弱膠結(jié)砂巖黃土隧道建設技術方法

1、2017年10月弱膠結(jié)砂巖黃土隧道建設技術方法報告人：朱永全 周曄石家莊鐵道大學 中鐵十九局一、鐵路隧道突水涌泥地質(zhì)災害典型事故簡介內(nèi)容提要一、前言二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì) 三、施工方法試驗與選擇 四、洞內(nèi)外施工降水技術 五、超前圍巖加固關鍵技術六、結(jié)語一、 前 言 蘭渝鐵路是西南西北之間最便捷、快速的通道。 北起甘肅省蘭州市樞紐，經(jīng)渭源、岷縣、宕昌縣、隴南市（武都區(qū)），經(jīng)過陜西省寧強縣進入四川省，經(jīng)廣元市、蒼溪縣、閬中市、南部縣、南充市（順慶區(qū)）、武勝縣至重慶市合川，北碚。1.蘭渝鐵路概況一、 前 言 胡麻嶺隧道是蘭渝鐵路的關鍵性工程，位于甘肅省定西市境內(nèi)，全長13611m，設計為客貨共

2、線雙層集裝箱，開通時速200km/h，為雙線大斷面隧道，開挖斷面135m2。2.胡麻嶺隧道概況200km/h雙線隧道斷面一、 前 言 隧道原設計地質(zhì)以砂巖為主，原設計有4座斜井，因工期滿足不了要求，先后增加了5號、7號、8號三個輔助坑道。2.胡麻嶺隧道概況一、 前 言 其中3#、4#斜井在施工中遇到了前所未見的第三系弱膠結(jié)飽和粉細砂巖地層，其成分以石英為主，呈黃色、桔黃色，粉細粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)弱膠結(jié)，局部夾有礫巖薄層，成巖作用極差，屬極軟巖。2.胡麻嶺隧道概況一、前 言 第三系砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州地區(qū)除新城盆地（河口、新城一帶）基底為白堊系地層外，榆中（定遠）、

3、城關、七里河、安寧堡及西固盆地，下伏基巖均為第三系紅色砂巖或碎屑巖類，在地貌上多表現(xiàn)為黃土梁峁和河谷階地上覆風積和沖洪積黃土，下伏第三系泥巖、砂巖及礫巖 。3.第三系砂巖分布概況二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì) 第三系富水粉細砂巖基本物理力學性能：粉細粒結(jié)構(gòu)，極弱膠結(jié)；具有敏感的水穩(wěn)特性；天然含水率大，滲透系數(shù)低；地層的孔隙率較高，細度模數(shù)?。?.50.7）等基本性質(zhì)。1.地層基本性質(zhì)二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì) 地層天然含水率較高，塑限含水率為11.815.6%，液限含水率為32%。地層不同含水率狀態(tài)下性狀變化顯著：天然含水率下的圍巖汗狀滲水；含水率達到11.016%時圍巖呈軟塑狀；含水率達到1

4、6%30%時圍巖呈流塑狀。含水率大于32%呈流砂狀。2.地層的性態(tài)變化二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)含水率達到11.016%時圍巖由固態(tài)向塑態(tài)轉(zhuǎn)變。圍巖開挖后受地下滲流作用，在5-20min內(nèi)產(chǎn)生發(fā)汗性滲水，滲水影響圍巖表面軟化為流泥狀，圍巖受滲水浸泡軟化，巖面持續(xù)層層剝離，開挖及支護施工困難。3.圍巖工程特征（1）圍巖汗狀滲水 汗狀滲水狀態(tài) 二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)含水率達到16%30%時圍巖轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軤?，流塑狀圍巖從掌子面或初期支護背后擠出，可擠出幾十厘米到幾米。3.圍巖工程特征（2）圍巖流塑狀 流塑狀態(tài) 二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)在遇水囊、溶腔、巖溶通道或地下河時，會突然間形成突水、

5、涌砂，造成塌方、支護變形破壞，甚至照成機械設備損壞和人員傷害事故。3.圍巖工程特征（3）圍巖涌砂狀涌水、流沙二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)受施工人員、設備持續(xù)振動和擾動，會產(chǎn)生振動液化現(xiàn)象。造成人員施工困難、設備陷入液化圍巖中無法移動；可導致結(jié)構(gòu)沉陷變形、仰拱開裂。3.圍巖工程特征（4）圍巖易振動液化涌水、流沙三、施工方法試驗與選擇 1 . 盾構(gòu)法方案 (1)胡麻嶺盾構(gòu)所需斷面 擬采用南京過江泥水大盾構(gòu)三、施工方法試驗與選擇 1. 盾構(gòu)法方案 （2）淺埋段（埋深65m ）管片受力分析 （1）管片最大拉應力為3.94MPa， 最大壓應力為12.4MPa。管片最大變形量為17cm，理論上可行。長大山

6、嶺鐵路隧道采用盾構(gòu)法施工的其它影響因素較大，實際采用相當困難。三、施工方法試驗與選擇 1. 盾構(gòu)法方案 (3)神買斷管片受力分析 深埋段實際富水粉細砂厚130m,地表黃土厚70m:根據(jù)計算結(jié)果，管片最大拉應力11.5MPa，最大壓應力45.4MPa。常規(guī)鋼筋混凝土管片從受力變形角度考慮是不可行的。三、施工方法試驗與選擇 1.盾構(gòu)法方案 （4）隧底設超前降水小盾構(gòu)試驗情況 施工中曾在5號斜井工區(qū)正洞重慶方向隧底設超前降水小盾構(gòu)工法試驗，小盾構(gòu)直徑1.5m，施工中小盾構(gòu)因扎頭被卡，試驗失敗。三、施工方法試驗與選擇 2. 凍結(jié)法方案 凍結(jié)帷幕厚度取2.5m，凍結(jié)長度30m 。同樣，富水粉細砂厚度60

7、m淺埋時，盾構(gòu)管片受力變形理論上可行；富水粉細砂厚度達200m深埋時，盾構(gòu)管片受力變形理論上部可行。積極凍結(jié)50天 三、施工方法試驗與選擇 3. 礦山法方案 （1）埋深50m、降水工況理論分析 由計算結(jié)果可知，埋深50m的富水粉細砂地層，通過降水疏干地層后，隧道施工整體最大沉降均為8cm，隧道頂部最大沉降在5cm，所以降水后淺埋段使用礦山法開挖是可行的。 無超前加固時的圍巖塑性區(qū) 1.0m超前加固圈時的圍巖塑性區(qū) 三、施工方法試驗與選擇 3. 礦山法方案 (2)埋深200m（130m厚粉細砂和70m黃土）、不降水工況 從計算結(jié)果來看，在施作3m長360加固圈之后的隧道頂部沉降達到1.6m，底部

8、拱起也達到了1.2m以上，隧道整體沉降最大處達到了將近3m。所以，若隧道頂部200m埋深全部為富水粉細砂，且不降水的情況下，采用礦山法開挖隧道是不可行。(3)埋深200m（130m厚粉細砂和70m黃土）粉細砂、降水施工工況 從結(jié)果可知，130m厚粉細砂和70m黃土地層，在降水和超前加固厚度1.0m條件下，隧道頂部最大沉降在28cm，隧道的最大沉降有40cm，礦山法施工可行。三、施工方法試驗與選擇 3. 礦山法方案 在鐵路大斷面隧道條件下，不僅采用多分部開挖，而且采用降水、圍巖加固多種輔助工法。原因是：富水流坍狀態(tài)的砂層，自身無穩(wěn)定性，開挖擾動后，地層自重將全部作為荷載作用在隧道結(jié)構(gòu)上，因此深厚

9、地層不進行地層改良，現(xiàn)行各種方法的結(jié)構(gòu)都不可行。三、施工方法試驗與選擇 多種方法試驗失敗也說明了該種深厚層富水砂層的特殊性。四、洞內(nèi)外施工降水技術 開挖00.5小時內(nèi)含水率較低，約15%16%左右；0.5小時后含水率開始快速上升，在開挖后1.5小時含水率達到17%，砂巖開始發(fā)生塑性變形，砂巖的穩(wěn)定性變差；1.5小時后含水率繼續(xù)上升，在2.5小時后砂巖達到飽和狀態(tài)，開始發(fā)生流坍。1. 圍巖穩(wěn)定性與含水率的關系粉細砂地層單軸強度與含水率量之間的關系 四、洞內(nèi)外施工降水技術 2. 洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干技術 臺階法斜向和水平真空降水管 不同于一般砂層，該弱膠結(jié)砂巖，滲透性系數(shù)在10-5,洞內(nèi)降水疏干

10、是否困難；埋深大，地面井點降水不僅成本高，而且降水也十分困難。因此，出現(xiàn)了洞內(nèi)外各種降水方式。CRD法斜向和水平真空降水管四、洞內(nèi)外施工降水技術 3. 洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干技術 這是洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干實際情況。四、洞內(nèi)外施工降水技術 4. 低滲透性地層地表深井降水 只有地表井點降水可超前量大，達到長距離提前疏干地層地下水的目的。常用地表井點井深在幾十米，低滲透性地層井點間距小，降水成本高。考慮到該種地層隧道施工的難度，第三系富水粉細砂地層100m以內(nèi)也應是降水方式的首選。四、洞內(nèi)外施工降水技術 4. 低滲透性地層地表深井降水 在低滲透性地層中，本成果成功實現(xiàn)了長區(qū)段、大比量的超深井降水，

11、地表超深井布置在7號豎井蘭州端與5號斜井重慶端之間的嶺脊區(qū)，共設超深井112口，其中孔深100179的69口、孔深180179m的41口、孔深大于200m的2口，最深井208m。 相對于洞內(nèi)各種降水方式，降水效果好、施工綜合成本低，在井點施工技術許可的條件下，特別是遇水囊、溶腔、巖溶通道或地下河時，優(yōu)先選用地表超深井井點降水。 四、洞內(nèi)外施工降水技術 4. 低滲透性地層地表深井降水 洞內(nèi)綜合降水是短距離疏干地下水的易操作方法。由于開挖掌子面自身的滲流作用，上臺階開挖后，下臺階會滲水、隧底會積水，在無地表降水或地表降水效果不好時，洞內(nèi)降水疏干是必要的。因粉細砂地層中的粉粒易堵塞孔眼，降水管時效段

12、，長距離超前降水也是困難的。因此，本工程總結(jié)形成了：洞內(nèi)臺階斜向輕型井點、掌子面超前水平短管真空降水和隧底重力深井負壓降水技術。 因地層滲透性極低，洞內(nèi)綜合降水應在開挖前3d進行；洞外地表重力式深井降水應超前15d進行，方達到預期降水效果。五、超前圍巖加固關鍵技術上半斷面水平旋噴加固 1. 超前水平旋噴高壓注漿加固施工技術 采用樁徑為60cm，樁間距為40cm水平旋噴樁進行預加固，樁長18m，搭接長度5m，旋噴樁內(nèi)置89鋼管，外插角7，旋噴樁開孔位置距離初支外輪廓30cm。五、超前圍巖加固關鍵技術1. 超前水平旋噴高壓注漿加固施工技術 這是一套非常先進的水平旋噴裝備。五、超前圍巖加固關鍵技術全

13、斷面水平旋噴加固 1.超前水平旋噴高壓注漿加固施工技術 這種全斷面水平旋噴加固，掌子面任何部位都可以失穩(wěn)，甚至隧道也需要加固，止水并加固圍巖。加固工程量大，作業(yè)時間非常長。五、超前圍巖加固關鍵技術周邊水平旋噴和掌子面注漿加固 2 .超前水平旋噴注漿和掌子面注漿聯(lián)合加固施工技術 五、超前圍巖加固關鍵技術上半斷面超前帷幕注漿 3. 超前帷幕注漿加固技術 循環(huán)長20m，開挖預留6m止?jié){巖盤，注漿固結(jié)半徑為開挖輪廓線外5m；注漿終壓2.5MPa，擬定注漿擴散半徑1.2米，注漿孔環(huán)向放射狀布置，即起始端上半斷面按5環(huán)間距0.5米布孔，終端孔間距2.0m。 注漿采用水泥單液漿，水灰比（0.81）:1；設計

14、注漿量22.90m357.27m3/延米，實際注漿量根據(jù)現(xiàn)場試驗最終確定。五、超前圍巖加固關鍵技術全斷面超前帷幕注漿 3. 超前帷幕注漿加固技術 循環(huán)長20m，開挖預留6m止?jié){巖盤，注漿固結(jié)半徑為開挖輪廓線外5m；注漿終壓2.5MPa，擬定注漿擴散半徑1.2米，注漿孔環(huán)向放射狀布置。 注漿采用水泥單液漿，水灰比（0.81）:1；設計注漿量45.80m3116.54m3/延米，實際注漿量根據(jù)現(xiàn)場試驗最終確定。五、超前圍巖加固關鍵技術全斷面超前帷幕注漿 3. 超前帷幕注漿加固技術 1. 洞內(nèi)綜合降水是短距離疏干地下水的易操作方法。由于開挖掌子面自身的滲流作用，上臺階開挖后，下臺階會滲水、隧底會積水，在無地表降水或地表降水效果不好時，洞內(nèi)降水疏干是必要的。因粉細砂地層中的粉粒易堵塞孔眼，降水管時效段，長距離超前降水也是困難的。因此，本工程總結(jié)形成了：洞內(nèi)臺階斜向輕型井點、掌子面超前水平短管真空降水和隧底重力深井負壓降水技術。2.因地層滲透性極低，洞內(nèi)綜合降水應在開挖前3d進行；洞外地表重力式深井降水應超前15d進行，方達到預期降水效果。六 結(jié) 語六 結(jié) 語3. 地表超深井井點降水技術要求高、成本高。在低滲透性地層中，本工程成功實現(xiàn)了長區(qū)段、大比量的超深井降水，最深井208m。 相對