不同涌水量大小流砂地层隧道施工工法及工艺选择研究

罗培新

摘要：通过对不同涌水量研究，总结出了一套适用于不同涌水量情况下的加固措施。涌水量在0 - 100 m³/d时，采用超前小导管进行超前加固处理+三台阶七步开挖法;涌水量在100 - 500 m³/d时，采用超前小导管+帷幕注浆+三台阶七步开挖法;涌水量在500 - 800 m³/d时，采用超前小导管+水平旋喷桩加固+竖向旋喷桩+三台阶临时仰拱法;涌水量为800 -1 200 m³d，采用超前小导管进行超前加固处理+真空负压降水+CRD法。

关键词：不同涌水量;流砂地层;超前小导管;三台阶七步开挖法

中图分类号：U455

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.004

某隧道主要地质条件为第三系棕红色粉细砂岩，细粒结构，泥质胶结为主，胶结程度差，开挖后多呈砂状，在水的作用下，易发生塑性流变，掌子面时有坍塌。对这种地层加固技术中国国内外已有相当多的研究，但对于流沙地层的研究较少，可参考资料不多，加固技术主要有超前小导管注浆支护、超前大管棚支护、全断面帷幕注浆、高压旋喷桩等[1-3]，还没有形成统一的规律，因此针对某隧道关键技术施工中对不同涌水量阶段所采用的施工工法及工艺进行了研究。本研究不仅在学术上具有重要意义，其研究成果还可以为未来类似工程施工提供理论基础和技术储备，对于安全施工、缩短施工周期、节省工程造价等也具有重要的应用价值[4-6]。

1 不同涌水量大小流砂地层工法选择与应用

流砂隧道施工中发生塌方的情况较多，特别是全风化砂岩及地下水丰富地段，随着隧道出水点逐渐抬升，涌水量不断增加，围岩条件越来越差，开挖扰动后中下导断面前方多形成饱和、松散砂层[7-11]，拱顶及两侧边墙砂岩随渗水流出局部形成空洞，并且初支变形严重，由此可看出制约本隧道工法选择的主要原因为涌水量的大小，因此根据涌水量的大小，选择了三种施工工法，分别为短三台阶七步开挖法、三台阶临时仰拱法、CRD（交叉中隔壁）法，下面就三种工法的在施工中的适用范围进行阐述。

1.1 三台阶七步开挖法

三台阶七步开挖法是在隧道开挖过程中，以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，将隧道断面分为上、中、下三个台阶七个工作面，以前后七个不同的位置相互错开同时开挖和支护，形成支护整体闭合成环，缩小作业循环，逐步向纵深推进的作业方法。根据现场实际结果显示，本施工方法适用于出水量范围在0 - 500 m³/d之间。

1.2 三台阶临时仰拱法

隧道施工至DK5+585时全断面进入富含水全风化砂岩中，出水量逐步增大，通过监控量测数据显示，围岩收敛量明显加大，施工过程中出现坍塌、围岩两帮突变，并出现涌水涌砂现象，三台阶七步法已不能满足施工需求。当前主要解决围岩收敛变形，CRD（交叉中隔壁）法虽能有效控制围岩的变形和保证隧道的稳定，但由于CRD（交叉中隔壁）法支撑和拆除都比较烦琐，结合本隧道现场实际情况，经过研究讨论，最终研究决定采用三台阶临时仰拱法开挖施工，此工法应用于本隧道涌水量在500 - 800 m³/d时。变换施工工法前后分别取三个断面进行比较，围岩收敛数据对比和拱顶沉降数据对比分别如表1、表2所示。

1.3 CRD（交叉中隔壁）法施工技术

随着隧道继续开挖，涌水量逐渐增大，最小涌水量为800 m³/d，最大涌水量达到1 200 m³/d，上台阶开挖过程中边墙、拱顶出现大面积股状涌水，胶结松散的砂岩塌落随着水流涌出，在此种情况下核心土已很难保留，仰拱处出现沙沸现象，加之开挖断面相对较大，支护困难，施工进度缓慢，另外监控两侧数据也显示围岩拱顶沉降量明显增大，存在较大的安全隐患。 为解决现场的施工难题，经专家会讨论确定当前开挖工法采取CRD（交叉中隔壁）法。变换施工工法前后分别取三个断面进行比较，围岩收敛数据对比和拱顶沉降数据对比分别如表3、表4所示。

2 不同涌水量大小流砂地層工艺选择与应用

随着隧道不断向前推进，涌水量大小发生明显的变化，为加强隧道围岩稳定性，针对不同涌水量地段，总结出了超前小导管、帷幕注浆、水平旋喷桩和竖向旋喷桩加固措施的使用范围。下面对具体实施情况进行说明。

2.1 超前小导管在流砂地层的应用

由于本隧道属于流砂地层，因此小导管施工进行超前加固贯穿于隧道施工的全过程，主要是为了限制前方地层松动变形，增强围岩的力学性质，提高围岩的自稳能力。

随着隧道不断施工，围岩地质复杂多变，在DK5+520 -DK5+540段内涌水量在100 - 500 m³/d之间，单独采用超前小导管进行加固难以满足施工需要，出现了局部坍塌的现象，如图1所示。根据现场情况，涌水量在100 - 500 m³/d时，采用帷幕注浆和超前小导管支护措施同时配合三台阶法进行隧道施工。

根据注浆扩散半径计算，孔距为0.4 - 0.8 m，注浆孔深15 m，向外辐射角度10。-25。，注浆孔直径φ25 cm，浆液扩散半径：0.4 - 0.6m，浆液凝结时间：20 s - 30 min，注浆压力0.5 - 4.0 MPa（塌方体、岩体松散等地段终压采用低压力0.3 MPa进行注浆，正常密实段终压最大取4.0 MPa，挖循环段长12 m，留止浆盘段长3m，掌子面采用C25网喷混凝土或C20混凝土进行全封闭，厚度50 - 100 cm。

在流沙地层施工中，通过帷幕注浆堵水效果较好，在隧道开挖后，围岩裂隙间浆液填充密实，围岩整体稳定性明显提高，堵水效果显著。帷幕注浆掌子面如图2所示。

2.2 水平旋喷桩在流砂地层的应用

随着隧道施工的不断推进，施工至DK5+585时，涌水量达到500 m³/d，隧道内明显出现涌水涌砂的现象，如图3所示。出水的压力明显加大，帷幕注浆由于其注浆压力小，影响范围小，加固措施无法止住涌水涌沙，导致掌子面前方出现空洞，边墙甚至导致大面积塌方，经过研究，最终确定采用超前小导管以及水平旋喷桩加固措施，同时采用双层临时仰拱施工工法。

水平旋喷预支护是在不良地质隧道工作面前方，沿隧道开挖外轮廓线钻孔，达到预定深度后，边后退边高压旋喷注浆，相邻的旋喷固结体相互搭接咬合形成旋喷拱棚，达到堵水效果，如图4所示。

2.3 竖向旋喷桩在流砂地层的应用

随着隧道施工不断推进，涌水量不断增大，在DK5+585 - DK5+675段涌水量大于500 - 800 m³/d，仰拱施工出现沙沸，大股从底部及侧面突涌，对此经研究决定边墙采用竖向旋喷桩加固，隧顶采用超前小导管支护，掌子面采取真空负压降水措施，同时采用双层临时仰拱的开挖方法。

单管法旋喷是一种浆液灌注搅拌喷射的方法，即用喷嘴将水泥浆低压力喷射注入到被切割、搅拌的地基中，使水泥浆与土混合达到加固目的，其加固直径达500 - 600 mm。

现场旋喷试验完成后，开挖施作段未产生涌水涌砂现象，加固固结效果良好，有效加快边墙困难段施工进度，月成洞进尺在25-30m，竖向旋喷桩效果如图5所示。

3 结论

通过对开挖工法的研究得出，相同地质条件、不同涌水量下使用不同的开挖工法可以有效控制围岩变形，本隧道涌水量为0 - 500 m³/d，适用三台阶七步开挖法;涌水量为500 - 800 m³/d，适用三台阶临时仰拱法;涌水量为800 -1 200 m³/d，适用CRD法。

通过对不同涌水量的研究，总结出了一套适用于不同涌水量大小情况下的加固措施。涌水量在0 - 100 m³/d时，采用超前小导管进行超前加固处理;涌水量在100 - 500 m³/d时，采用超前小导管及帷幕注浆方法效果良好;涌水量在500 - 800 m³/d时，掌子面采用超前小导管及水平旋噴桩加固方法，边墙采用竖向旋喷桩加固效果明显;超过此涌水量时，采取强堵措施便显得捉襟见肘。

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