黃土隧道淺埋富水段施工技術(shù)方案 - 圖文-

1、黃土隧道淺埋富水段施工技術(shù)摘要:介紹山西中南鐵路通道石樓隧道穿越河溝所遇到的淺埋富水地質(zhì)所采用的施工方法及采取的措施,成功地解決了淺埋暗挖軟弱地層區(qū)間隧道施工技術(shù)難題,所采用的超前降低洞內(nèi)水位及超前旋噴樁防水,克服了富水軟弱地層施工技術(shù)難題。利用淺埋段薄覆蓋層的特點解決了洞內(nèi)二次供電問題及洞內(nèi)排水問題,成功的節(jié)約了高壓進(jìn)洞和掌子面往洞口排水的成本。為以后類似工程的施工提供了參考。關(guān)鍵詞:隧道富水淺埋超前降排水旋噴樁防水薄覆蓋層引言伴隨著20世紀(jì)世界科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運輸、水利、水電、采掘,特別是城市地下交通及空間利用等,對隧道工程在數(shù)量和難度上提出了更高的要求。大規(guī)模的地下工程建設(shè)促

2、進(jìn)了隧道修建技術(shù)的進(jìn)步。縱觀當(dāng)今國內(nèi)外交通隧道的發(fā)展,有個非常明顯的趨勢:即隧道越修越長,應(yīng)用的場合越來越廣,而且以隧道方式為多用和跨越水域的例子越來越多。這是經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,對交通運輸提出了更高要求的必然結(jié)果。由于黃土獨特的節(jié)理和構(gòu)造特征及其濕陷型,隨著大量黃土隧道的修建,黃土隧道成了近年來隧道施工研究的重點和難點,本論文通過一個成功的案例對黃土隧道的富水淺埋段施工做出一個可行的施工方案。1.工程概況石樓隧道位于山西省呂梁市石樓縣與隰縣境內(nèi),為黃土高原丘陵地貌,地形起伏較大,隧道最大埋深約為252m,最小埋深3.6m。本隧道為單洞雙線隧道,直線段線間距為4.0m。隧道進(jìn)口里程為DK221+4

3、15,出口里程為DK234+225,全長12810m。其中DK232+990DK232+920段位于隰縣城南鄉(xiāng)坊底村的一個溝谷內(nèi),溝谷內(nèi)常年積、流水,形成較厚淤積層,隧址區(qū)土體含水均處于飽和狀態(tài),洞頂埋深3.610.4m不等,并于DK232+931處下穿河溝最大富水段,于DK233+000處下穿鄉(xiāng)村道路,線路左側(cè)(河溝下游約150m處是杜家塔1#淤積主干壩(壩體長81m,高14m,頂面寬7m,底面寬35m,對隧道施工造成了極大的困難和安全施工隱患。圖1:埋深縱斷面圖及現(xiàn)場地貌。 圖1 埋深縱斷面圖及現(xiàn)場地貌2.技術(shù)難點及方案的選擇2.1.施工技術(shù)難點該地段主要土質(zhì)為老黃土,河溝常年有流水,底部

4、主要為淤泥與河卵石,無穩(wěn)定性,易塌方,地下水豐富,施工期間降雨充沛,地下水補給充足,因而,地下水的控制顯得非常重要且極為困難。黃土地層軟弱,穩(wěn)定性受水影響較大。隧道開挖后周邊圍巖在自重應(yīng)力的作用下松弛變形, 控制不好易產(chǎn)生變形坍塌。施工時,必須采取嚴(yán)格措施控制,防止產(chǎn)生大的變形及坍塌。2.2.施工方案的比選根據(jù)黃土的特性及現(xiàn)場實際情況,在收集國內(nèi)類似工程施工方案的基礎(chǔ)上,結(jié)合施工圖設(shè)計初步確定兩個施工方案:一為半明挖揭蓋法施工,即將拱頂覆蓋土按1:0.75坡率開挖至上、中臺階接頭處并留出一個2m施工平臺,并按照拱部設(shè)計形狀人工修筑土模,在土模上立架,用混凝土塊固定拱架、噴砼支護(hù)并留出拱角接頭處

5、。正洞施工時,采用三臺階七步法施工,上臺階開挖出來后,只需把凸凹處補噴平整,中臺階拱架與上臺階拱架露出的接頭處連接,下臺階正常施工,襯砌采用鋼筋混凝土,待襯砌施工完畢后,拱頂原地面回填覆蓋土。二為超前進(jìn)行洞內(nèi)降水及地表處理,采用三臺階七步法安挖施工。考慮淺埋段施工時期為6月至7月,正為隰縣每年的雨季,以及明挖法增加的土方開挖量,選擇成本相對低廉、風(fēng)險較小的暗挖法。3.主要施工方法整體施工方案包括:地表水預(yù)處理旋噴樁注漿防水大口井超前洞內(nèi)降水地表注漿處理超前支護(hù)開挖支護(hù)仰拱襯砌地表沉降及洞內(nèi)收斂觀測。3.1.地表水預(yù)處理DK232+931處河溝雖然水流不大,但常年流水,為避免淺埋段地表水從洞頂直

6、接流淌過,在線路右側(cè)約50m沖溝的下游筑攔水壩,攔截河溝及沖溝內(nèi)地表水,并在攔水壩上游(沖溝口處設(shè)集水井,集水井內(nèi)設(shè)水泵,將水引排至線路左側(cè)。在線路左側(cè)約40m沖溝的上游筑攔水壩,避免下游水滿倒流至隧址區(qū)。兩處攔水壩之間地表水利用水泵引排至左側(cè)攔水壩下游。最后,所有地表水利用杜家塌1#主干壩排水設(shè)施排走。圖2 施工前排水、攔水示意圖。 圖2 施工前排水、攔水示意圖3.2.旋噴樁施工旋噴樁是利用鉆機(jī)將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設(shè)計高程,將預(yù)先配制好的漿液通過高壓發(fā)生裝置使液流獲得巨大能量后,從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來,形成一股能量高度集中的液流,直接破壞土體,噴射過程中,鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升,使

7、漿液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?在土中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體,從而達(dá)到地基加固和防水效果。施工中一般分為兩個工作流程,即先鉆后噴,再下鉆噴射,然后提升攪拌,保證每米樁漿土比例和質(zhì)量。在隧道中線兩側(cè)各9m處施做600mm的高壓旋噴樁,相鄰樁咬合20cm,做成止水帷幕。樁長根據(jù)地表地形情況確定,保證樁底標(biāo)高低于隧底標(biāo)高4m。具體見圖3平面布置圖及圖4縱斷面圖。3.2.1.旋噴樁施工要求(1設(shè)計樁徑: 60cm,相鄰兩樁咬合20cm。(2高壓泥漿壓力:2328Mpa(3提升速度:2025cm/min(4旋轉(zhuǎn)速度:約為20r/min 圖3 旋噴樁平面布置圖 圖4 旋噴樁縱斷面圖(5水灰比:1:13.2.2.

8、旋噴樁施工流程定位鉆機(jī)成孔旋噴機(jī)就位(設(shè)備調(diào)試下旋噴管配送漿液旋噴提升泥漿外排清洗機(jī)具新孔就位。見圖5 旋噴樁施工工藝流程圖。 圖5 旋噴樁施工工藝流程圖3.2.3.旋噴樁操作步驟(1定位:現(xiàn)場技術(shù)人員按施工圖及現(xiàn)場實際情況放樣,并做好明確標(biāo)志,確保旋噴樁機(jī)定位準(zhǔn)確。(2噴射注漿前以鉆機(jī)成孔,各樁成孔深度大于設(shè)計深度0.5m,成孔時鉆機(jī)機(jī)架墊平,鉆機(jī)保持垂直錘頭和鋼絲繩地面,成孔垂直度1%.(3噴注作業(yè)。(4旋噴機(jī)架就位,噴管位于自然懸吊狀態(tài)時噴管中心對準(zhǔn)孔心,偏差不得大于二分之一孔徑(成孔孔徑,保證下管、提升及旋噴注漿的順利進(jìn)行。(5下噴管前先檢驗噴漿口是否完好暢通,再做噴漿試驗,當(dāng)漿壓符合

9、設(shè)計時方可下噴管。(6噴管下至設(shè)計深度10cm時,開始拌送水泥漿,待達(dá)到設(shè)計參數(shù),孔口冒漿正常后,再開始旋噴提升。(7噴注中若遇故障等特殊情況,噴管須下降10cm才能繼續(xù)噴注,以保證旋噴加固的豎直連續(xù)性。(8噴注作業(yè)時,做好已噴鄰樁的補漿回灌工作,保證加固后的樁頂標(biāo)高,同時施工中必須及時做好廢漿處理工作。3.3.大口井超前洞內(nèi)降水在隧道中線位置上,每間隔14m做一個200cm的大口井降水,井底標(biāo)高低于隧底標(biāo)高3m,降水井下200PVC管護(hù)壁,并在PVC管上打孔便于排水,在每個降水井里面?zhèn)€設(shè)置一個潛水泵抽水。圖6 大口井平面布置圖。 圖6 大口井平面布置圖潛水泵在安裝前,對水泵本身和控制系統(tǒng)作一

10、次全面細(xì)致的檢查。檢驗電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,各部位螺栓是否擰緊,潤滑油是否加足,電纜接頭的封口有無松動,電纜線有無破壞折斷等情況,然后在地面上轉(zhuǎn)35min,如無問題,方可放入井中使用。深井內(nèi)安設(shè)潛水電泵,可用繩吊入濾水層部位,帶吸水鋼管的應(yīng)用吊車放入,上部與井管口固定。設(shè)置深井泵的電動機(jī)座應(yīng)安設(shè)平穩(wěn),轉(zhuǎn)向嚴(yán)禁逆轉(zhuǎn)(設(shè)有逆止閥,防止轉(zhuǎn)動軸解體。潛水電動機(jī)、電纜及接頭必須有可靠的絕緣,每臺泵配置一個控制開關(guān)。主電源線路沿深井排水管路設(shè)置。安裝完畢應(yīng)進(jìn)行試抽水,滿足要求后始轉(zhuǎn)入正常工作。潛水泵用鋼絲繩吊放。安裝并接通電源,鋪設(shè)電纜和電閘箱,做到單井單控電源,并安裝時間水位繼電自動抽水裝置和漏電保護(hù)系統(tǒng)。

11、井口地面以下2m范圍內(nèi)用粘性土回填壓實,井管要高出地面0.3m,并在周圍立顯著標(biāo)志和加井蓋予以保護(hù)。3.4.地表注漿處理洞身大口井進(jìn)行降水施工后,洞頂土體內(nèi)的含水將下滲,原有土體會呈現(xiàn)松散狀態(tài),土體間黏聚性大大降低,土體應(yīng)力出現(xiàn)不規(guī)則分布,對洞身施工造成安全隱患,為確保施工安全,對地表土體進(jìn)行注漿處理,打設(shè)42小導(dǎo)管,L=4.5m,灌注水泥單液漿進(jìn)行地表加固。注漿材料:水泥單液漿,水灰質(zhì)量比為1:1。注漿參數(shù):孔距3m;漿液擴(kuò)散半徑2m;注漿壓力:初壓0.2Mpa0.5Mpa,終壓2Mpa3Mpa。注漿順序:注漿時先灌注最外兩排孔,然后依次向內(nèi)推進(jìn)。每排注漿孔中,先灌注兩端的孔,然后間隔交錯灌

12、注。3.5.超前支護(hù)為確保汛期施工安全,DK232+965DK232+920段施工增加89管棚,拱部1400范圍內(nèi)設(shè)置,環(huán)向間距3根/m。管棚采用熱軋無縫鋼管,施工內(nèi)容主要包括封閉開挖面、設(shè)鉆機(jī)平臺、測定孔位、鉆孔、鉆機(jī)退出、安設(shè)無縫鋼管,必要時注漿封孔等工序施工中拱部1400范圍內(nèi)設(shè)置42小導(dǎo)管,L=5.0m,環(huán)向間距3根/m,每1.5m施作一環(huán),每環(huán)39根。小導(dǎo)管采用雙層熱軋無縫鋼管,前端加工成錐形,以便插打,并防止?jié){液前沖。3.6.開挖支護(hù)3.6.1.開挖 圖7 超前小導(dǎo)管平面示意圖淺埋段開挖采用三臺階七步法,三臺階七步開挖法是以弧形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土為基本模式,分上中下三個臺階七個開挖

13、面,各部位的開挖與支護(hù)采用沿隧道縱向錯開、平行推進(jìn)的隧道施工方法。(1工藝特點施工空間大,方便機(jī)械化施工,可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質(zhì)地段可以采用挖掘機(jī)直接開挖,工效較高。在地質(zhì)條件發(fā)生變化時,便于靈活、及時地轉(zhuǎn)換施工工序,調(diào)整施工方法。適應(yīng)不同跨度和多種斷面形式,初期支護(hù)工序操作便捷。在臺階法開挖的基礎(chǔ)上,預(yù)留核心土,左右錯開開挖,利于開挖工作面穩(wěn)定。當(dāng)圍巖變形較大或突變時,在保證安全和滿足凈空要求的前提下,可盡快調(diào)整閉合時間。(2施工要求三臺階七步開挖法施工應(yīng)符合下列要求:以機(jī)械開挖為主,必要時輔以弱爆破?；⌒螌?dǎo)坑沿開挖輪廓線環(huán)向開挖,預(yù)留核心土,開挖后及時支護(hù)。其他分步平行開挖,

14、平行施做初期支護(hù),各分部初期支護(hù)銜接緊密,及時封閉成環(huán)。仰拱緊跟下臺階,及時閉合構(gòu)成穩(wěn)固的支護(hù)體系。施工過程通過監(jiān)控量測,掌握圍巖和支護(hù)的變形情況,及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)和預(yù)留變形量,保證施工安全。完善洞內(nèi)臨時防排水系統(tǒng),防止地下水浸泡拱墻腳基礎(chǔ)。(3三臺階七步開挖法施工工藝三臺階七步開挖法可分為以下主要步驟:第1步,上部弧形導(dǎo)坑開挖:在拱部超前支護(hù)后進(jìn)行,環(huán)向開挖上部弧形導(dǎo)坑,預(yù)留核心土,核心土長度為35 m,寬度為隧道開挖寬度的1/31/2。開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5m;開挖高度為3.1 m,開挖后立即初噴35cm砼。上臺階開挖矢跨比大于0.3,開挖后及時進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù),架設(shè)鋼架,拱架腳墊

15、C25預(yù)制混凝土塊(503510cm,在鋼架拱腳以上30cm高度處,緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30打設(shè)鎖腳錨桿,拱腳錨桿和鋼架牢固焊接,復(fù)噴砼至設(shè)計厚度。第2、3步,左右側(cè)中臺階開挖:開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m;開挖高度為3.66m,左右側(cè)臺階錯開23m,開挖后立即初噴35cm砼,及時進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù),接長鋼架,在鋼架拱腳以上30cm高度處,緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30打設(shè)鎖腳錨桿,拱腳錨桿和鋼架牢固焊接,復(fù)噴砼至設(shè)計厚度。第4、5步,左右側(cè)下臺階開挖:開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m;,開挖高度一般為3.04m,左右側(cè)臺階錯開23m,開挖后立即初噴35cm砼,及時進(jìn)行噴、錨、網(wǎng)系統(tǒng)支護(hù),接

16、長鋼架,在鋼架拱腳以上30cm高度處,緊貼鋼架兩側(cè)邊沿按下傾角30打設(shè)鎖腳錨桿,拱腳錨桿和鋼架牢固焊接,復(fù)噴砼至設(shè)計厚度。第6步,開挖上下臺階預(yù)留核心土,開挖后及時進(jìn)行隧底開挖。第7步,隧底開挖:每循環(huán)開挖進(jìn)尺長度宜為12m,開挖后及時施作仰拱初期支護(hù),完成隧底開挖、支護(hù)循環(huán)后,及時施作仰拱,仰拱分段長度為46m。施工分部如圖8 三臺階法施工工序透視圖。3.6.2支護(hù)為保護(hù)圍巖的天然承載力,隧道支護(hù)應(yīng)盡快施做,DK232+990DK232+965原設(shè)計為V級加強A型,初期支護(hù)采用HW175型鋼支撐,間距0.5m/榀,砂漿錨桿L=5m,開挖完畢后立即噴射30cm厚C30早強混凝土, DK232+

17、965DK232+920 圖 8 三臺階開挖施工工序透視圖原設(shè)計為V級加強,初期支護(hù)采用I20a型鋼支撐,間距0.75m/榀,系統(tǒng)錨桿L=3.5m,間距0.75*0.75(環(huán)*縱,鋼筋網(wǎng)為8*8,間距20*20(環(huán)*縱,C25噴射混凝土厚度為25cm,初期支護(hù)開挖后立即施做,以保護(hù)圍巖的自穩(wěn)能力。圖 9 V級加強A型復(fù)合襯砌斷面圖3.7.仰拱襯砌施工仰拱及襯砌按照設(shè)計采用C35鋼筋混凝土施工,具體注意事項如下:1、隧底開挖采用全副分段施工,上面鋪設(shè)仰拱棧橋,每循環(huán)開挖長度控制在2-3榀。2、隧底開挖后,應(yīng)及時清除虛碴、雜物、泥漿、積水,立即初噴3-5cm厚混凝土封閉巖面,按照設(shè)計要求安裝仰拱鋼

18、架,復(fù)噴射混凝土至設(shè)計厚度,使初期支護(hù)及時閉合成環(huán)。3、仰拱應(yīng)超前拱墻襯砌,每循環(huán)澆注長度宜為4-6m,仰拱采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土分段全幅澆注,一次成型,不留縱向施工縫,仰拱施工縫和變形縫應(yīng)設(shè)置止水帶。仰拱表面應(yīng)平順,無積水。4、仰拱填充混凝土應(yīng)在仰拱混凝土終凝后澆注,澆筑前應(yīng)清除仰拱表面的雜物和積水,連續(xù)澆筑,一次成型,不留縱向施工縫。填充混凝土強度達(dá)到5Mpa后允許行人通行,仰拱填充表面坡度應(yīng)符合設(shè)計要求,達(dá)到平順,排水通暢,無積水的效果。5.應(yīng)縮短仰拱到開挖面的距離,必要時仰拱跟至下臺階,二襯亦應(yīng)緊跟掌子面;3.8.監(jiān)控量測技術(shù)為保證施工安全,施工中必須進(jìn)行施工監(jiān)測工作,信息化

19、施工; 同時,監(jiān)測信息能及時了解圍巖穩(wěn)定情況,支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況,及時修改施工參數(shù)及支護(hù)參數(shù),切實保證施工安全。地表量測:在隧道中線上每隔5m布設(shè)一個沉降觀測點,在淺埋段施工中每天對地表進(jìn)行觀測,以便及時掌握淺埋段隧道施工中存在的安全隱患。洞內(nèi)周邊位移和拱頂下沉觀察:通過對拱頂下沉及周邊收斂的量測所得變形量分析,來判定隧道的穩(wěn)定情況。洞內(nèi)5m布置一個量測斷面,一斷面內(nèi)的拱頂、起拱線及墻腳以上1m 處,各布置一組測點。采用水準(zhǔn)儀量測拱頂下沉,周邊收斂儀量測側(cè)壁位移量。洞內(nèi)斷面量測點布置如圖10。4.二次供電及洞內(nèi)排水隧道施工至淺埋段,距離洞口已經(jīng)1200m,洞口處設(shè)置的630KVA變壓器已不能滿足洞內(nèi)施工電力要求,考慮到高壓進(jìn)度成本過高,在DK232+984右側(cè)25m處原地面設(shè)置了一 圖 10 三臺階開挖法圍巖量測布點示意圖個315KVA變壓器,一方面供地面抽水、注漿