严寒地区山岭隧道涌水流砂地层施工技术探讨

杨 雪 峰

(中国建筑土木建设有限公司,北京 100070)



严寒地区山岭隧道涌水流砂地层施工技术探讨

杨 雪 峰

(中国建筑土木建设有限公司,北京 100070)

针对高松树隧道涌水流砂地层施工的重难点，提出了以堵为主与以排为主两种施工方案，通过分析两者的优缺点，选取了以排为主的施工方案，并阐述了具体的施工措施，确保了施工质量与安全。

隧道，涌水流砂地层，超前支护，掌子面

0 引言

随着隧道工程施工技术水平的不断提高,具有各种特点的长大隧道、复杂地质隧道、大断面的隧道比重日趋增大。涌水流砂地层的特殊地质特性，增加了隧道施工坍塌的风险及施工难度，直接危及施工作业人员的生命安全,造成设备损坏、工期延误、增加额外工程费用等严重损失。

1 工程概况

高松树隧道位于敦化盆地西侧丘陵区明川屯村附近，隧道起讫里程为DK142+920～DK144+880，中心里程为：DK143+900，全长1 960 m，最大埋深约65 m。

出口DK144+274～DK144+084埋深约30 m，岩性为全～强风化砂岩，富水严重，由原设计Ⅳ或Ⅲ级围岩变更为Ⅵ级围岩。

2 现场施工情况

施工开挖揭示DK144+274围岩为全风化砂砾岩，泥质胶结，富水严重，节理发育，自稳能力差，扰动后呈流砂状，极易造成坍塌，经过第三方物探及TSP超前地质预报探测：DK144+170～DK144+274岩性为上第三系中新统土门子组砂砾岩，全风化，岩体破碎，富水严重，节理发育，属于典型的涌水流砂地层。

3 工程重难点分析

1)地质问题：经过超前地质预报及现场的地质确认，DK144+274～DK144+010段围岩地质均为富水强～全风化砂岩，围岩级别由Ⅳ或Ⅲ级变更为Ⅵ级，增加了施工难度和施工风险，掌子面施工采取何种支护措施及施工方法方能度过如此长段落的涌水流砂地层，是涌水流砂地层施工的重点和难点。

2)沉降问题：如何控制软弱围岩隧道施工中沉降，是涌水流沙地层隧道施工的难点。

3)气候问题：由于东北特殊的严寒气候，10月15日进入冬期施工，无疑给涌水流砂地层隧道施工带来了更多更大的难度，特别是钢架加工及喷射混凝土施工质量。

4)施工安全问题：由于涌水流砂地段地表为农田作业区和林区，农田作业人员和动物放牧较多，安全隐患大，如何控制沉降，确保隧道暗洞施工，是方案制定的重点。

4 施工方案

围绕以堵为主和以排为主的两种治水出发点，以下为涌水流砂地层施工拟采取的两种方案。

4.1 以堵为主施工方案

采用堵水为主的施工方案流程：施工准备→超前预注浆→超前管棚→开挖支护→监控量测→围岩稳定性判定→仰拱及仰拱填充施作→防排水施作→复合衬砌施作。

1)开挖前进行上半断面超前预注浆加固处理，每一循环注浆长度为30 m，开挖25 m，并保留5 m止浆岩盘，浆液扩散半径2 m，孔底间距3 m，加固圈厚度5 m，注浆采取前进式注浆，注浆结束后，单孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，当注浆完毕未达到设计要求时，应进行补注浆。

2)考虑到超前预注浆施工难度大，外插角及注浆效果难于控制的客观现象存在，本着安全第一的施工原则，拱部增设管棚进行超前支护，每环长度10 m，搭接3 m，管棚采用φ108，壁厚6 mm钢管，同时通过φ108超前管棚的设置，检验上半断面超前预注浆的防水加固效果同时起到支护措施补强的效果。

3)超前预注浆和超前管棚施作完成后，采用临时仰拱法进行开挖支护，通过临时仰拱的施作，横向支撑起到制约两侧收敛，确保开挖支护的顺利进行。

4.2 以排为主施工方案

采用以排为主的施工顺序：施工准备→超前引水管→超前管棚→超前小导管→开挖支护→监控量测→围岩稳定性判定→仰拱及仰拱填充施作→防排水施作→复合衬砌施作。

1)开挖前通过排水管的设置，对富水围岩提前进行排水泄压，降低流砂地层的流塑性，增强了围岩自身稳定性，符合新奥法的精髓。

2)超前管棚的设置起到承载拱的效应，同时在引水管与开挖断面间形成一道隔离带，在保证刚度支护的前提下，有效的提高了隔水效果，为开挖支护施工提供了安全保证。

3)超前引水管及超前管棚施作完成后，加设超前小导管相结合的联合支护措施，超前小导管的设置，起到对超前管棚支护措施的补强作用。

4)开挖工法采用三台阶七步开挖法，采用小断面多台阶开挖，沉降小，防水效果好，工期短，无临时支护，造价低。

4.3 方案优缺点分析和确定

1)以堵为主的方案优缺点分析。a.优点：洞内通过超前预注浆及φ108管棚可以在拱部一定范围内形成具备一定刚度的承载拱，提高拱顶附近围岩的抗剪强度，此法可以作为堵水和防止拱顶崩落的对策。b.缺点:由于洞内注浆由低向高压浆，超前预注浆属于完全被动式注浆，注浆范围有限，而且超前预注浆的每一循环注浆长度为30 m，外插角及注浆效果难以控制，特别是针对第三系全风化砂岩，密实度大，注浆难度大；洞内作业空间有限，施工作业难度大；钻孔及注浆处理时间长，超前预注浆一循环的施工需10 d左右，其中钻孔需7 d左右，注浆须3 d左右，对铺渣节点工期有较大影响；由于注浆效果难以控制，掌子面开挖后全风化砂岩夹带泥岩遇水软化呈流塑性，变形加剧，三台阶临时仰拱难以落在稳固的基底上，横向钢支撑扰动较大，大大制约了横向收敛的作用。

2)以排为主的方案优缺点分析。a.优点：拱部预留超前引水管，对富水围岩进行排水泄压，降低流砂地层的流塑性，增强了围岩自身稳定性，降低了开挖过程中发生流砂溜塌的风险；超前管棚刚度大，超前小导管操作简便灵活，易于调整，超前支护采用φ89超前大管棚及φ42超前小导管联合支护方式，管棚长度为10 m一环，外插角为5°～10°；鉴于掌子面为强～全风化砂岩，且为富水地层，工程地质差，大断面开挖易造成坍塌风险，三台阶七步开挖法开挖断面小，易于封闭成环。b.以排为主的施工方案缺点：柔性较大，施工对引水要求高，能否将富水围岩中的集水排出，是整个施工方案的关键。

3)最终方案确定。通过对工程重难点分析及方案的优缺点的分析，采用以排为主的施工方案。

4.4 主要施工技术及措施

1)超前引水管设置。沿拱部140°设超前排水管，排水孔位置根据出水点水量和水压布置，孔深15 m，外插角12°，环向间距为2 m，排水管采用φ89 mm壁厚5 mm的热轧无缝钢花管，钢管上设8 mm～10 mm透水孔，孔间距5 cm，梅花形布置,为防止流砂堵塞，开孔完毕后在钢管外侧套一层土工布作为防砂透水膜。与超前管棚施作时同步，遇到局部塌孔阻力时采用钻机顶入，安装到位后封闭管口土体和钢管空隙，掌子面及松散体的自由水通过透水膜渗入管内排出。

2)超前支护。考虑到超前预注浆施工难度大，外插角及注浆效果难以控制的客观现象存在，同时考虑到超前管棚刚度大，超前小导管操作简便灵活，易于调整，最终决定DK144+274～DK144+084掌子面开挖，超前支护采用φ89超前大管棚及φ42超前小导管联合支护方式，设计参数如下：

a.洞身超前管棚设计参数。管棚长度为10 m，环向间距为0.4 m，纵向搭接长度为3 m，每环共47根；钢管规格：热轧无缝钢管及钢花管，外径89 mm，壁厚5 mm；编号为单数号者采用钢花管，施工前先打设钢花管并注浆，然后打设钢管，以便检查钢花管的注浆质量；倾角：外插角不大于12°，具体可根据实际情况作调整；钢管施工误差：径向不大于20 cm，相邻钢管之间环向不大于10 cm。b.超前小导管设计参数。超前小导管长度为3 m，环向间距为0.4 m，纵向间距为1 m，每环共44根；材料：钢管采用外径42 mm、厚3.5 mm的热轧无缝钢管，钢管前端做成尖锥状，尾部焊上箍筋；外插角：5°～15°。由于DK144+274处掌子面为坍塌松散体，流塑性大，坍塌体如不进行加固处理，开挖时易再次造成滑塌，考虑到施工作业安全，遂对掌子面上导进行注浆加固处理。

设计参数：中隔墙部位采用φ89钢花管，长度为10 m，竖向间距为0.4 m，共6根；掌子面其余部位采用φ42钢花管，长度为6 m，间距为2 m×2 m，梅花形布置。

3)掌子面加固。由于掌子面围岩流塑性大，不进行加固处理，开挖时易造成滑塌，考虑到施工作业安全，遂对掌子面核心土部位进行注浆加固处理。施工设计参数：

a.中隔墙部位采用φ89钢花管，长度为10 m，竖向间距为0.4 m，共6根；b.掌子面其余部位采用φ42钢花管，长度为6 m，间距为2 m×2 m，梅花形布置；c.注浆材料为水泥—水玻璃双液浆，浆液配合比为：水泥∶水玻璃∶水=1∶0.67∶1.22，注浆压力为0.5 MPa～1.5 MPa，施工中根据现场注浆试验情况进行调整完善。

4)施工工法。鉴于掌子面为强～全风化砂岩，且为富水地层，工程地质差，大断面开挖易造成坍塌风险，施工工法由三台阶临时仰拱法优化为三台阶七步开挖法。

5)监控量测及预留变形量设置。施工中，考虑到此软弱围岩地带沉降量较大，根据相邻隧道施工情况，Ⅴ级预留变形量定为10 cm～15 cm，Ⅵ级预留变形量定为15 cm～25 cm，以免造成二次衬砌厚度不足。施工中根据实际地质条件和量测数据结果，适当调整预留变形量，确保衬砌结构厚度满足设计要求。

5 结语

1)实施效果。通过对涌水流砂地段的引排水处理和一系列的超前加固处理，高松树隧道涌水流砂带施工得到了有效的控制，效果良好，通过超前引水管的提前排水处理，提高了砂岩的自稳性，洞身超前管棚和超前小导管向流砂层注浆施工，提高了砂岩的粘聚力和岩层的内摩擦角，增强了隧道围岩的稳定性，提高了掌子面施工安全系数。

2)施工体会。a.针对高松树隧道强～全风化砂岩遇水呈流塑状的特征，易坍塌，通过设超前引水管，形成以排为主、防排结合、多道防线、刚柔相济的处理方法，极大的降低了涌水流砂现象的发生，效果显著。b.地表裂隙水对浅埋段软弱围岩容易产生侵蚀、软化作用，因此，在雨季施工时，做好地表水的防排水工作十分重要。c.对涌水流砂地层段隧道施工时，预留超前引水管进行引排水是增强围岩自身稳定性的关键，φ89超前管棚及φ42超前小导管支护措施是隧道安全施工和变形控制的重点，掌子面松散体预加固处理和三台阶七步开挖法是隧道正常施工的保证。d.对于软弱围岩，其超前支护措施尤其重要。在支护钻孔或开挖过程中发现渗水或涌水情况时，必须暂停施工，查明原因并进行引排水处理后方可进行施工，切勿盲目施工。

[1] 关宝树，赵 勇.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2] 丁文其，杨林德.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 中华人民共和国铁道部．高速铁路隧道工程施工技术指南[S].

[4] 中华人民共和国铁道部.高速铁路隧道工程施工验收规范[S].

On construction techniques of water and quicksand stratum of tunnels in severe cold areas

Yang Xuefeng

(ChinaArchitecturalCivilConstructionCo.,Ltd,Beijing100070,China)

According to the important and difficult points in the water and quicksand stratum of Gaosongshu Tunnel, the paper points out the block-oriented and drainage-oriented construction schemes, selects the former one by comparing their advantages and disadvantages, and illustrates the construction measures, so as to ensure the construction quality and safety.

tunnel, water and quicksand stratum, advanced support, tunnel face

1009-6825(2016)18-0148-02

2016-04-13

杨雪峰(1977- )，男，工程师

U453.61

A