粉细砂岩隧道

粉细砂岩隧道（共4篇）

粉细砂岩隧道 篇1

渗透系数是水文地质最重要的基本参数之一。在隧道施工降水中, 渗透系数对基坑涌水量的计算影响很大, 在施工前, 测得准确的渗透系数是非常重要的。渗透系数的测定方法一般有室内试验法和野外现场试验法两种, 其中, 野外现场试验法更能全面的反映地质的不均匀性对渗透系数的影响[1]。所以野外现场试验中的野外现场抽水法在水文地质参数的测定中得到了广泛应用[2]。本文以胡麻岭7#竖井现场定流量抽水试验数据为依据, 应用布尔顿公式配线法[3]、直线法[4]及水位恢复法[5,6]分别算得渗透系数。并与抽水稳定后应用裘布衣公式[5]计算所得值进行了对比, 为以后工程的应用提供了可靠依据。

1 非稳定抽水试验渗透系数计算原理

1.1 布尔顿公式配线法

泰斯非稳定渗流理论认为在抽水过程中, 地下水的运动状态是随时间而变化。非稳定渗流微分方程为:

式 (1) 中:K为导水系数, 可由K=k T求得, k为渗透系数与T为含水层厚度。对于无压渗流:K=k H, H为原地下水水深, S为储存系数, 对于无压渗流用改用给水度μ来表示。

布尔顿解法的定解方程为:

式 (2) 中:S为承压含水层的储水系数;Sy为迟后重力排水的储水系数, 即通常的给水度;α为经验系数, 称为延迟系数。

在抽水初期, 布尔顿公式可简化为

抽水后期, 可简化为

根据式 (3) 、式 (4) 可以绘制出潜水非稳定标准曲线。在确定参数时, 首先将抽水试验过程中测得的观测孔水位与时间的关系点绘在双对数坐标上, 然后用s-t曲线的前半部分选配A组标准曲线, 查得相应的、s值, 自式 (3) 即可求得K。

1.2 直线法

当潜水抽水井降深较小, s<0.1H0时, 渗透系数可由式 (5) 求得。

式 (5) 中:Δh12、Δh22为抽水井或观测井在Δh2-lgt关系曲线上的直线段上任意两点的纵坐标值 (m2) ;t1、t2为在关系曲线上纵坐标为Δh12、Δh22两点的相应时间 (min) 。

1.3 水位恢复法

潜水完整孔渗透系数可用下式计算:

式 (6) 中:tK抽水开始到停止的时间 (min) , tT为抽水停止后算起的恢复时间 (min) 。

在确定渗透系数k的过程中, 先把实测点点绘在 (H2-h2) 、 (1+tK/tT) 单对数坐标轴上, 再选取相应的数值代入式 (6) 计算。

2 工程应用

2.1 胡麻岭隧道工程背景

兰渝铁路是我国中长期铁路规划的重要项目, 其中胡麻岭特长隧道位于甘肃省定西市境内, 是兰渝铁路兰广段的控制性工程, 全长13 611 m, 该隧道由于地质极差, 工程推进困难, 工期严重滞后, 已成为兰渝铁路全线控制性工程。

胡麻岭隧道正洞DK76+350~DK79+605段3 255 m穿越第三系富水低渗透性粉细砂层, 其中DK76+630~770段下穿水库、DK78+183~282段下穿河流, 另有180 m处于浅埋地段。胡麻岭隧道具有工期紧、施工难度大、安全风险极高等特性。在这种特殊地层中修建隧道, 施工安全风险高、施工进度缓慢、施工成本可控性差。国内外知名专家、学者曾多次现场调研指导, 认为在该地层中修建隧道是“国内罕见、世界难题”。

2.2 试验方案与井点布置

本次试验共进行了两次不同抽水量的抽水试验, 每次先进行降水试验, 待降水达到平衡后再进行水位恢复试验。

试验中水位量测采用电测水位仪, 流量量测采用水表, 两台额定出水量分别为6 m3/s、8 m3/s的抽水泵。

第一次抽水试验

第二次抽水试验

2.3 结果分析

图1、图2分别为第一次抽水2#观测井的直线法和水位恢复法示意图。表1为实测得到的胡麻岭第三系粉细砂岩渗透系数。

3 结论

(1) 用野外现场定流量抽水的方法对胡麻岭第三系粉细砂岩进行了抽水试验, 对试验数据进行处理得到了水文参数渗透系数, 为以后工程的应用提供了可靠依据。

(2) 非稳定抽水试验经过布尔顿解法的配线法、雅克布直线法、水位恢复法求得的渗透系数为0.14~0.23 m/d, 平均值为0.185 m/d。抽水试验水位达到稳定后, 应用裘布衣公式求得的渗透系数为0.09~0.21 m/d, 平均值为0.15 m/d。

(3) 从表1可以看出, 随着观测井与抽水井距离的增大, 裘布衣公式计算所得参数从刚开始的大于非稳定方法所得参数, 变成小于非稳定方法所得参数。这可能与裘布衣公式忽略潜水渗流溢出点有关, 需要进一步的研究。

参考文献

[1] 贝尔.多孔介质流体动力学.李竞生, 陈崇希, 译.北京:中国建筑工业出版社, 1983Bear J.Dynamics of Fluids in Porous Media.Li Jingsheng, Chen Chongxi, eds.Beijing:China Architecture and Building Press, 1983

[2] 周志芳, 汤瑞凉, 汪斌.基于抽水试验资料确定含水层水文地质参数.河海大学学报 (自然科学版) , 1999;27 (3) :5—8Zhou Zhifang, Tang Ruiliang, Wang Bin.Determination of hydrogeological parameters of leaky aquifer based on pumping test data of partially penetrating well near the boundary.Journal of Hehai University (Natural Science) , 1999;27 (3) :5—8

[3] 虎胆图马尔白.地下水利用.中国水利水电出版社, 2008Hu Dan Tumaerbai.Using of Underwater.Beijing:China Resources and Hydropower Press, 2008

[4] 中华人民共和国行业标准编写组.TB10049—2004.铁路工程水文地质勘查规程.北京:中国铁道出版社, 2004The Professional Standards Compilation Group of People's Republic of China.TB10049—2004.Code of Hydrogeological Investigation of Railway Engineering.Beijing:China Railway Press, 2004

[5] 陈雨孙.单井水力学.北京:中国建筑工业出版社, 1977Chen Yusun.Hydropower of Well.Beijing:China Building Engineering Press, 1977

[6] 毛昶熙.渗流计算分析与控制.北京:中国水利水电出版社.2002Mao Changxi.Seepage Computation Analysis and Control.Beijing:Chinese Resources and Hydropower Press, 2002

饱和粉细砂地层隧道处治对策研究 篇2

1 工程概况

某双线隧道施工过程中核心土右下侧发生开裂, 并发生流砂现象。施作超前地质探孔, 探孔揭示掌子面前方为饱和状全风化砂岩 (粉细砂) , 该段埋深约69 m, 自稳性极差, 判定围岩级别为Ⅵ级。该地层后续施工过程中发生多次溜坍和涌砂的现象。并导致地表出现了呈“竖井”状的陷坑 (见图1) 。根据标准贯入试验结果, 粉细砂标准贯入试验修正锤击数为64击~84击, 平均锤击数为80.6击, 为密实状, 变形模量E0=25 MPa~40 MPa。掌子面前方中厚层状的粉细砂地层, 为粉细粒结构, 渗透系数0.1 m/d~0.5 m/d (1.16×10-4cm/s~5.8×10-4cm/s) , 地下水降深影响半径10 m~20 m。全风化粉细砂岩富含地下水, 呈饱和状, 无自稳性, 开挖扰动后粉细砂呈流塑状砂 (泥) 缓慢流出。针对该地层, 曾先后采用拱部大管棚注浆加固、帷幕注浆试验等措施, 处理效果不理想。

2 粉细砂地层隧道处治现状

大西客运专线上白双线隧道, 进口段约500 m穿越粉细砂地层。该段采用φ600 mm水平旋喷桩预加固, 在掌子面前方形成整体的旋喷拱, 从而保证了在该地层开挖后的洞室稳定[1]。

兰渝铁路桃树坪隧道与胡麻岭隧道在施工中遇饱和粉细砂岩, 采用水平旋喷桩进行超前预支护等措施, 成功解决了富水粉细砂地层的围岩稳定性问题[2,3]。

3 饱和粉细砂地层隧道处治对策

参考国内粉细砂隧道尤其是饱和粉细砂隧道工程处理实例, 结合本隧道穿越的饱和粉细砂Ⅵ级围岩地段实际地质情况, 拟采用“拱部双层超前旋喷咬合桩+边墙单层超前旋喷咬合桩+掌子面正面旋喷桩加固+加强衬砌结构及支护措施”的综合处治方案。

3.1 应急处理措施

1) 掌子面稳固措施。掌子面处进行反压, 并施作封堵墙, 封堵墙上设3处泄水孔, 其内设置滤网以防止泥浆排出。现场应对各泄水孔中排水量、水质进行记录分析, 并及时抽排引出的地下水, 避免其弱化掌子面附近围岩。同时, 派专职安全员看守掌子面情况, 一旦发生异常, 立即上报相关部门, 及时制定相应对策。2) 限制地表水补给措施。根据粉细砂层的走向及宽度, 以及附近地表水系调查情况, 对可能补给到本地层的地表沟水进行封闭处理。3) 地表陷坑回填。采采用用路路基基水水稳稳层层填填料料和和混混凝凝土土回回填填陷陷坑坑至至地表, 并预埋钢花管, 待回填完成后进行补注浆固结回填土体。4) 加强地表监测和巡查。加强地表建网对地表沉降、位移等进行监测的频率, 及时对观测数据进行整理、分析, 发现异常时及时采取应急措施并及时通知相关单位。

3.2 洞内处理措施

洞内处理措施主要为以下内容:反压体处理、旋喷工作室施工、超前预加固、衬砌结构体系、施工监控量测。

1) 反压体处理。本隧道发生流砂塌陷后, 施工单位对掌子面处利用洞渣进行了反压。对反压体进行注浆固结, 浆液采用纯水泥浆, 水灰比为0.5∶1~0.8∶1, 待浆液固结后, 逐层分部清除反压体至原掌子面附近, 掌子面施作φ22砂浆锚杆, 间距1.5 m×1.5 m;φ8钢筋网, 网格间距20 cm×20 cm;喷50 cm厚C25混凝土。

2) 旋喷工作室施工。根据正洞拱墙周边超前旋喷加固圈布置, 于掌子面前方12 m段落范围进行拱墙扩挖, 施作超前旋喷桩工作室, 以满足超前咬合旋喷桩的施工空间要求。该段落需要进行衬砌支护的加强设计。

3) 超前预加固。本隧道穿越饱和状粉细砂段, 开挖轮廓线外拱部采用双层超前旋喷咬合桩预加固及边墙单层高压超前旋喷咬合桩预加固, 为能使纵向提供一个相对较有力的支撑, 增强其抗剪能力, 拱部内层旋喷桩加固体内插入钢筋笼;为使钢架能落在稳定的基础上, 在各工序变化处钢架脚部施作2根水平旋喷桩。为确保施工过程中掌子面稳定, 掌子面采用超前旋喷桩加固措施。超前旋喷采用普通硅酸盐水泥单液浆 (掺入适当的速凝剂) , 浆液水灰比为0.8∶1~1∶1。穿越饱和状粉细砂层地段沿隧道断面拱部180°范围内布设双层超前旋喷咬合桩 (每环130根) , 旋喷桩桩径为600 mm, 两层中心间距400 mm;边墙范围布设单层旋喷桩 (每环20根) 。为保证支护效果, 防止漏砂, 涌砂, 采用咬合桩布置, 环向桩心间距为400 mm, 相邻旋喷体相互咬合的设计值为200 mm;设计插入角约4°12' (要分孔计算每根桩的偏角和仰角, 利用三维坐标, 成孔定位达到精确) , 搭接长度3 m。

其横断面布置见图2。为能使纵向提供一个相对较有力的支撑, 增强其抗剪能力, 当设计孔桩旋喷完成后, 利用拱墙内环超前旋喷体作为施作条件, 利用机具将18 m长钢筋笼放置旋喷体内, 并采用M20水泥砂浆填充;钢筋笼由四根主筋和固定环组成, 主筋采用φ20钢筋, 固定环采用φ76钢管 (壁厚5 mm) , 每节长5 cm, 间距1 m, 并与主筋焊接牢固。旋喷桩具体注浆参数及材料据现场试验确定;旋喷体取芯做强度试验, 无侧限抗压强度不小于3 MPa。各台阶钢架脚位置处均增设2根水平咬合旋喷桩 (每环12根) , 与拱墙咬合旋喷桩同期施作, 使钢架能落在稳定的基础上。为了改良正洞饱和状全风化砂岩 (粉细砂) , 提高掌子面的稳定性以及抗冲蚀能力;为未开挖段之加固圈提供预支撑;同时为加固圈末端可能设置的补旋喷加固环提供稳定施作条件。水平旋喷加固圈施工完毕以后, 于正洞掌子面施作水平旋喷桩加固补强。掌子面采用18 m长旋喷桩加固, 梅花形布置, 中心间距为1.5 m, 每循环开挖为15 m。现场根据揭示的掌子面稳定情况, 适时调整。施作第二循环旋喷桩前进行旋喷工作室扩挖, 旋喷完成后, 初期支护与旋喷桩间的间隙采用喷混凝土回填密实, 初期支护与二衬间空隙部分用二衬混凝土分期回填密实。

4) 衬砌结构体系。本段采用Ⅵ级围岩Ⅵ级全封闭抗水压衬砌, 按承受一定的均布静水压力设计。作为主体受力结构与初期支护共同作用承担全部围岩荷载, 拱墙厚80 cm, 仰拱厚90 cm, 采用C35钢筋混凝土, 施工期间应尽早施作二衬。初期支护:喷C30早强混凝土, 厚度32 cm, 预留变形量为35 cm, 喷混凝土内拱墙设置双层8钢筋网, 网格间距20 cm×20 cm;设置全环Ⅰ25a型钢钢架加强支护, 间距0.5 m。

5) 施工监控量测。本段施工过程中应加强施工监测, 每5 m布置一个观测断面, 开展洞内外观察、拱顶下沉、净空变化、位移变化监控量测。

4 结论及建议

隧道穿越饱和状粉细砂地层时易发生流砂和坍塌风险事件, 对该地层采用水平旋喷桩预加固处理, 具有相对较好的处理效果。但对施工单位的要求较高, 注浆施工时易发生高压下的流砂现象。

对粉细砂地层隧道处理有以下几点建议:1) 施工处理前加强地质勘查工作, 分析饱水粉细砂的成因, 掌握饱水粉细砂的物理力学特性;2) 由于水平旋喷桩预加固费用较高, 需试验对比其他加固措施的可行性, 如密排双层小导管的预加固措施;3) 若隧道底部存在粉细砂地层, 需认真研究基底处理的方法。

摘要：针对饱和粉细砂地层中修建隧道时易发生流砂的现象, 详细阐述了某隧道在饱和粉细砂地层中发生流砂及地表塌陷后的各项应急处理措施和洞内加固处理对策, 可为类似工程提供参考依据。

关键词：饱和粉细砂地层,水平旋喷,超前预加固,衬砌结构

参考文献

[1]陈五二.粉细砂地层隧道水平旋喷桩支护技术[J].铁道标准设计, 2011 (sup) :135-137.

[2]魏文义, 杜立新, 毕德灵, 等.水平旋喷在饱和粉细砂围岩中的应用[J].现代隧道技术, 2011, 48 (2) :174-176.

[3]李世才.桃树坪隧道富水未成岩粉细砂试验段施工技术[J].现代隧道技术, 2012, 49 (4) :111-119.

[4]刘江涛, 崔宏伟, 王振强.“新意法”在未成岩富水粉细砂层隧道中的适用性研究[J].兰州交通大学学报, 2012, 31 (4) :53-56.

[5]张慧乐, 张慧东, 王述红, 等.水平旋喷拱棚结构的承载特性与机理研究[J].土木工程学报, 2012, 45 (8) :131-139.

粉细砂岩隧道 篇3

关键词：浅埋,粉细砂层,地质偏压,顺层滑塌,施工技术

1 工程概述

1.1 总体设计概况

内蒙古锡乌铁路设计等级为国铁Ⅰ级, 客货共线, 单线内燃 (预留电气化) 半自动闭塞铁路, 时速120Km/h。土建四标芒罕图隧道全长5400m, 起讫里程DK464+180～DK469+580, 其中出口DK469+460～+580段120m设计为明洞, DK469+020～+460段440m设计为Ⅴ级围岩土质地层加强复合式衬砌, 为全线重难点控制工程。

1.2 地质概况

本隧道地层为第四系全新统冲洪积层 (Q4Ql+Pl) 、坡洪积层 (Q4dl+Pl) 和坡积层 (Q4dl) ;下伏侏罗系上统宝石组凝灰质砂岩、凝灰岩、凝灰质角砾岩、安山岩、流纹岩。隧道位于西老头山背斜东南翼, 为单斜构造, 局部有侵入体。出口DK468+850～DK469+580段地质条件为:中砂、细砂、细圆砾土、黏土、松散状结构, 凝灰质砂岩, 凝灰质角砾岩, 弱风化, 呈角砾、碎石状松散结构, 含基岩裂隙水, 围岩分级为Ⅴ级。

1.3 衬砌结构参数

1.3.1 初期支护:

Ⅴ级围岩土质地层加强采用φ42超前小导管注浆支护, 长度为3.5m, 外插角10～15°, 环向间距30cm, 纵向间距160cm;采用Ι18工字钢型钢钢架全环封闭支护, 钢架纵向间距80cm;径向锚杆采用Φ22砂浆锚杆, L=3m, 环向间距1.2m;钢架节点上部采用φ42锁脚锚管;φ8×φ6 (环向×纵向) 钢筋网片, 网格间距20cm×20cm;C25喷射聚丙烯纤维混凝土封闭, 厚度22cm。

1.3.2 二衬结构:

C35钢筋混凝土, 双层钢筋结构, 环向主筋Φ18间距20cm, 纵向连接筋Φ12环向间距25cm, 箍筋为φ8光圆钢筋。

2 塌方情况及成因分析

2.1 塌方情况

2010年9月17日下午18时许, 出口段上台阶掘进至DK469+030掌子面, 正进行初期支护支立型钢钢架, 后方DK469+050～+045段上台阶左侧拱部6榀钢架由于受外力作用发生严重变形, 拱脚向内侧发生较大位移, 小里程一侧12m范围喷射混凝土开裂。大里程有7榀钢架拱部喷射混凝土出现裂缝, 洞内充填粉细砂约120m3, 同时在隧道顶部原地面发生沉陷, 陷坑呈漏斗状上口半径3.5m, 深度4.1m, 揭露上部腐殖土厚0.8m, 下部为风积粉细砂。

2.2 坍塌成因分析

此段埋深19m, 围岩分级为Ⅴ级, 根据《铁路隧道设计规范》 (TB10003-2005) 中浅埋隧道覆盖厚度值表, 判定为隧道洞口浅埋段。掌子面已出露凝灰质砂岩, 上部覆盖层主要为细砂及粗、细圆砾土。经现场勘察分析推断:由于爆破扰动引起砂层在岩石分界面处发生顺层侧滑, 松散粉细砂堆积造成拱架地质偏压, 超出钢架及锁脚锚管支护体系极限抵抗强度后, 钢架发生严重变形向洞内收敛, 粉细砂涌入洞内, 瞬间卸载形成暂时稳定的粉细砂堆积体。周边钢架受侧压在钢架单元连接处发生变形, 引起喷射混凝土开裂。

3 坍塌处理技术方案选定

四方现场勘察会商, 考虑洪积粉细砂地层密实吸浆能力差注浆效果不理想, 洞内注浆加固施工安全风险大, 确定对隧道上部覆盖层采用分级开挖卸荷方法处理, 盖挖法施工。

具体实施时考虑:

3.1 此段埋深19m, 洞高9.13m, 开挖至隧底高程平均挖深约28m, 且上部覆盖层均为粉细砂, 边坡坡率1:1.5, 下部坑底尺寸10×20m (宽×长) 则开口线坑口范围约为94×104m (宽×长) , 估算明挖土方工程量约14万立方米, 明挖及回填工程量大, 边坡临时支护工程量大。

3.2 粉细砂边坡坡面施工便道不易成型, 施工难度大。

3.3 上部开挖机械施工, 对洞内岩体扰动大, 可能会导致洞内发生二次坍塌, 造成周边开裂区钢架向内收敛变形。

3.4 自然状态下洪积砂密实, 但经施工扰动后必然在隧道周边形成松散范围圈, 注浆加固方案得以实施, 效果可以经试验验证。

3.5 隧址地处严寒地区, 11月份即进入冬季施工, 边坡喷锚支护无法具体实施。

经组织集团公司内隧道专家进行专题论证, 慎重考虑决定:首先选用洞内注浆加固方案进行处理, 如果注浆效果不理想无法进行变形钢架置换, 则重新采用原开挖卸荷方案。

4 注浆加固方案实施

4.1 地表陷坑防护:

地表陷坑范围做好周边临时截排水沟, 坑口覆盖封闭严禁雨水流入。

4.2 洞内喷射混凝土开裂区加固

4.2.1 对上台阶初支未封闭段施作I18工字钢临时仰拱, 采用C25喷射混凝土对上台阶临时仰拱进行封闭, 在上台阶建立稳固的封闭的临时支撑结构。

4.2.2 间隔增设圆木横撑与槽钢斜撑进行加强, 严格限制初支钢架进一步变形收敛。

4.2.3 采用Φ42@100×100cm (环向×纵向) L=3.5m径向小导管注单液水泥浆加固, 使隧道周边围岩形成约4m厚的支撑结构“硬壳”。

4.2.4 DK469+050～+070段左侧边墙中部连接板位置增加锁脚锚管, 锁脚锚管下插角约10°且与型钢钢架借助垫板焊接牢固。

4.2.5 对塌方体上部采用3排Φ42L=5m超前小导管进行压注单液水泥浆预加固, 环向间距20cm, 注浆压力控制在1.5～2.0MPa, 防止砂层再次坍塌。

4.3 坍塌区钢架置换

4.3.1 首先在DK469+050～+040段回填碎石土反压拱脚, 并适量注浆固结, 平衡置换过程中左侧岩土压力。

4.3.2 线路右侧拱架未变形部位原则上不予扰动, 采用风镐在钢架间喷射混凝土开槽, 采用I18工字钢焊接连接牢固, 以作为置换钢架的右侧支撑点。

4.3.3 钢架按原设计结构尺寸进行加工, 纵向间距50cm, 变形钢架凿除一榀置换一榀, 钢架背后空腔注浆回填密实, 钢架间纵向连接采用I18工字钢焊接牢固, 并及时做好上台阶临时仰拱封闭后方可进行下一榀置换。

4.3.4 每两榀钢架打设一环Φ42L=3.5m超前小导管进行注浆超前支护加固, 环向间距20cm。

4.3.5 增加Φ42 L=3.5m@100cm×100cm (环向×纵向) 径向小导管注浆对施工扰动坍塌砂层进行固结注浆。

4.4 衬砌紧跟及时封闭

4.4.1 上台阶注浆加固完成后, 即可开始下台阶与仰拱跟进, 采用“挖掘机与人工风镐配合”非爆破方式开挖, 严格控制循环进尺并及时进行仰拱封闭:下台阶每循环支护2榀, 每支护3m即进行仰拱封闭, 每12m进行衬砌混凝土封闭。

4.4.2 塌方段按照原设计Ⅴ级围岩土质地层加强段复合式衬砌结构图进行施工。

4.5 地表陷坑回填复耕:

此段初支钢架置换仰拱封闭完成后及时进行二次衬砌施工, 待此段衬砌浇筑完成一周且混凝土同养试件强度达到设计强度的70%以上时, 用自卸车装运砂砾土回填, 装载机整平, 表层覆盖80cm厚腐殖土, 满足复耕要求。

4.6 安全保证措施

4.6.1 施工过程中通过加密监控量测测点、加大量测频率方式加强对此段围岩进行净空收敛、拱顶下沉及地表沉降观测, 随时掌握围岩变形动态, 以便及时采取措施。

4.6.2 洞内工作面预先准备一定数量沙袋, 置换钢架过程中发生流砂, 及时采用沙袋填堵。

4.6.3 掌子面开挖, 严格执行“短进尺、弱爆破, 预注浆, 强支护, 早封闭, 勤量测”施工原则, 尽可能减小开挖对后部围岩的扰动。

4.6.4 认真做好洞内外观察与掌子面地质素描, 详细观察记录各部位岩质变化。

4.6.5 严格控制下台阶开挖支护循环进尺, 不超过2榀钢架, 尽可能缩短钢架拱脚悬空时间, 及时施做仰拱初支封闭成环。

5 结束语

5.1 通过采用“洞内注浆加固, 钢架逐榀置换, 临时仰拱封闭, 锁脚横撑加强, 监控量测辅助, 二次衬砌紧跟”的综合处理方法, 芒罕图隧道出口施工顺利通过DK469+050～+030粉细砂层顺层塌方段, 现出口已顺利通过洞口浅埋粉细砂层地段, 此段二次衬砌已全部施做完成。

5.2 洪积砂层天然状态结构密实, 吸浆能力差, 注浆扩散固结效果差, 但经爆破开挖、打设小导管、锚杆等施工扰动后, 在隧道周边形成与径向系统锚杆、注浆钢管长度对应的松散范围圈, 保障注浆压力达到1.5MPa, 预留排气孔, 注水泥浆可以达到预期固结效果。

5.3 在施工中如果采用短进尺、预裂爆破等措施尽量减小施工对围岩的扰动, 及时增设径向小导管固结注浆, 或许可以避免顺层滑塌挤压变形发生。

5.4 采用上述综合处理方法, 解决了长大隧道在洞口浅埋、地质偏压、粉细砂层地质条件下的塌方穿越问题, 对类似隧道施工具有借鉴意义

参考文献

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].人民交通出版社, 2003年1月第1版.

[2]锡林浩特至乌兰浩特线.芒罕图隧道设计图.铁道第三勘察设计院集团有限公司.2004年天津.

粉细砂岩隧道 篇4

在浅埋局部含水暗挖隧道施工中, 及时抽排局部水囊, 并及时填充超细水泥-水玻璃混合浆液, 控制开挖引起的围岩松弛, 是防止地表下沉的主要方法。而控制开挖过程中的地表沉降量, 是浅埋局部含水暗挖隧道施工的关键。向拱顶砂层中注入超细水泥-水玻璃混合浆液, 使砂层固结, 提高砂层的自稳能力, 同时在周边土体中形成了一圈止水帷幕, 也降低了砂层的透水性, 是暗挖隧道顺利通过含水粉细砂层有效的方法。

2 工程概况

中山广场站至解放广场站区间配线长度381.94米, 覆土厚度约8.6~10.6m, 采用矿山法暗挖施工, 分离式单洞断面形式, 马蹄形断面结构, 复合式衬砌, 该隧道断面变化频繁, 有11种断面形式, 分别采用双侧壁导坑法、单侧壁导坑法、CRD法、上下台阶开挖预留核心土法施工, 标准段断面开挖宽度6.48米, 高度6.57米, 最大断面F型断面开挖宽度14.3米, 高度10.25米, 最小覆土厚度8.6米, 拱顶处在粉细砂层, 配线设停车线及交叉渡线, 交叉渡线中间土体最大厚度为6.8米, 最小厚度为0.5米, 中间土体薄弱, 多为粉细砂层。

2.1 水文地质条件

中山广场站至解放广场站区间配线地层由上到下依次为:

人工堆积层 (Qml) :杂填土 (1) 1层

第四系全新统冲洪积层 (Q4al+pl) :黄土状粉质粘土 (3) 1层;黄土状粉土 (3) 2层;粉细砂 (4) 1层;中粗砂 (4) 2层。

第四系上更新统冲洪积层 (Q3al+pl) ;粉质粘土 (5) 1层;粉土 (5) 5层;细中砂 (6) 1层;中粗砂 (含卵石) (6) 2层。

中山广场站至解放广场站区间配线隧道穿越地层主要包括: (4) 1粉细砂、 (4) 2中粗砂、 (5) 1粉质粘土、 (6) 1细中砂, 其中隧道拱顶位于 (4) 1粉细砂层和 (4) 2中粗砂层。对开挖影响的地下水主要为雨污水管、给水管局部渗漏水形成的水囊和上层滞水。

2.2 周边建筑物情况

中山广场站至解放广场站区间配线位于中山西路正下方, 结构埋深浅, 邻近建筑物, 线路左侧K8+900.691是国际商贸中心地上7层地下2层, 距区间主体结构7.4m;线路左侧K8+981.145是苏宁电器, 砖混7层, 距区间主体结构7.5m;线路左侧K9+217.5是丽华广场, 砖混5层, 距区间主体结构9.7m。

3 注浆工艺研究

3.1 注浆目的

注浆的主要目的是加固围岩、预防渗漏水、保证隧道稳定、减少地表沉降。针对目前洞内粉细砂层注浆困难的问题, 而地表不具备注浆条件, 通过不断调整水玻璃和磷酸的浓度和比例, 形成粘度低、凝胶时间可控、稳定性好的浆液, 用于封口, 确定超细水泥和水玻璃双液浆合理的注浆参数, 以满足粉细砂层注浆加固要求。在开挖过程中, 打设Φ32小导管并注浆和深孔注浆一起形成加固层, 使开挖面与地下水隔离, 有效的控制拱顶坍塌和地表沉降。

3.2 WSS工法工艺研究

3.2.1 WSS工法工艺参数

3.2.1. 1 深孔注浆浆液配备

注浆材料选用超细水泥, 粒径在4~10μm, 比表面积在6000cm2/g以上, 这一性质使超细水泥浆液有很好的可注性, 能注入渗透系数为10-3~10-4cm/s的细砂层, 超细水泥与化学浆液的注入性相似, 结石强度却高于化学注浆材料, 超细水泥浆液龄期3d的结石强度可达25.0MPa以上, 91d龄期可达62.0Mpa, 而且对地下水和环境均不产生污染。

深孔注浆浆液采用无收缩双液浆, 浆液可分为悬浊型 (由A液和C液组成, 简称AC液) 和溶液型 (由A液和B液组成, 简称AB液) 两种。AB液强度较低, 但止水效果好, AC液强度较高, 且渗透性强, 为了达到止水加固的目的, 所以采用AB液和AC液交互使用。注浆浆液浓度应根据隧道地质条件加以调整;初拟为 (1) 超细水泥; (2) 水玻璃:选用浓度40Be′, 比重1.37水玻璃原液; (3) 磷酸:85%磷酸。注浆时超细水泥浆和水玻璃浆1:1注入。具体浆液配比如表1和表2所示。

3.2.1. 2 深孔注浆孔位布置及加固范围

为了稳固掌子面周边砂层, 防止地表水涌入, 保证开挖时土体的自稳能力, 根据地质剖面图和现场开挖掌子面土层的实际情况, 考虑到隧道拱顶粉细砂层加固厚度约2m左右才能满足开挖要求, 因此, 确定此次WSS工法深孔注浆的注浆范围为开挖轮廓线外, 起拱线以上2m范围, 开挖轮廓线内1m范围。

深孔注浆孔位布置采用梅花形布置, 沿开挖轮廓线依次向内侧布设。最外侧的每个孔位分别向周边围岩的5个角度进行2~12m的钻孔注浆作业。内侧的每个孔位则采用角度与掌子面垂直, 长度12m的钻孔注浆作业。此外, 拱顶采用Φ32超前小导管进行配合注浆。

3.2.1. 3 WSS工法注浆参数

WSS工法注浆压力是注浆施工中的重要参数, 它关系到注浆施工的质量以及是否经济, 地层注浆压力应根据围岩水文地质条件合理确定。注浆速率主要取决于地层的吸浆能力 (即地层的孔隙率) 和注浆设备的动力参数, 考虑到多种因素建议粉细砂层注浆率范围取40~110L/小时, 施工时应根据现场试验, 确定注浆参数。如表3所示。

3.2.1. 4 理论注浆量的计算

由于浆液的扩散半径与砂层孔隙很难精密确定, 为准备注浆材料, 本参考图注浆设计根据隧道工程地质, 水文条件和注浆方案以及所选择的注浆材料, 进行注浆量的估算。

注浆量的估算公式按下式进行:

式中:Q=总注浆量, M3;

A=注浆范围体积M3;

n=孔隙率, %

a=浆液填充系数 (0.7-0.9)

ρ=注浆材料损耗系数

单孔理论注浆量:Q=12*π*0.5^2*0.41*0.8*1.12=3.46m3

设计中, na (1+ρ) 统称为填充率, 填充率按表4选用填充率选用表。

3.2.2 WSS工法注浆工艺流程

注浆施工工艺详见钻孔注浆施工工艺流程图。 (图1)

3.2.2. 1 止浆墙施工

单位:1M3

为保证注浆浆液在地层中扩散效果和注浆质量, 防止浆液从掌子面流出, 注浆前需制作止浆墙, 注浆首段止浆墙采用在掌子面挂φ6.5钢筋网片、打设φ22锚杆并喷射厚35cm的C25砼进行封闭, 确保注浆时不漏浆。之后一个注浆段完成后留止水加固岩盘2m不开挖, 作为下一循环注浆的止浆墙。

3.2.2. 2 钻堪探孔

在穿越局部富水粉细砂层施工时, 利用浅孔钻在拱顶、两拱脚和隧洞中下部钻5个φ76mm的超前预排水探孔, 预先排出局部水囊, 随时记录水质变化情况, 并采用钻眼排渣取样分析, 综合判断工作面前方20m长度范围内的地质构造、地下水露出位置和水量大小, 预报前方水文、地质状况。

3.2.2. 3 钻孔及注浆施工

钻进成孔:第一个孔施工时, 要慢速运转, 掌握地层对钻机的影响情况, 以确定在该地层条件下的钻进参数。密切观察溢水出水情况, 出现大量溢水出水时, 应立即停钻, 分析原因后再进行施工。每钻进一段, 检查一段, 及时纠偏, 孔底位置应小于30cm, 钻孔和注浆顺序由外向内, 同一圈孔间隔施工;

回抽钻:严格控制回抽幅度, 每步不大于15~20cm, 匀速回抽, 注意注浆参数变化。

注浆:注浆施工采用二重管和SYB-60/5双液变量注浆泵进行注浆, 注浆方式采用双重管后退式分段注浆, 每段不大于40~50cm, 注浆孔开孔直径不小于45mm, 严格控制注浆压力, 同时密切关注注浆量, 当压力突然上升应立即停止注浆, 查明原因后采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。

4 注浆加固效果检测

4.1 数值模块

在进行隧道注浆施工前, 数值模拟采用连续介质快速拉格朗日分析 (FLAC3D) , 理论预测注浆效果。该程序建立在拉格朗日算法基础上, 特别适合计算模拟材料的大变形和扭曲。FLAC3D采用显式算法获得模型全部运动方程 (包括内变量) 的时间步长解, 可追踪材料的渐进破坏和垮落。

从注浆数值模拟分析结果看, 注浆对隧道周围砂层加固后形成的加固圈, 可阻止地下水入侵, 保证隧道开挖顺利进行, 隔离了地下水, 对隧道后期防水起到很好的作用;隧道围护结构的受力相当于拱桥的受力, 拱顶沉降减少约32%, 并减少了地表沉降, 使沉降值处于可控范围。

4.2 注浆监测分析

隧道施工监测项目包括建 (构) 筑物变形、地面沉降、地下管线沉降、拱顶沉降、隧道收敛等。重点对地表沉降、地表管线沉降和拱顶沉降进行分析, 检验WSS工法注浆加固粉细砂层效果。

地下有压管线沉降监测预警值为8.5 mm, 允许值为10 mm;地下无压管线沉降监测预警值为17 mm, 允许值为20 mm;地表沉降监测预警值为25.5 mm, 允许值为30 mm, 若沉降值达到预警值, 应对地层进行注浆加固处理;拱顶下沉监测预警值为25.5 mm, 允许值为30 mm, 对拱顶沉降进行分析, 可预报土体坍塌及支护结构破坏情况。监测仪器采用天宝电子精密水准仪, 将监测数据与初始数据进行分析对比, 并绘出变形沉降曲线 (图8) 。

现场试验断面数据变化曲线显示, 地表管线沉降点GXC03-22达到黄色预警后, 立即采用WSS工法注浆加固开挖面周围的土体, 地表管线沉降点GXC03-22、地表沉降点DB9074-1、拱顶沉降点GDJ22沉降值都得到了有效控制, 使沉降值处于安全允许范围, 确保了施工安全, 有效的防止了地表和地表管线沉降。 (图2)

4.3 开挖砂层实体分析

采用超细水泥对粉细砂层深孔注浆和改性水玻璃对粉细砂层小导管预注浆相结合的方式, 开挖后掌子面出现劈裂浆脉, 开挖时粉细砂层固结良好, 稳定性强, 可以形成固结壳体, 不易坍塌。

5 结论

通过对注浆工艺研究, 本隧道在穿越粉细砂层地质时, 主要取得如下成果:

5.1 采用了超细水泥和改性水玻璃两种可注性材料, 解决了普通浆液在粉细砂层等低渗透地层注浆困难的问题;

5.2采用WSS工法对粉细砂层深孔注浆和改性水玻璃对粉细砂层小导管预注浆相结合的方式, 很好的控制了粉细砂层坍塌和地表管线渗水对隧道开挖的影响, 有效的制止了局部涌水、流砂, 确保了隧道施工安全。

5.3采用洞内打孔引水的预排水技术, 将局部水囊的水引到隧道中间, 抽排出至洞外, 使隧道拱部很少水甚至无水, 加强了砂层自身稳定性。预排水技术与预注浆技术结合在一起, 相辅相成, 取得一定的经济效益。

此次注浆工艺的研究与成功实施, 对于在类似局部富水粉细砂层复杂地质条件下, 且拱顶埋深10m以内的暗挖隧道具有很好的参考与借鉴作用。

摘要：本文对石家庄地铁1号线中山广场站至解放广场站区间配线隧道局部富水粉细砂层进行了分析, 根据施工现场实际情况和水文地质特征, 提出了用WSS工法采用超细水泥进行深孔注浆和小导管预注浆相结合的方法;并介绍了在该配线隧道施工中, 对局部水囊进行预排水, 采用超细水泥深孔注浆和小导管预注浆相结合的实例, 从注浆加固效果看, 达到了对粉细砂层加固的目的, 有效的解决了在局部含水粉细砂层中, 进行浅埋暗挖隧道施工的难题, 以便今后类似工程借鉴。

关键词：局部富水粉细砂层,深孔注浆,WSS工法

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