富水殘坡積粉質(zhì)粘土地層長距輸水隧洞洞挖施工技術(shù)

【摘要】為解決在飽和含泥砂層和富水殘坡積粉質(zhì)粘土地層中進行洞挖時，掌子面土體自動涌出所導(dǎo)致的隧洞坍塌問題，依托工程實例，區(qū)分不同水文地質(zhì)情況，主要在洞挖輪廓線處預(yù)設(shè)密排小導(dǎo)管攔擋流砂、大管棚超前支護、設(shè)置鋼管錨釘群穩(wěn)定掌子面土體、預(yù)留核心土分區(qū)洞挖及掌子面快速封閉措施中，優(yōu)選具有針對性的措施組合，保證洞挖安全順利進行，在實踐檢驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套成熟的技術(shù)措施成果，以期對類似工程能有所啟迪和借鑒。

【關(guān)鍵詞】飽和含泥砂層；富水殘坡積粉質(zhì)粘土層；超前密排

引言：

?？谀隙山こ梯斔矶闯隹诙螄鷰r為呈散體結(jié)構(gòu)的殘坡積粉質(zhì)粘土、飽和含泥砂層，水泥漿可灌性差，地下水位高，掌子面揭露后遇水會很快發(fā)生液化、泥化，掌子面土體在地下水作用下自動涌出，造成洞內(nèi)圍巖失穩(wěn)垮塌，致使地面塌陷，導(dǎo)致洞內(nèi)施工存在巨大安全隱患，施工進度異常緩慢。

對在富水殘坡積粉質(zhì)粘土地層易產(chǎn)生涌土洞段，進行安全快速洞挖施工的研究，本身在國內(nèi)也是需持續(xù)研究的課題之一，具有技術(shù)前沿性。通過研究和實施，探索出一種成熟的工藝措施，不但能保證本工程施工安全順利進行，而且隨著國家地下空間、城市管廊工程項目的日益增多，難免會遇到類似情況，其成果對今后類似工程也具有借鑒和指導(dǎo)作用，具有較好的市場前景。

1、 所依托工程項目簡介

?？谀隙山こ淌菄?72個節(jié)水供水重大水利工程項目之一，也是海南省?？谑?015年重點中央投資的水利項目。工程建設(shè)內(nèi)容主要包括取水首部樞紐、水源提水泵站、分水泵站、灌溉泵站、輸配水工程（含箱涵、渡槽、隧洞、輸水管道）等，其中位于中西部城市供水線路上的輸水隧洞工程為本工程施工的關(guān)鍵線路。

輸水隧洞全長12.960km，其縱坡坡比為1：6000，設(shè)計輸水流量為8.2m3/s，全程為無壓城門洞型，全斷面采用40cm厚鋼筋混凝土襯砌后，斷面尺寸為3.2m×3.6m（寬×高）。隧洞出口段288m和中間約998m段圍巖為呈散體結(jié)構(gòu)的殘坡積粉質(zhì)粘土及飽和含泥砂層，屬Ⅴ類圍巖，洞挖斷面尺寸4.4m×4.6m（寬×高），洞身位于地下水位之下，水量豐富，預(yù)計涌水量845m3/h，洞挖時掌子面土體自動涌出，致使洞壁失穩(wěn)垮塌、冒頂，是本工程施工的重難點之一。

2、研究原則及思路

輸水隧洞出口洞段為淺埋深富水軟土地層，屬Ⅴ類圍巖，洞挖施工遵照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字軟土淺埋暗挖法隧道施工原則，區(qū)分以富水殘坡積粉質(zhì)粘土和以飽和含泥砂層為主的不同水文地質(zhì)和物理地質(zhì)洞段，從降排水、超前支護、開挖前后掌子面及輪廓面穩(wěn)定、軟基置換和一期支護安全可靠諸方面，優(yōu)選具有針對性的技術(shù)措施組合。

3、主要技術(shù)方案研究及實施

3.1 飽和含泥砂層洞段施工措施及方法

3.1.1 主要施工措施

飽和含泥砂層為主的洞段，洞挖施工主要措施組合：在洞挖邊線外設(shè)置降水井，降低地下水位及滲水量；在洞挖輪廓線外插入密排小導(dǎo)管，擋砂排水穩(wěn)定洞壁；在掌子面插入鋼管錨釘，通過錨釘群對土體的約束力，提高掌子面的穩(wěn)定性；在掌子面中下部預(yù)留核心土，分區(qū)分序開挖支護；噴射混凝土快速封閉掌子面，為后續(xù)工序施工創(chuàng)造條件。

3.1.2 施工程序

設(shè)置降水井→輪廓線外周邊插入密排小導(dǎo)管→上半洞掌子面插入鋼管錨釘→上半洞開挖→掌子面噴射混凝土→上半洞架設(shè)鋼拱架及錨噴支護→下半洞兩側(cè)近邊線區(qū)開挖（中部預(yù)留核心土）→拱架基礎(chǔ)硬化→延伸型鋼拱架→下半洞掛網(wǎng)錨噴支護→下半洞預(yù)留核心土挖除→下半洞掌子面封閉→基礎(chǔ)換填→下一循環(huán)

3.1.3 主要施工方法

（1）設(shè)置降水井

洞挖前，在洞口出口明挖部位及隧洞兩側(cè)洞挖范圍5m之外，各設(shè)置3個降水井，均安裝7.5kw潛水泵抽排地下水。降水井采用鉆機鉆出φ800mm、深入隧洞底板以下約3m的鉆孔，插入預(yù)先加工完成的外包2層反濾密網(wǎng)的φ600鋼筋籠（在下放鋼筋籠困難處，改為外包反濾網(wǎng)的φ600花眼鋼管），然后在鋼筋籠與鉆孔間的空隙內(nèi)，填入砂石級配料進行填充并形成反濾，避免因抽排水帶出砂土，造成井壁坍塌。

（2）洞挖輪廓線外周邊插入密排小導(dǎo)管

開挖后的飽和含泥砂層洞室輪廓面，在地下水的作用下無法自穩(wěn)，必然產(chǎn)生涌土垮塌問題。為此，采取在洞挖輪廓線外預(yù)先插入密排小導(dǎo)管，在保證排水通暢的同時，起到攔砂穩(wěn)定洞壁的作用。

密排小導(dǎo)管采用壁厚4mm的φ50無縫鋼管，單根長6m，環(huán)向緊密排列，縱向搭接長度≥2m，前端做成長約10cm的圓錐狀，在該洞段開挖前，預(yù)先水平插在設(shè)計開挖輪廓線外25cm處（軟基洞段預(yù)留25cm沉降和收斂余量，以保證后期混凝土襯砌結(jié)構(gòu)厚度）。具體詳見圖1。

（3）洞挖掌子面插入鋼管錨釘群

擾動后的飽和含泥砂層無自穩(wěn)能力，在中間預(yù)留核心土僅進行周邊開挖的愿望無法實現(xiàn)，掌子面失穩(wěn)后，將引起洞頂及洞壁垮塌。采用在掌子面插入若干鋼管錨釘，通過鋼管錨釘群對臨空掌子面的約束作用，可達到穩(wěn)定上半洞掌子面土體的同時，也使得下半洞預(yù)留核心土的愿望得以實現(xiàn)。

鋼管錨釘采用φ89無縫鋼管，單根長3m，采用人工配合小反鏟按均布原則逐根推入，并跟隨上半洞每一循環(huán)的開挖，不斷將外露的鋼管錨釘推入土體，立即噴射混凝土封閉掌子面，快速架設(shè)I20型鋼拱架，進行上半洞錨噴支護。詳見圖1。

（4）隧洞分區(qū)開挖及支護

隧洞開挖分上下半洞3個順序區(qū)進行。上半洞約2m高度為①號區(qū)，在密排小導(dǎo)管和鋼管錨釘?shù)谋Ｗo下，采用人工配合小型挖掘機按每循環(huán)50cm～100cm的進尺開挖。下半洞開挖分2個次序3個區(qū)進行，即先進行兩側(cè)型鋼拱架支撐范圍的②號區(qū)開挖，最后進行中部預(yù)留核心土的③號區(qū)開挖。

由于洞挖底板基礎(chǔ)以下為浸泡在水中的砂層，在無密排小導(dǎo)管擋砂保護的情況下，開挖②號區(qū)鋼拱架支撐基礎(chǔ)時，四周流砂會不斷涌入挖槽內(nèi)，進而會出現(xiàn)洞壁基礎(chǔ)被掏空后發(fā)生坍塌問題。為此，采取小反鏟掏挖拱架基礎(chǔ)坑的同時，快速拋入塊石或預(yù)制混凝土塊，并用反鏟震動擠壓穩(wěn)定之后，將已安裝的上半洞工字鋼拱架接長延伸至隧洞底板之下，并在拱腳下插入鋼板，以擴大拱架與基礎(chǔ)的接觸面，提高拱架基礎(chǔ)的承載力。

②號區(qū)鋼拱架安裝完成后，進行掛網(wǎng)錨噴護及中部③號區(qū)的開挖，完畢后，快速噴射3～5cm素混凝土對掌子面進行封閉，并排除掌子面底部積水，按設(shè)計要求進行基礎(chǔ)換填，為下一循環(huán)洞挖施工創(chuàng)造條件。

圖1： 飽和含泥砂層洞段洞挖支護斷面示意圖

3.2 富水殘坡積粉質(zhì)粘土洞段施工方法及措施

3.2.1 主要施工措施

在以富水殘坡積粉質(zhì)粘土為主的洞段，根據(jù)水文地質(zhì)實際情況，取消洞外降水井及隧洞輪廓線外密排小導(dǎo)管，改為在洞頂設(shè)置一圈大管棚超前支護，其它措施與飽和含泥砂層洞段的相同。

具體主要措施組合為：在洞頂輪廓線外設(shè)置一圈大管棚，進行超前支護；在掌子面插入鋼管錨釘，通過鋼管錨釘群對土體的約束力，提高掌子面的穩(wěn)定性；在掌子面中下部預(yù)留核心土，分區(qū)分序開挖支護；噴射混凝土快速臨時封閉掌子面，為后續(xù)工序施工創(chuàng)造條件。

3.2.2 施工程序

大管棚超前支護→上半洞掌子面插入鋼管錨釘→上半洞開挖→掌子面噴射混凝土→上半洞架設(shè)鋼拱架及錨噴支護→下半洞兩側(cè)近邊線區(qū)開挖（中部預(yù)留核心土）→拱架基礎(chǔ)硬化→延伸型鋼拱架→下半洞掛網(wǎng)錨噴支護→下半洞預(yù)留核心土挖除→下半洞掌子面封閉→基礎(chǔ)換填→下一循環(huán)

3.2.3 主要施工方法

在砂層抬升洞頂之上，進入富水殘坡積粉質(zhì)粘土洞段后，拱頂松散土自動涌出，致使小導(dǎo)管變形失效，導(dǎo)致洞內(nèi)圍巖失穩(wěn)垮塌，經(jīng)分析研究后，采用大管棚取代密排小導(dǎo)管進行超前支護的應(yīng)對措施。

大管棚采用9m長φ89無縫鋼管制作（內(nèi)置Ф22螺紋鋼筋），端部做成圓錐狀，用氣動式?jīng)_擊器按環(huán)向間距200mm逐根打入開挖輪廓線外25cm處（縱向間距為5m），然后灌入水泥漿，在洞頂形成一圈大管棚，達到超前支護的作用。

殘坡積粉質(zhì)粘土呈散體結(jié)構(gòu)，受地下水作用發(fā)生涌動時，對管棚和拱架施加的荷載較大，因此將工字鋼拱架規(guī)格由I16變更為I20，拱架縱向Φ16連接鋼筋由原設(shè)計環(huán)向間距1200mm調(diào)整為600mm，噴混凝土支護厚度由200mm變更為240mm。具體詳見圖2。

其它措施方法與飽和含泥砂層洞段相同，參見本文2.2.3。

圖2 ：富水殘坡積粉質(zhì)粘土洞段洞挖支護斷面示意圖

4、實施效果

雖然洞挖邊線外降水井降低了地下水位，但由于殘坡積粉質(zhì)粘土和飽和含泥砂層透水率偏低，連通性較差，不能形成較大的降水漏斗，滲水量減少不明顯，掌子面下部仍然存在滲涌水現(xiàn)象。

洞挖輪廓線外設(shè)置的密排小導(dǎo)管，擋砂排水效果明顯，起到了超前支護穩(wěn)定圍巖的作用。施工時需注意精細操作，力求小導(dǎo)管排列緊密。

掌子面設(shè)置的鋼管錨釘群，穩(wěn)定掌子面土體的作用明顯，掌子面不再自動涌土，使掌子面下部預(yù)留核心土進行分區(qū)分序開挖如愿實現(xiàn)。

2016年8月8日開始隧洞出口段洞挖施工，在未全部采取上述措施組合前，洞內(nèi)坍塌不斷，甚至出現(xiàn)冒頂事件，平均日進尺僅0.5m/d，采取組合措施后，平均日進尺提升至1.0m/d，加快了施工進度，減少了施工安全隱患，但需特別注意的是，在淺埋深隧洞地層變化區(qū)易出現(xiàn)坍塌冒頂問題。

5、結(jié)語

通過對隧洞出口富水軟土洞段洞挖施工措施的研究和實施，總結(jié)出了針對飽和含泥砂層和富水殘坡積粉質(zhì)粘土洞段洞挖施工的措施組合，尤其是鋼管錨釘群的使用，對富水軟土地層掌子面的穩(wěn)定作用效果明顯。該技術(shù)措施成果，增強了施工安全性，加快了施工進度，使工程施工得以順利進行，具有推廣借鑒價值。

參考文獻：

[1].劉鵬，劉維.富水地層重疊隧道施工結(jié)構(gòu)及地層變形分析[J].《隧道建設(shè)》 2012年03期

[2].吳旻碩；李作恒；；隧道圍巖強度不均地段塌方成因及其處理方法[A]；中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所2007學(xué)術(shù)論文匯編（第七卷）[C]；2008年

作者簡介：趙澤民（1965-），男，工程師，湖北宜昌人，長期從事水利水電工程現(xiàn)場施工技術(shù)管理。