百店隧道第三系富水砂层快速施工关键技术研究

高广义

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

0 引言

近年来，交通基础设施快速发展的同时，越来越多深埋长大隧道及地下工程施工过程中遭遇第三系富水砂层，因其属泥质弱胶结结构，成岩性差，遇水或长时间暴露时极易产生结构破坏，很快变成松散流塑状，在开挖扰动及水的作用下胶结松散的砂层塌落随着流水涌出，随后逐渐扩大，极易发生涌水、涌砂和塌方等工程灾害［1］。目前注浆加固是该地层隧道施工的一项重要工法［2］，注浆技术在隧道富水砂层、岩溶和软弱地层加固等方面取得了显著的成果，在应对复杂地质条件下隧道及地下工程施工发挥着重要的作用，也成为近年来对不良地质施工的研究热点。新建原州区至王洼线程儿山隧道第三系富水粉细砂层段施工采取“帷幕注浆+超前大管棚”技术有效控制解决了隧道开挖过程中发生的涌水、涌砂等突发事故［3］;新建兰渝铁路胡麻岭隧道富水粉细砂地层通过现场实践表明，采用双液回退劈裂注浆施工，有效地改善了地层的稳定性，控制了围岩变形［4］，采用传统的帷幕注浆技术虽然能够达到改良富水砂层的效果，但不能否认的事实是全断面帷幕注浆时间长、工效低和造价高［5］。对于长区段的富水砂层施工必须对注浆和开挖施工技术进一步优化和改进，从而在确保安全和效果的前提下，实现快速施工。本文以山西中南部铁路通道百店隧道400 m第三系富水砂层段施工为例，提出“超前周边注浆+掌子面加筋注浆+加固体外超前泄水降压+开挖过程中补充注浆+快挖快封”的综合施工技术，以保证隧道安全快速施工。

1 工程概况

山西中南部铁路通道工程某隧道全长2 954 m，设计为单洞双线隧道。隧道埋深80～160 m，地层自上而下分别为第四系上更新统风积层(Qeol3)新黄土及第四系中更新统洪积层(Qpl2)老黄土，坚硬—硬塑状，松软结构，厚度约80 m;老黄土层底至洞顶地层为第三系上新统粉质黏土、砂岩、富水砂层互层，硬塑—坚硬，松软结构。隧道 DK283+763～DK284+204段长441 m揭露地层为第三系富水砂层，隧道进口上中台阶、出口上台阶为富水砂层，中砂黄褐色，中密—密实，潮湿—饱和，厚度为5.5～7.0 m;隧道洞身位于地下水位以下，富含地下水，掌子面拱部及拱腰两侧有股状水出露带动砂涌流，已完成初支表面呈淋雨状开挖后砂层呈流体状(如图1所示);砂层在施工中曾发生多次涌泥、涌砂地质灾害(如图2所示)。根据开挖揭示结合工程地质分析，洞身所处第三系富水砂层物理力学指标:含水率，5.6% ～28.9%;细度模数，2.3～2.5;孔隙率，40% ～45%;含泥量，9.6% ～14.%;质量分数，2.3% ～2.7%。

图1 开挖后砂层流体状Fig.1 Fluid sand strata after excavation

图2 涌砂、涌泥地质灾害Fig.2 Sand outburst and mud outburst

2 工程重难点分析

1)对于长区段富水砂层施工，钻孔注浆效率直接影响全隧施工进度，如何通过调整设计、优化工艺，在确保注浆效果的情况下，提高钻孔注浆施工效率。

2)水是影响富水砂层正常开挖的关键因素，如何确保在注浆加固完成后，开挖工作面处于低压无水情况下施工。

3)砂层开挖中，易出现局部涌砂、涌水;采用何种措施快速封闭涌漏点，并对薄弱处再次加强补充注浆。

4)软弱地层开挖要求“快挖、快支、快封闭”，如何通过优化开挖方法，提出适合该地层的以快速钻孔注浆为主的施工工法。

3 关键技术研究

针对本工程第三系富水砂层施工，适宜的技术方案不仅要保证安全施工要求，还应避免常规帷幕注浆所具有的工效低、造价高等缺点，其关键技术在于注浆工艺工法的优化以及合理配套的开挖工法。根据以往工程实例，并借鉴张明庆等人提出的“精细化跟踪注浆施工工法”［6］，结合该隧道富水砂层物理参数，提出“外堵内固”对砂层进行整体改良和开挖过程中薄弱环节局部补充注浆的超前预加固体系下，辅以加固体外钻孔泄水降压，配合三台阶临时仰拱及上台阶中隔壁预留核心土的开挖方法，在确保安全的前提下提高施工效率，从而满足安全开挖和快速施工的目的。

3.1 “外堵内固”注浆设计

富水砂层隧道最大的危害无疑是地下水的作用，而“外堵内固”注浆设计理念能够有效改善地层和阻止地下水对开挖面的危害。“外堵内固”的设计理念为:

1)根据地层水压和水量情况沿隧道开挖轮廓线在掌子面周边按一定外插角布设2～3圈孔，纵向加固长度20～25 m，注浆孔扩散半径按1～1.5 m，终孔间距按2.0～2.5 m，通过周边两圈高压劈裂注浆，切断隧道洞身范围地层与外部的水力联系，从而降低地层渗透系数，减少地下水对周边围岩的弱化作用，增大地层的抗变形能力，即“外堵”。

2)在隧道工作面按照1.5 m×1.5 m间距梅花形布孔，钻孔深度与注浆段长一致，成孔后下入与注浆孔等长φ 25 mm的中空玻璃纤维锚杆(玻璃锚杆每隔40～60 cm钻设φ 8 mm的溢浆孔)，并进行一次高压劈裂注浆施工，使具有高抗拉强度的锚杆通过浆液和软弱地层形成空间立体网状结构，提高开挖面土体稳定性，增强注浆加固区域土层的抗变形能力，有效地抑制开挖引起的工作面失稳［7］，即“内固”。以隧道进口某循环注浆设计为例，超前探孔水量约8 m3/h，含泥量为11.2%，砂层厚为5.8 m。采取“外堵内固”注浆设计，对上断面富水砂层进行超前注浆加固，注浆设计参数如表1所示，超前注浆设计图如图3所示。

表1 注浆设计参数表Table 1 Designed grouting parameters

3.2 注浆施工及效果

注浆施工根据钻孔情况动态调整方案设计，加强过程控制，并通过调节浆液类型和浓度、多钻少注等工艺使浆液达到预设计的扩散半径。为保证浆液纵向扩散范围，所有注浆孔均下入PVC管并进行孔底注浆，同时对上一段注浆效果及加固后地层稳定性进行检查评价。

注浆结束后，在注浆薄弱区域布设检查孔，并采用成孔率分析、浆液填充率分析、P－Q－t曲线分析等综合注浆效果评定技术手段，并结合孔内成像摄像技术对注浆效果评价。检查孔无塌孔现象，且终孔出水量满足设计0.2 L/(min·m)的标准要求，注浆效果满足设计要求。

3.3 开挖前钻孔泄水降压

为避免因注浆加固造成地层水量集聚，水压上升，给开挖带来风险，上断面超前注浆加固和长管棚支护施工完成后，沿开挖轮廓线布置环向泄水降压孔，减轻水压力对加固体的损害，并能通过泄水孔进行降水施工，降低加固体周边砂层的含水量［8］。泄水孔沿上断面初支护纵向钻设泄水孔，泄水孔纵向长度25 m，终孔在开挖轮廓线5 m(加固体外)，共布设5个，泄水降压孔布置如图4所示。

图3 超前注浆设计图(单位:cm)Fig.3 Design of advance grouting(cm)

图4 泄水孔布设示意图(单位:cm)Fig.4 Layout of water-releasing holes(cm)

3.4 开挖过程中TSS管补充注浆

富水砂层注浆施工由于浆液扩散不均匀性或钻孔精准度有偏差，导致注浆加固体难免出现注浆薄弱环节或盲区，在开挖施工中，局部出现涌水涌砂，无法采取及时补救措施，形成空洞，导致地层损失，进而引发开挖面失稳。为了能够在局部出现涌水、涌砂情况下及时封闭涌砂点，并对其薄弱环节进行补强，根据开挖局部涌水、涌砂大小情况，在涌砂点周围1～3 m范围内布设TSS注浆管，并进行补充加固注浆。具体TSS管设计及注浆施工如下:

1)注浆孔设计。注浆孔按0.5～0.8 m扩散半径环形布置，注浆管长3～5 m;

2)TSS管注浆。采用手持风钻钻孔，钻孔孔径φ 50，并下入TSS管，孔口与岩壁周围采用棉纱+速凝水泥砂浆封堵，使用带有止浆塞的芯管按每隔0.6 m长度进行后退式注浆，注浆材料为普通水泥水玻璃双液浆，单液浆水灰比(W∶C)=0.8∶1，双液浆体积比(C∶S)=1∶1，注浆终压 1 ～1.5 MPa。

3.5 开挖工法选择

大断面富水砂层隧道开挖大都采取双侧壁导坑法或CRD工法将断面化整为零进行小断面以人工开挖为主，工法复杂，工序转化繁杂，施工进度极其缓慢［9］;经过现场不断优化调整，提出了三台阶临时仰拱六部开挖方法(其中上台阶中隔壁预留核心土)，如图5所示，即保证砂层集中区域拱顶范围可进行小断面快挖快封施工，又能在中下台阶实现左右侧人工配合机械快速开挖，在确保安全的前提下，大大提高了施工效率。

采用三台阶法临时仰拱其中上台阶中隔壁预留核心土开挖施工，上、中、下断面台阶高度分别为3.5，4.2，2.4 m，台阶长度3 ～5 m，仰拱高 1.7 m。支护后上台阶净空高3.2 m，可保证预留核心土机械作业空间。每台阶分割为左、右部，实现错进开挖，错进长度为2～3 m，其中上台阶中间增设中隔壁预留核心土，每部左侧开挖时，安装左侧拱架，右侧开挖时，安装右侧拱架和临时仰拱形成封闭环。施工过程中，严格控制开挖进尺和循环时间，上台阶每循环进尺0.6 m，中下台阶每循环进尺不超过1.2 m，每循环时间控制在6 h以内完成。

图5 三台阶临时仰拱上台阶中隔壁预留核心土开挖法Fig.5 Sketch of excavation method

4 结论与探讨

1)采用“外堵内固”高压劈裂注浆和开挖过程中薄弱环节TSS管补充注浆的加固措施，能够提高开挖工作面砂层的整体强度和抗变形能力，降低砂层的透水性，有效保证开挖顺利进行。

2)通过在加固体外布设大角度的泄水降压孔，直接有效疏散因注浆引起的水量集聚，并能有效降低地层水对注浆体的侵害程度。

3)“外堵内固”注浆+三台阶临时仰拱上台阶中隔壁预留核心土的砂层快速技术，大大提高了综合施工效率，月平均开挖进尺25～30 m，是常规砂层施工的4～5倍，社会效益和经济效益明显。

4)大断面、长区段富水砂层隧道施工难度风险大，费用成本高，应通过详细地质勘测，尽可能在线路和高程选择上避免穿越此种地层。

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