黃土隧道淺埋富水段施工技術

1、黃土隧道淺埋富水段施工技術關鍵詞：隧道 富水淺埋 超前降排水 旋噴樁防水 薄覆蓋層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)間隧道施工技術難題,所采用的超前降低洞內水位及超前旋噴樁防水,克服了富水軟弱地層施工技術難題。利用淺埋段薄覆蓋層的特點解決了洞內二次供電問題及洞內排水問題，成功的節(jié)約了高壓進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。伴隨著20世紀世界科學、技術、經濟的發(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，對隧道工程在數量和難度上提出了更高的要求。大規(guī)模的地下工程建設促進

2、了隧道修建技術的進步?？v觀當今國內外交通隧道的發(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。這是經濟的迅速發(fā)展，對交通運輸提出了更高要求的必然結果。 由于黃土獨特的節(jié)理和構造特征及其濕陷型，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，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，溝谷內常年積、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（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.技術難點及方案的選擇2.1.施工技術難點該地段主要土質為老黃土，河溝常年有流水，底

4、部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力的作用下松弛變形, 控制不好易產生變形坍塌。施工時,必須采取嚴格措施控制,防止產生大的變形及坍塌。2.2.施工方案的比選根據黃土的特性及現(xiàn)場實際情況，在收集國內類似工程施工方案的基礎上，結合施工圖設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、噴砼支護并留出拱角接頭

5、處。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。二為超前進行洞內降水及地表處理，采用三臺階七步法安挖施工?？紤]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：地表水預處理旋噴樁注漿防水大口井超前洞內降水地表注漿處理超前支護開挖支護仰拱襯砌地表沉降及洞內收斂觀測。3.1.地表水預處理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

6、直接流淌過，在線路右側約50m沖溝的下游筑攔水壩，攔截河溝及沖溝內地表水，并在攔水壩上游（沖溝口）處設集水井，集水井內設水泵，將水引排至線路左側。在線路左側約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攔水壩下游。最后，所有地表水利用杜家塌1#主干壩排水設施排走。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將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設計高程，將預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，鉆桿邊旋轉邊提升，

7、使?jié){液與土體充分攪拌混合，在土中形成一定直徑的柱狀固結體，從而達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量。在隧道中線兩側各9m處施做600mm的高壓旋噴樁，相鄰樁咬合20cm，做成止水帷幕。樁長根據地表地形情況確定，保證樁底標高低于隧底標高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.

8、2.2.旋噴樁施工流程定位鉆機成孔旋噴機就位（設備調試）下旋噴管配送漿液旋噴提升泥漿外排清洗機具新孔就位。見圖5 旋噴樁施工工藝流程圖。鉆機就位調整鉆架角度打 管鉆 孔插 管高壓旋噴樁注漿作業(yè)噴射結束拔 管器械清洗泥漿的排放處理圖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)場技術人員按施工圖及現(xiàn)場實際情況放樣，并做好明確標志，確保旋噴樁機定位準確。（2）噴射注漿前以鉆機成孔，各樁成孔深度大于設計深度0.5m，成孔時鉆機機架墊平，鉆機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）旋噴機架就位，噴管位于自然懸吊狀態(tài)時噴管中心對準孔心，偏差不得大于二分之一孔徑（

9、成孔孔徑），保證下管、提升及旋噴注漿的順利進行。（5）下噴管前先檢驗噴漿口是否完好暢通，再做噴漿試驗，當漿壓符合設計時方可下噴管。（6）噴管下至設計深度10cm時，開始拌送水泥漿，待達到設計參數，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，井底標高低于隧底標高3m，降水井下200PVC管護壁，并在PVC管上打孔便于排水，在每個降

10、水井里面?zhèn)€設置一個潛水泵抽水。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)作一次全面細致的檢查。檢驗電動機的旋轉方向，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35min，如無問題，方可放入井中使用。深井內安設潛水電泵，可用繩吊入濾水層部位，帶吸水鋼管的應用吊車放入，上部與井管口固定。設置深井泵的電動機座應安設平穩(wěn)，轉向嚴禁逆轉（設有逆止閥），防止轉動軸解體。潛水電動機、電纜及接頭必須有可靠的絕緣，每臺泵配置一個控制開關。主電源線路沿深井排水管路設置。安裝完畢應進行試抽水，滿足要求后始轉入正常工作。

11、潛水泵用鋼絲繩吊放。安裝并接通電源，鋪設電纜和電閘箱，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系統(tǒng)。井口地面以下2m范圍內用粘性土回填壓實，井管要高出地面0.3m，并在周圍立顯著標志和加井蓋予以保護。3.4.地表注漿處理洞身大口井進行降水施工后，洞頂土體內的含水將下滲，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，對地表土體進行注漿處理，打設42小導管，L=4.5m，灌注水泥單液漿進行地表加固。注漿材料：水泥單液漿，水灰質量比為1:1。注漿參數：孔距3m；漿液擴散半徑2m；注漿壓力：初壓0.2Mpa0.5Mpa，

12、終壓2Mpa3Mpa。注漿順序：注漿時先灌注最外兩排孔，然后依次向內推進。每排注漿孔中，先灌注兩端的孔，然后間隔交錯灌注。3.5.超前支護為確保汛期施工安全，DK232+965DK232+920段施工增加89管棚，拱部1400范圍內設置，環(huán)向間距3根/m。管棚采用熱軋無縫鋼管，施工內容主要包括封閉開挖面、設鉆機平臺、測定孔位、鉆孔、鉆機退出、安設無縫鋼管，必要時注漿封孔等工序施工中拱部1400范圍內設置42小導管，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3.6.1.開挖圖7 超前小導管

13、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坑開挖預留核心土為基本模式，分上中下三個臺階七個開挖面，各部位的開挖與支護采用沿隧道縱向錯開、平行推進的隧道施工方法。(1)工藝特點施工空間大，方便機械化施工，可以多作業(yè)面平行作業(yè)。部分軟巖或土質地段可以采用挖掘機直接開挖，工效較高。在地質條件發(fā)生變化時，便于靈活、及時地轉換施工工序，調整施工方法。適應不同跨度和多種斷面形式，初期支護工序操作便捷。在臺階法開挖的基礎上，預留核心土，左右錯開開挖，利于開挖工作面穩(wěn)定。當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，可盡快調整閉合時間。(2)施工要求三臺階七步開挖法施工應符合

14、下列要求：以機械開挖為主，必要時輔以弱爆破?；⌒螌Э友亻_挖輪廓線環(huán)向開挖，預留核心土，開挖后及時支護。其他分步平行開挖，平行施做初期支護，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環(huán)。仰拱緊跟下臺階，及時閉合構成穩(wěn)固的支護體系。施工過程通過監(jiān)控量測，掌握圍巖和支護的變形情況，及時調整支護參數和預留變形量，保證施工安全。完善洞內臨時防排水系統(tǒng)，防止地下水浸泡拱墻腳基礎。(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，上部弧形導坑開挖：在拱部超前支護后進行，環(huán)向開挖上部弧形導坑，預留核心土，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)進尺控制在0.5m；開挖高

15、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，開挖后及時進行噴、錨、網系統(tǒng)支護，架設鋼架，拱架腳墊C25預制混凝土塊（503510cm），在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30打設鎖腳錨桿，拱腳錨桿和鋼架牢固焊接，復噴砼至設計厚度。第2、3步，左右側中臺階開挖：開挖循環(huán)進尺控制在0.5 m；開挖高度為3.66m，左右側臺階錯開23m，開挖后立即初噴35cm砼，及時進行噴、錨、網系統(tǒng)支護，接長鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30打設鎖腳錨桿，拱腳錨桿和鋼架牢固焊接，復噴砼至設計厚度。第4、5步，左右側下臺階開挖：開挖循環(huán)進尺

16、控制在0.5 m；，開挖高度一般為3.04m，左右側臺階錯開23m，開挖后立即初噴35cm砼，及時進行噴、錨、網系統(tǒng)支護，接長鋼架，在鋼架拱腳以上30cm高度處，緊貼鋼架兩側邊沿按下傾角30打設鎖腳錨桿，拱腳錨桿和鋼架牢固焊接，復噴砼至設計厚度。第6步，開挖上下臺階預留核心土，開挖后及時進行隧底開挖。第7步，隧底開挖：每循環(huán)開挖進尺長度宜為12m，開挖后及時施作仰拱初期支護，完成隧底開挖、支護循環(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支護為保護圍巖的天然承載力，隧道支護應盡快施做，DK232+990DK232+965原設計為V級加強A型，初期

17、支護采用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+965DK232+920圖 8 三臺階開挖施工工序透視圖原設計為V級加強，初期支護采用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），鋼筋網為8*8,間距20*20（環(huán)*縱），C25噴射混凝土厚度為25cm，初期支護開挖后立即施做，以保護圍巖的自穩(wěn)能力。圖 9 V級加強A型復合襯砌斷面圖3.7.仰拱襯砌施工仰拱及襯砌按照設計采用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，上面鋪設仰拱棧橋，每循環(huán)開挖長

18、度控制在2-3榀。2、隧底開挖后，應及時清除虛碴、雜物、泥漿、積水，立即初噴3-5cm厚混凝土封閉巖面，按照設計要求安裝仰拱鋼架，復噴射混凝土至設計厚度，使初期支護及時閉合成環(huán)。3、仰拱應超前拱墻襯砌，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設置止水帶。仰拱表面應平順，無積水。4、仰拱填充混凝土應在仰拱混凝土終凝后澆注，澆筑前應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。填充混凝土強度達到5Mpa后允許行人通行，仰拱填充表面坡度應符合設計要求，達到平順，排水通暢，無積水的效果。5.應縮短仰拱到

19、開挖面的距離，必要時仰拱跟至下臺階，二襯亦應緊跟掌子面；3.8.監(jiān)控量測技術為保證施工安全,施工中必須進行施工監(jiān)測工作,信息化施工; 同時,監(jiān)測信息能及時了解圍巖穩(wěn)定情況,支護結構變形情況,及時修改施工參數及支護參數,切實保證施工安全。地表量測：在隧道中線上每隔5m布設一個沉降觀測點，在淺埋段施工中每天對地表進行觀測，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5m布置一個量測斷面，一斷面內的拱頂、起拱線及墻腳以上1m處，各布置一組測點。采用水準儀量測拱頂下沉，周邊收斂儀量測側壁位移量。洞內斷面量測點布置如圖10。4.二次供電及洞內排水隧道施工至淺埋段，距離洞口已經1200m，洞口處設置的630KVA變壓器已不能滿足洞內施工電力要求，考慮到高壓進度成本過高，在DK232+984右側25m