第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩隧道主要技术措施研究

李国良，王 飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)



第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩隧道主要技术措施研究

李国良，王 飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

为解决兰渝铁路、宁夏王洼铁路在建设过程中所遇到的第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩所带来的系列工程问题，结合桃树坪、胡麻岭、程儿山等隧道建设中的工程难点和科研攻关，系统阐述了第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩的围岩特性，介绍了适应该围岩的主要辅助技术措施和工程方案，提出了针对该地层的设计措施和施工关键技术。确定采用以“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭”为主的工程原则，必要时洞内水平旋喷加固，摸索出一整套此类地层条件下隧道的施工方法，并成功的应用于工程实践中，解决了一个世界罕遇的工程难题。

隧道工程；第三系；泥质弱胶结；富水；粉细砂岩；围岩特性；水平旋喷

0 引 言

第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩隧道施工问题是近年来隧道界遇到的一个崭新的工程技术难题。该类围岩主要分布于兰州市周边，具有明显的地域特色，在之前隧道建设中很少碰到。兰渝铁路桃树坪、胡麻岭、马家坡、哈达铺等隧道，宁夏王洼铁路程儿山隧道均遇到此类地层，给工程建设造成了巨大的困难。

在兰渝铁路建设初期，地勘初步揭示了本线的复杂地质情况，主要包括第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩、高地应力软岩大变形、高地应力硬岩隧道塌方等，这些不利因素在隧道选线阶段已进行了适当考虑和规避，但当时的认识并不充分，尤其对第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩的工程及水文地质特性的认识不充分。待隧道挖开接触后，才发现问题的复杂性和严重性。针对第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩的物理力学特性、工程及水文地质特性、岩体含水率对围岩稳定性影响等的大量研究，找到了一定的规律，逐渐熟悉和认清了这种特殊围岩的工程特性，进而所采取的针对性工程措施、主要辅助技术措施、设计方案和工法等已趋于稳定[1]。笔者以桃树坪、胡麻岭隧道第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩为例，介绍隧道建设过程中方案论证和科研试验等情况，并对研究成果在马家坡隧道、程儿山隧道的应用情况也进行简单介绍。

桃树坪隧道长3 220 m，设5座斜井；胡麻岭隧道长13 611 m，3 # (770 m)～4 # (664 m)斜井之间的3 250 m段落为第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩，在施工过程中先后增设5 # (705 m)斜井，7 # 竖井(深30 m)和8 # 斜井(450 m)辅助正洞施工，本段已成为兰渝铁路全线控制工期的主要段落之一。图1为胡麻岭隧道位于第三系富水粉细砂岩段正洞及辅助坑道平面图。

图1 胡麻岭隧道第三系富水砂岩段平面

1 隧道施工中出现的问题

桃树坪、胡麻岭等隧道自2009年2月先后开工，在黄土和无水的第三系粉细砂岩地段施工进展正常。至2010年5月，斜井、正洞先后进入地下水水位线以下后，第三系泥质弱胶结粉细砂岩遇水软化，掌子面泥化，基底扰动后呈“稀粥状”，无法自稳，难以开挖成形，边墙拱架接腿及仰拱开挖难度极大，初支无法及早封闭成环；掌子面及边墙背后常伴有涌水、涌砂等现象，使拱架脱空形成空腔，造成钢架扭曲，边墙垮塌，施工安全风险极大，施工进度每月不足10 m。图2、图3为桃树坪隧道4 # 斜井开挖及初支开裂情况，图示可反映出该地层条件下隧道施工作业的难度和风险性均较大[2]。

图2 桃树坪隧道4 # 斜井开挖

图3 桃树坪隧道4 # 斜井初支开裂加固

2 第三系粉细砂岩围岩特性研究

第三系粉细砂岩为浅红色，具粉细粒结构，成岩性差，泥质弱胶结。无地下水时，围岩整体稳定性较好。当地下水发育时，受水浸润或浸泡后，围岩软化，施工扰动后多呈粉细砂状，呈蠕变流态。地下水富集地段，掌子面还出现涌水、涌砂等现象，Ⅵ级围岩为主，各掌子面涌水量约为300～1 000 m3/d。专家研讨会认为第三系粉细砂岩属于工程性质很差的劣质岩[3]。

根据取样的颗粒分析及颗粒级配表，第三系砂岩的颗粒组成以粉细粒为主，粒径主要集中于0.075～0.25 mm之间，通过渗透系数分析，其砂岩本体属中等透水等级。其主要物理力学参数如表1。

表1 第三系粉细砂岩主要物理力学参数

根据直剪试验结果，砂岩黏聚力值为14.21～99.38 kPa，平均为56.79 kPa，内摩擦角值为31.96～46.29°。

第三系粉细砂岩受沉积环境等影响，形成过程中多为泥质弱胶结，且成岩性差，天然抗压强度很低，一般﹤1 MPa；遇水浸润或扰动后极易软化的特征明显，其饱和抗压强度无法通过室内试验测得。通过电镜扫描图片进行观察，第三系弱胶结砂岩试样微结构为粒状、架空—镶嵌、点接触结构。在水的作用下发生流变后，内部颗粒结构重新排列，孔隙数量成倍增加，远超于流变前[4]。

3 隧道内主要技术措施研究

鉴于第三系泥质弱胶结粉细砂岩地质条件复杂性，施工中先后针对隧道线位优化，施工方案(盾构、插板机、预切槽机)，施工方法(CD、CRD、双侧壁)，超前支护(插板、旋喷、小导管、大管棚)，辅助工法(注浆、降水、基底换填、排桩)等进行了系列工程试验及系统研究[5-8]。前期试验工法及效果如下。

3.1 超前支护

超前支护以少扰动围岩为主，方便快捷、经济、支护效果好为原则，主要以密排小导管、大管棚+小导管、水平旋喷桩、插板法4种方式进行现场试验比选。

当掌子面含水率较大，软塑状或流塑状的扰动地层拟采用水平旋喷进行超前加固，但在施工前期因设备因素，施工进度缓慢，正洞拱墙水平旋喷桩约为75根，按成桩速度1～2根/d计算，仅成桩时间就需要1～2.5个月，施工进度很慢，且成桩效果不好，成桩直径仅为设计直径的50%～60%。当时水平旋喷桩工艺的主要问题为国产设备效率低、施工效果较差，不能满足施工的需求，后期由专业注浆队伍采用国外进口设备进行洞内水平旋喷作业，施工工效及实施效果均有大幅好转。

插板法主要在桃树坪隧道4 # 斜井开展插板试验，目前没有专业的插板机械设备，现场采用人工插板。第三系砂岩在未扰动时，岩性致密，拱部插板顶进困难，但其在扰动地段边墙部位可替代排管，减少边墙部位流塑状砂层开挖难度，效果较好。对于隧道拱部含砂卵石、含水率较小且施工扰动较轻的第三系砂岩，超前支护宜采用密排小导管，必要时辅以大管棚的方案[6]。

根据前期对超前支护的试验结果，确定以密排小导管为主要的支护方式(图4)，正洞隧道必要时辅以中管棚，其施工方便快捷、效果较好。

图4 洞内超前小导管

3.2 排桩(板、管)支挡

第三系粉细砂层在地下水发育或含水率较高时，长期受水浸泡和施工扰动，中、下台阶围岩呈软流塑状，局部地段呈流砂状而无法施工。为保证边墙及中、下台阶的正常开挖，防止支护背后露空乃至坍塌，先在边墙部位和中、下台阶正面密排打设小导管或槽钢、钢板等支挡措施对流塑状砂体进行围护，再进行边墙和仰拱部位的开挖。尽管洞内排桩、排板等施工非常艰难，但挡砂效果良好。

在洞内降水成功后，砂岩体已具有一定的自稳性，此时排桩(板、管)支挡已不必要。图5、图6为桃树坪隧道洞内边墙及台阶端部横向挡砂排板，当地下水存在时，通过类似支挡措施可阻止砂体蠕变流动，稳定开挖面。

图5 边墙挡砂排板

图6 洞内横向挡砂排管

3.3 注浆技术

针对第三系粉细砂岩遇水后特殊的工程特性，现场进行了大量的径向、帷幕和化学注浆试验，主要结论如下：

1)径向注浆：考虑到初支背后易形成空洞，初期支护封闭成环后，全断面施做径向压浆回填。

2)帷幕注浆：对出现突涌的局域和段落，采用帷幕注浆或掌子面注浆加固。

3)化学注浆：采用固砂剂、聚亚胺胶脂材料、马丽散等，但实际效果不佳，且化学浆液后期经分解后会在一定程度上污染地下水土资源。

第三系粉细砂岩未开挖扰动时，岩体致密无裂隙，浆液很难渗入，故确定采用径向注浆，以回填初支背后空洞为主的技术方案。

3.4 洞内降水

施工降水主要以疏干基底地下水，提高基底承载力，确保基底和边墙正常开挖为原则，现场开展洞内管井、集水井和超前真空降水等试验[7]。

现场多采用真空轻型井点降水+洞内深井降水+集水坑集排水的方法对隧道进行系统的降、排水施工，见图7、图8。

图7 洞内降水管路布置

图8 正洞降水设计

图9为桃树坪隧道2 # 斜井X 0+20中下台阶开挖后的降水曲线，砂岩含水率在0～6 h内从10.5%急剧增加至18.9%，并开始流变，台阶失稳。通过24 h持续降水，含水率逐渐下降至10%左右，降水效果较好，可开挖成型。

图9 降水时含水量-时间曲线

图10为采用超前降水后中台阶的降水曲线，可见超前真空降水能够将围岩含水率控制在5%～9%，低于围岩塑性变形的含水率，围岩基本稳定，可正常施工。

图10 超前降水含水量-时间曲线

试验研究表明，砂岩发生塑性变形的含水率为12%～16%，3～5 h为围岩开始塑性变形的临界时间点；发生流变的含水率为18%～19%，7～10 h为围岩开始流变的临界时间点。当砂岩发生塑性变形或流变时，其稳定性大大降低[9]。

正洞采用深井与轻型井点(含超前)相结合的降水方案，斜井采用轻型井点降水(含超前)的方案，目前在大部分工作面，降水是成功的、必须的。在前期，也进行了在隧道底部采用微型盾构施做超前降水走廊试验，但未成功。

3.5 水平旋喷技术

桃树坪隧道出口掘进183 m后，第三系粉细砂岩水位抬升至拱腰附近，2010年初左侧边墙挤出，出现塌方，采用6步CRD工法开挖也无法前进，多次反复。拟采用大型专用设备进行洞内水平旋喷试验。设备采用意大利进口的PST- 60摇臂钻机和SM-14钻机及其配套高压旋喷设备的旋喷加固：

1)洞室周边大直径长悬臂水平旋喷桩加固，加固范围为沿隧道纵向18 m，桩径800 mm，开挖15 m，预留3 m作为循环搭接。

2)掌子面玻璃纤维锚杆旋喷桩加固，梅花形布置。

3)大直径锁脚旋喷桩加固，锁脚旋喷桩长度为8 m，桩径600 mm，斜向隧道两侧下方30～45°打设，桩内均埋设8 m直径为76 mm的钢管。

4)降水采用超前真空降水和管井降水相结合的施工方案。

图11为洞内水平旋喷加固设计图，图12为洞内水平旋喷加固后的现场效果图，经过旋喷注浆加固，隧道基本可实现全断面或上下台阶开挖。桃树坪隧道出口采用该工法施工，现场效果较好。

图11 洞内水平旋喷设计

图12 洞内水平旋喷加固效果

4 地表深井降水技术

胡麻岭隧道7 # 竖井在建井中，渗(涌)水量为800～900 m3/d，施工扰动后围岩软化，呈饱和粉细砂状，围护桩间的涌水携带大量沙子流出，施工十分困难，安全风险大，最后采用地表深井降水技术。

胡麻岭隧道地表深井降水分为以下几个阶段：

1)7 # 竖井周边降水：2010年8月在竖井周边先后共设9孔地表降水井，井深50 m，降水效果较好，保证了竖井建井和开口段的正常施工。

2)浅井试验(埋深﹤100 m)：深74 m，设计抽水孔1孔，观测孔4孔。目的为掌握第三系含水砂岩的水文地质参数及降水井的影响范围，为后续的地表降水井布置取得较为适合的参数。降水试验井实施情况见表2。

表2 试验井实施情况

依据试验结果，对7 # 竖井工区及5 # 斜井工区浅埋段(埋深﹤100 m)，实施地表重力降水辅助施工，取得了成功。

地表降水井与正洞轮廓线外侧边缘相距4 m，每侧井间纵向距离20 m(第一列降水井距离掌子面15 m)，对称布置。降水井直径273 mm，深入洞底高程以下20 m，配置流量8～12 m3/h，扬程﹥150 m的潜水泵。图13、图14为隧道地表降水设计及布置方式，条件允许时，于地表对隧道进行降水，实施起来更为方便有利。

图13 地表降水井布置

图14 地表降水井

3)深井试验(埋深100～200 m)：胡麻岭隧道3 # 斜井埋深较大，斜井水量大，为掌握在地表实施200 m左右深井的成井工艺可行性、单井出水量及水位降至预设计的时间，于2012年11月及2013年2月在3#斜井掌子面前方18～55 m之间分两批布置了4座降水井，井深187～194 m，试验结果为塌孔掉钻现象严重，不成功。

胡麻岭隧道5 # 斜井、7 # 竖井沟谷段(埋深﹤100 m)采用地表降水技术，效果极好，施工顺利；3 # 斜井工区隧道埋深近200 m，地表降水尚未成功，进展缓慢，目前仍进行深井试验；其余各工区施工均较为顺利。图15、图16列举胡麻岭7 # 竖井降水前后井内施工情况，图示可看出，降水后井内环境干燥，围岩稳定性明显好转，有利于工程的实施。

图15 胡麻岭7 # 竖井降水前涌水

图16 胡麻岭7 # 竖井降水后开挖面

5 结 论

经过前期大量的施工探索和研究，对各项施工方案、施工工法、辅助施工措施等进行了系统的分析，确定采用“重降水、密导管、强支护、辅注浆、快挖快支快封闭”的设计原则，并对桃树坪隧道出口采用大功率设备进行洞内水平旋喷施工，做到了相应的技术创新。

第三系泥质弱胶结富水粉细砂岩属于劣质岩，遇水后稳定性急剧变差，难以开挖成型，采取系列技术措施后，虽然能够较正常施工，但增加投资较多，工序转换较复杂，施工进度缓慢。因此，后续一些线路在遇到类似地质问题时，在设计上优先进行选线绕避或抬高线位于地下水位之上是正确、合理的。其余主要措施如下：

1)超前支护：拱部加密小导管和边墙插板法预支护，必要时设置大管棚。

2)初期支护：加大初期支护刚度，采用I25a钢架，间距为1榀/0.5 m，设置混凝土垫块和纵向槽钢托梁。

3)二次支护：拱墙预留二次支护空间，根据变形情况必要时增设二次支护。

4)径向注浆：待初期支护封闭成环后，全环设置注浆小导管，及时进行初期支护背后压浆，确保支护与围岩密贴。

5)降水：洞内采用轻型井点(含超前)和管井降水，对隧道浅埋段(埋深小于100 m)可采用地表深井降水。

6)施工方法：斜井采用台阶法，正洞采用双侧壁导坑及CRD等工法。桃树坪隧道出口采用洞内水平旋喷技术辅助施工，台阶法开挖。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司,北京交通大学.含水弱胶结砂岩地层物理力学参数试验研究[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010. China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing Jiaotong University.Experimental Study on Physical and Mechanical Parameter of Rich Water Weak Cementation Sandstone Formation [R].Xi’an:China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,2010.

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司,北京交通大学.兰渝线桃树坪、胡麻岭隧道施工调研报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010. China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing Jiaotong University.The Construction Research Report of Taoshuping,Humaling Tunnels on Lan-Yu Railway [R].Xi’an:China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,2010.

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[5] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.桃树坪、胡麻岭隧道第三系砂岩地段试验段总结报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2011. China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd..The Conclusion Report on the Third Series Sandstone Test Section of Taoshuping and Humaling Tunnels [R].Xi’an:China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,2011.

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[9] 中铁第一勘察设计院集团有限公司,西南交通大学.兰渝线桃树坪、胡麻岭隧道第三系砂岩水稳特性与围岩稳定性关系研究[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2013. China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,Southwest Jiaotong University.The Relationship Research between Water Stable Characteristics and the Stability of Surrounding Rock about the Third Series Sandstone of Taoshuping,Humaling Tunnels on Lan-Yu Railway [R].Xi’an:China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,2013.

Major Technical Measures of the Third Series Argillaceous Weak Cementation Rich Water Silty Sand Rock Tunnelss

Li Guoliang, Wang Fei

(First Survey & Design Institute of China Railway Group Co. Ltd., Xi’an 710043, Shaanxi, China)

In order to solve the serial engineering problems caused by the third series argillaceous weak cementation rich water silty sand in the construction process of Lan-Yu and Ningxia Wangwa railway, the surrounding rock characteristics of the third series argillaceous weak cementation rich water silty sand rock systematically were elaborated, the main auxiliary technical measures and engineering plans were introduced, and the design measures and the key construction technology of this stratum were put forward, in the consideration of the engineering and scientific difficulties in construction of Tao Shuping, Hu Maling, Cheng’er Shan tunnels, et al. The major principle that “major precipitation, concentrated catheters, strong supporting, assistant grouting, fast digging, fast supporting, fast closing” was determined, and the horizontal jet reinforcement in tunnel was adopted when it was necessary. The proposed whole set construction method of such stratum conditions was explored and applied to the engineering practice successfully, which solved the rarely encountered engineering problem in the world.

tunnel engineering; the third series; argillaceous weak cementation; rich water; fine sandstone; surrounding rock features; horizontal jet

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.07

2014-06-17；

2014-09-25

李国良(1966—)，男，甘肃庄浪人，教授级高级工程师，主要从事隧道及地下工程设计及研究。E-mail：1196328566@qq.com。

U459.1

A

1674-0696(2015)04-039-06