塌掉快，在原設(shè)計根底上進行小導(dǎo)管注漿加密處理，在拱部130°范圍采用雙排超前小導(dǎo)管進行注漿加固，環(huán)向間距由40cm調(diào)整至20cm,這樣可以使隧道的拱部超前小導(dǎo)

9、管形成止水帶 , 有效的止水 , 改良了隧道頂?shù)耐馏w結(jié)構(gòu)， 穩(wěn)定了掌子面土 體。同時對邊墻初期支護背后土體采用預(yù)埋$ 42超前小導(dǎo)管進行加固注漿，小導(dǎo)管呈梅花狀布置，間距3mX 2m3.3 高壓旋噴樁加固地層對DK122+32A DK122+356段受地下水影響較大，且隧道洞身穿越地層為濕陷性砂質(zhì)黃 土覆蓋，土體軟弱， 自穩(wěn)性差， 采用高壓旋噴樁地基加技術(shù)措施， 通過高壓噴射水泥漿液以 固結(jié)濕陷性土體，重組土體結(jié)構(gòu)，改善土的變形性質(zhì)，從而減少根底沉降，提高了土體的自穩(wěn)性，通過固結(jié)原理和擠壓作用到達(dá)消除黃土的濕陷性目的，同時也可起到阻截地下水流， 減少振動，防止液化或流砂等作用。高壓旋噴樁布置方

10、式：樁基縱橫向間距均為1.2m，梅花型布置。成樁范圍：從拱頂以上3m處至基底全風(fēng)化砂巖夾泥巖地層不小于1m樁徑0.5m。力個寬度：隧道中線左右側(cè)各 9m。施工參數(shù)：水灰比 1:1 ;噴射壓力：20Mpa鉆頭旋轉(zhuǎn)速度：22r/min ;鉆頭提升速度 25cm/min ;漿液流量：100L/min。旋噴施工頂部樁長應(yīng)有 一定的預(yù)留量， 以便保證樁長及樁身頂部質(zhì)量， 樁頂部應(yīng)保證足夠厚度的埋深， 以保證旋噴 效果。3.4 監(jiān)控量測措施做好監(jiān)控量測工作， 及時反應(yīng)數(shù)據(jù)， 驗證支護結(jié)構(gòu)效果， 確認(rèn)支護參數(shù)和施工方法的準(zhǔn) 確性，為調(diào)整支護參數(shù)和施工方法提供有力依據(jù)。3.5 防排水和降水措施黃土隧道一旦遇水

11、， 就會使土體呈現(xiàn)不同程度濕陷性， 圍巖軟化， 造成支護結(jié)構(gòu)根底被 水浸泡軟化，支護變形，甚至發(fā)生下沉侵限情況，因此黃土隧道必須做好防排水工作。1洞外防排水施工：在洞口施工前應(yīng)先做好截排水溝，截水溝設(shè)置在開挖線10m以外。洞頂截水天溝底部從根底采用三七灰土換填，換填厚度為30cm,截水溝與路基排水 系統(tǒng)做好銜接，將截水天溝內(nèi)水引入路塹排水溝內(nèi)。2 洞身防排水主用通過設(shè)置降水井，并采用無砂管抽水的方式進行排水。第一、 二部上部左、右側(cè)導(dǎo)坑開挖高度宜至富水層標(biāo)高上 1.0m 處；以下開挖高度分為兩次開挖， 降低一次開挖高度以預(yù)防垮幫。在一、二部上部左、右導(dǎo)坑開挖和初期支護完成后，即 在隧道滲水量較

12、大一側(cè)開挖積水井，采用井點降水方案將地下水位降至仰拱底 2.0m 標(biāo)高。 在上臺階掌子面附近設(shè)置排水橫溝， 將拱腳處積水引至隧道中間集水井， 然后將通過開挖中 部縱向排水溝將集水井內(nèi)的積水逐步抽排至洞外。積水井可采用無砂管周圍加小石子圍護。3在滲水量較大地段，通過在隧道拱腰邊墻部位每隔35米預(yù)埋3根50cm長泄水盲管，使得初期支護背后地下水能夠通過泄水管路及排到隧道中部集水井，降低水力坡度， 減少初期支護背后承受壓力。3.6 側(cè)壁大管棚加固在隧道開挖過程， 由于飽和土仍呈現(xiàn)流朔狀態(tài)， 導(dǎo)致坑壁大面積跨邦， 造成上部右側(cè)初 期支護噴射混凝土出現(xiàn)環(huán)向裂縫三條，縱向裂縫兩條，裂縫最大寬度達(dá)10mm監(jiān)

13、控量測說明拱頂下沉最大達(dá) -26.4mm/d ，周邊收斂變形達(dá) -98.0mm/d 。為保護圍巖，限制其變形，在隧道右側(cè)既成初期支護軌面上 2.5m3.0m處打設(shè)兩排108# 側(cè)壁大管棚，管棚鋼管長 10.0m，縱向間距0.5m，上下兩排共打設(shè)鋼管 20根。同時對于隧 底軟基，除采取必要的換填加固措施外，并預(yù)埋鋼花管以備以后對基底進高壓注漿加固。3.7 仰拱及襯砌施工嚴(yán)格按照鐵道部 120 號文件要求，控制仰拱及二襯與掌子面的施工距離，二襯距離 掌子面不大于 50 米為宜，仰拱直接施工至下臺階掌子面附近。對于大斷面砂質(zhì)黃土隧道， 及時施作仰拱及二次襯砌， 能夠使隧道洞身支護結(jié)構(gòu)及早閉合成環(huán)，

14、形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)體 系，有效抑制圍巖收斂變形，確保隧道施工平安和運營平安。4 體會和總結(jié)該隧道是典型的富水砂質(zhì)黃土隧道， 目前該隧道已經(jīng)順利貫穿， 通過該富水砂質(zhì)黃土隧 道施工，主要體會及結(jié)論如下：1在富水砂質(zhì)黃土隧道施工中，對于地下水的處理，要根據(jù)實際情況而定，同時在排 水過程中嚴(yán)格按照監(jiān)控量測標(biāo)準(zhǔn)要求， 做好監(jiān)控量測作業(yè)， 對隧道施工進行動態(tài)管理， 確保 隧道施工平安。2富水砂質(zhì)黃土隧道施工必須嚴(yán)格執(zhí)行“管超前、勤排水、短臺階、短進尺、留核心、 強支護、早封閉、勤量測、快成環(huán)、緊襯砌的原那么。3開挖時要注意控制開挖進尺和超欠挖， 在上半斷面施工支護完成并進行下部開挖時， 拱腳位置應(yīng)預(yù)先采

15、取加固措施， 增設(shè)鎖腳錨管， 防止由于下部開挖拱腳失穩(wěn)拱架下沉引起坍 塌 對鎖腳錨管的施工質(zhì)量須高度重視 這樣可以有效保持拱頂穩(wěn)定 , 保證人員平安。 3施工中一定要重視地質(zhì)的變化，針對不同的地質(zhì)條件，采取相應(yīng)的施工支護措施。 4富水砂質(zhì)黃土隧道圍巖及初期支護變形過大，又難以及時補強時，可提前施作二次 襯砌，以改善施工階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，此時二次襯砌應(yīng)予以加強。5可根據(jù)地質(zhì)變化合理放大預(yù)留變形量，增加鎖腳錨管、擴大拱腳根底、增設(shè)支撐墊板，并結(jié)合CRD法穩(wěn)步施工。6嚴(yán)格控制仰拱施工步距，及早使初期支護閉合成環(huán)，提高結(jié)構(gòu)整體受力性能，且襯砌應(yīng)緊跟，襯砌與上臺階掌子面距離控制在40m以內(nèi)，以確保施工

16、平安。5 施工建議1實踐證明，利用高壓旋噴樁技術(shù)對濕陷性黃土進行加固的效果是顯著的，大大改善 了濕陷性黃土地基的不良工程地質(zhì)病害 又極大地提高了隧道基底承載力 高壓旋噴樁用于 富水砂質(zhì)黃土 不僅起到了加固地層及防滲的效果， 而且加快了施工進度， 確保了隧道施工 的平安可靠性，有很大的推廣價值。2對于大跨度、淺埋偏壓、富水黃土隧道，CRD 法是一種非常有效的施工方法， CRD法通過將斷面分塊， 使支護結(jié)構(gòu)從上至下，環(huán)環(huán)相扣，及時封閉， 到達(dá)減小開挖跨度和降低 開挖高度， 縮短了各分塊斷面的封閉時間， 有效阻止圍巖下沉和收斂變形， 從而保證了隧道 施工平安。3對地質(zhì)條件極其復(fù)雜地段，應(yīng)適當(dāng)放大預(yù)留變形量