黄土隧道浅埋富水段施工技术

1、黄土隧道浅埋富水段施工技术关键词：隧道 富水浅埋 超前降排水 旋喷桩防水 薄覆盖层介绍山西中南铁路通道石楼隧道穿越河沟所遇到的浅埋富水地质所采用的施工方法及采取的措施,成功地解决了浅埋暗挖软弱地层区间隧道施工技术难题,所采用的超前降低洞内水位及超前旋喷桩防水,克服了富水软弱地层施工技术难题。利用浅埋段薄覆盖层的特点解决了洞内二次供电问题及洞内排水问题，成功的节约了高压进洞和掌子面往洞口排水的成本。为以后类似工程的施工提供了参考。伴随着20世纪世界科学、技术、经济的发展，交通运输、水利、水电、采掘，特别是城市地下交通及空间利用等，对隧道工程在数量和难度上提出了更高的要求。大规模的地下工程建设促进

2、了隧道修建技术的进步。纵观当今国内外交通隧道的发展，有个非常明显的趋势：即隧道越修越长，应用的场合越来越广，而且以隧道方式为多用和跨越水域的例子越来越多。这是经济的迅速发展，对交通运输提出了更高要求的必然结果。 由于黄土独特的节理和构造特征及其湿陷型，随着大量黄土隧道的修建，黄土隧道成了近年来隧道施工研究的重点和难点，本论文通过一个成功的案例对黄土隧道的富水浅埋段施工做出一个可行的施工方案。1.工程概况石楼隧道位于山西省吕梁市石楼县与隰县境内，为黄土高原丘陵地貌，地形起伏较大，隧道最大埋深约为252m，最小埋深3.6m。本隧道为单洞双线隧道，直线段线间距为4.0m。隧道进口里程为DK221+4

3、15，出口里程为DK234+225，全长12810m。其中DK232+990DK232+920段位于隰县城南乡坊底村的一个沟谷内，沟谷内常年积、流水，形成较厚淤积层，隧址区土体含水均处于饱和状态，洞顶埋深3.610.4m不等，并于DK232+931处下穿河沟最大富水段，于DK233+000处下穿乡村道路，线路左侧（河沟下游）约150m处是杜家塔1#淤积主干坝（坝体长81m，高14m，顶面宽7m，底面宽35m），对隧道施工造成了极大的困难和安全施工隐患。图1：埋深纵断面图及现场地貌。图1 埋深纵断面图及现场地貌2.技术难点及方案的选择2.1.施工技术难点该地段主要土质为老黄土，河沟常年有流水，底

4、部主要为淤泥与河卵石，无稳定性，易塌方，地下水丰富,施工期间降雨充沛,地下水补给充足,因而,地下水的控制显得非常重要且极为困难。黄土地层软弱，稳定性受水影响较大。隧道开挖后周边围岩在自重应力的作用下松弛变形, 控制不好易产生变形坍塌。施工时,必须采取严格措施控制,防止产生大的变形及坍塌。2.2.施工方案的比选根据黄土的特性及现场实际情况，在收集国内类似工程施工方案的基础上，结合施工图设计初步确定两个施工方案：一为半明挖揭盖法施工，即将拱顶覆盖土按1:0.75坡率开挖至上、中台阶接头处并留出一个2m施工平台，并按照拱部设计形状人工修筑土模，在土模上立架，用混凝土块固定拱架、喷砼支护并留出拱角接头

5、处。正洞施工时，采用三台阶七步法施工，上台阶开挖出来后，只需把凸凹处补喷平整，中台阶拱架与上台阶拱架露出的接头处连接，下台阶正常施工，衬砌采用钢筋混凝土，待衬砌施工完毕后，拱顶原地面回填覆盖土。二为超前进行洞内降水及地表处理，采用三台阶七步法安挖施工。考虑浅埋段施工时期为6月至7月，正为隰县每年的雨季，以及明挖法增加的土方开挖量，选择成本相对低廉、风险较小的暗挖法。3.主要施工方法整体施工方案包括：地表水预处理旋喷桩注浆防水大口井超前洞内降水地表注浆处理超前支护开挖支护仰拱衬砌地表沉降及洞内收敛观测。3.1.地表水预处理DK232+931处河沟虽然水流不大，但常年流水，为避免浅埋段地表水从洞顶

6、直接流淌过，在线路右侧约50m冲沟的下游筑拦水坝，拦截河沟及冲沟内地表水，并在拦水坝上游（冲沟口）处设集水井，集水井内设水泵，将水引排至线路左侧。在线路左侧约40m冲沟的上游筑拦水坝，避免下游水满倒流至隧址区。两处拦水坝之间地表水利用水泵引排至左侧拦水坝下游。最后，所有地表水利用杜家塌1#主干坝排水设施排走。图2 施工前排水、拦水示意图。图2 施工前排水、拦水示意图3.2.旋喷桩施工旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程，将预先配制好的浆液通过高压发生装置使液流获得巨大能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，

7、使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而达到地基加固和防水效果。施工中一般分为两个工作流程，即先钻后喷，再下钻喷射，然后提升搅拌，保证每米桩浆土比例和质量。在隧道中线两侧各9m处施做600mm的高压旋喷桩，相邻桩咬合20cm，做成止水帷幕。桩长根据地表地形情况确定，保证桩底标高低于隧底标高4m。具体见图3平面布置图及图4纵断面图。3.2.1.旋喷桩施工要求（1）设计桩径： 60cm，相邻两桩咬合20cm。（2）高压泥浆压力：2328Mpa（3）提升速度：2025cm/min（4）旋转速度：约为20r/min图3 旋喷桩平面布置图图4 旋喷桩纵断面图（5）水灰比：1：13.

8、2.2.旋喷桩施工流程定位钻机成孔旋喷机就位（设备调试）下旋喷管配送浆液旋喷提升泥浆外排清洗机具新孔就位。见图5 旋喷桩施工工艺流程图。钻机就位调整钻架角度打 管钻 孔插 管高压旋喷桩注浆作业喷射结束拔 管器械清洗泥浆的排放处理图5 旋喷桩施工工艺流程图3.2.3.旋喷桩操作步骤（1）定位：现场技术人员按施工图及现场实际情况放样，并做好明确标志，确保旋喷桩机定位准确。（2）喷射注浆前以钻机成孔，各桩成孔深度大于设计深度0.5m，成孔时钻机机架垫平，钻机保持垂直锤头和钢丝绳地面，成孔垂直度1%.（3）喷注作业。（4）旋喷机架就位，喷管位于自然悬吊状态时喷管中心对准孔心，偏差不得大于二分之一孔径（

9、成孔孔径），保证下管、提升及旋喷注浆的顺利进行。（5）下喷管前先检验喷浆口是否完好畅通，再做喷浆试验，当浆压符合设计时方可下喷管。（6）喷管下至设计深度10cm时，开始拌送水泥浆，待达到设计参数，孔口冒浆正常后，再开始旋喷提升。（7）喷注中若遇故障等特殊情况，喷管须下降10cm才能继续喷注，以保证旋喷加固的竖直连续性。（8）喷注作业时，做好已喷邻桩的补浆回灌工作，保证加固后的桩顶标高，同时施工中必须及时做好废浆处理工作。3.3.大口井超前洞内降水在隧道中线位置上，每间隔14m做一个200cm的大口井降水，井底标高低于隧底标高3m，降水井下200PVC管护壁，并在PVC管上打孔便于排水，在每个降

10、水井里面个设置一个潜水泵抽水。图6 大口井平面布置图。图6 大口井平面布置图潜水泵在安装前，对水泵本身和控制系统作一次全面细致的检查。检验电动机的旋转方向，各部位螺栓是否拧紧，润滑油是否加足，电缆接头的封口有无松动，电缆线有无破坏折断等情况，然后在地面上转35min，如无问题，方可放入井中使用。深井内安设潜水电泵，可用绳吊入滤水层部位，带吸水钢管的应用吊车放入，上部与井管口固定。设置深井泵的电动机座应安设平稳，转向严禁逆转（设有逆止阀），防止转动轴解体。潜水电动机、电缆及接头必须有可靠的绝缘，每台泵配置一个控制开关。主电源线路沿深井排水管路设置。安装完毕应进行试抽水，满足要求后始转入正常工作。

11、潜水泵用钢丝绳吊放。安装并接通电源，铺设电缆和电闸箱，做到单井单控电源，并安装时间水位继电自动抽水装置和漏电保护系统。井口地面以下2m范围内用粘性土回填压实，井管要高出地面0.3m，并在周围立显著标志和加井盖予以保护。3.4.地表注浆处理洞身大口井进行降水施工后，洞顶土体内的含水将下渗，原有土体会呈现松散状态，土体间黏聚性大大降低，土体应力出现不规则分布，对洞身施工造成安全隐患，为确保施工安全，对地表土体进行注浆处理，打设42小导管，L=4.5m，灌注水泥单液浆进行地表加固。注浆材料：水泥单液浆，水灰质量比为1:1。注浆参数：孔距3m；浆液扩散半径2m；注浆压力：初压0.2Mpa0.5Mpa，

12、终压2Mpa3Mpa。注浆顺序：注浆时先灌注最外两排孔，然后依次向内推进。每排注浆孔中，先灌注两端的孔，然后间隔交错灌注。3.5.超前支护为确保汛期施工安全，DK232+965DK232+920段施工增加89管棚，拱部1400范围内设置，环向间距3根/m。管棚采用热轧无缝钢管，施工内容主要包括封闭开挖面、设钻机平台、测定孔位、钻孔、钻机退出、安设无缝钢管，必要时注浆封孔等工序施工中拱部1400范围内设置42小导管，L=5.0m，环向间距3根/m，每1.5m施作一环，每环39根。小导管采用双层热轧无缝钢管，前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。3.6.开挖支护3.6.1.开挖图7 超前小导管

13、平面示意图浅埋段开挖采用三台阶七步法，三台阶七步开挖法是以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，分上中下三个台阶七个开挖面，各部位的开挖与支护采用沿隧道纵向错开、平行推进的隧道施工方法。(1)工艺特点施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。(2)施工要求三台阶七步开挖法施工应符合

14、下列要求：以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破。弧形导坑沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护。其他分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环。仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系。施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。完善洞内临时防排水系统，防止地下水浸泡拱墙脚基础。(3)三台阶七步开挖法施工工艺三台阶七步开挖法可分为以下主要步骤：第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度为35 m，宽度为隧道开挖宽度的1/31/2。开挖循环进尺控制在0.5m；开挖高

15、度为3.1 m，开挖后立即初喷35cm砼。上台阶开挖矢跨比大于0.3，开挖后及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，拱架脚垫C25预制混凝土块（503510cm），在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。第2、3步，左右侧中台阶开挖：开挖循环进尺控制在0.5 m；开挖高度为3.66m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。第4、5步，左右侧下台阶开挖：开挖循环进尺

16、控制在0.5 m；，开挖高度一般为3.04m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角30打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。第6步，开挖上下台阶预留核心土，开挖后及时进行隧底开挖。第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为12m，开挖后及时施作仰拱初期支护，完成隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度为46m。施工分部如图8 三台阶法施工工序透视图。3.6.2支护为保护围岩的天然承载力，隧道支护应尽快施做，DK232+990DK232+965原设计为V级加强A型，初期

17、支护采用HW175型钢支撑，间距0.5m/榀，砂浆锚杆L=5m，开挖完毕后立即喷射30cm厚C30早强混凝土， DK232+965DK232+920图 8 三台阶开挖施工工序透视图原设计为V级加强，初期支护采用I20a型钢支撑，间距0.75m/榀，系统锚杆L=3.5m，间距0.75*0.75（环*纵），钢筋网为8*8,间距20*20（环*纵），C25喷射混凝土厚度为25cm，初期支护开挖后立即施做，以保护围岩的自稳能力。图 9 V级加强A型复合衬砌断面图3.7.仰拱衬砌施工仰拱及衬砌按照设计采用C35钢筋混凝土施工，具体注意事项如下：1、隧底开挖采用全副分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长

18、度控制在2-3榀。2、隧底开挖后，应及时清除虚碴、杂物、泥浆、积水，立即初喷3-5cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。3、仰拱应超前拱墙衬砌，每循环浇注长度宜为4-6m，仰拱采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土分段全幅浇注，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，无积水。4、仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇注，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。填充混凝土强度达到5Mpa后允许行人通行，仰拱填充表面坡度应符合设计要求，达到平顺，排水通畅，无积水的效果。5.应缩短仰拱到

19、开挖面的距离，必要时仰拱跟至下台阶，二衬亦应紧跟掌子面；3.8.监控量测技术为保证施工安全,施工中必须进行施工监测工作,信息化施工; 同时,监测信息能及时了解围岩稳定情况,支护结构变形情况,及时修改施工参数及支护参数,切实保证施工安全。地表量测：在隧道中线上每隔5m布设一个沉降观测点，在浅埋段施工中每天对地表进行观测，以便及时掌握浅埋段隧道施工中存在的安全隐患。洞内周边位移和拱顶下沉观察：通过对拱顶下沉及周边收敛的量测所得变形量分析，来判定隧道的稳定情况。洞内5m布置一个量测断面，一断面内的拱顶、起拱线及墙脚以上1m处，各布置一组测点。采用水准仪量测拱顶下沉，周边收敛仪量测侧壁位移量。洞内断面量测点布置如图10。4.二次供电及洞内排水隧道施工至浅埋段，距离洞口已经1200m，洞口处设置的630KVA变压器已不能满足洞内施工电力要求，考虑到高压进度成本过高，在DK232+984右侧25m