弱胶结砂岩黄土隧道建设技术方法

2017年10月弱胶结砂岩黄土隧道建设技术方法报告人：朱永全周晔石家庄铁道大学中铁十九局2017年10月弱胶结砂岩黄土隧道建设技术方法报告人：朱永全一、铁路隧道突水涌泥地质灾害典型事故简介内容提要一、前言二、第三系系富水砂岩地层性质三、施工方法试验与选择四、洞内外施工降水技术五、超前围岩加固关键技术六、结语一、铁路隧道突水涌泥地质灾害典型事故简介内容提要一、前言一、前言

兰渝铁路是西南西北之间最便捷、快速的通道。北起甘肃省兰州市枢纽，经渭源、岷县、宕昌县、陇南市（武都区），经过陕西省宁强县进入四川省，经广元市、苍溪县、阆中市、南部县、南充市（顺庆区）、武胜县至重庆市合川，北碚。1.兰渝铁路概况一、前言兰渝铁路是西南西北之间最便捷、快速的通道一、前言胡麻岭隧道是兰渝铁路的关键性工程，位于甘肃省定西市境内，全长13611m，设计为客货共线双层集装箱，开通时速200km/h，为双线大断面隧道，开挖断面135m2。2.胡麻岭隧道概况200km/h双线隧道断面一、前言胡麻岭隧道是兰渝铁路的关键性工程，位一、前言隧道原设计地质以砂岩为主，原设计有4座斜井，因工期满足不了要求，先后增加了5号、7号、8号三个辅助坑道。2.胡麻岭隧道概况一、前言隧道原设计地质以砂岩为主，原设计有4座斜一、前言其中3#、4#斜井在施工中遇到了前所未见的第三系弱胶结饱和粉细砂岩地层，其成分以石英为主，呈黄色、桔黄色，粉细粒结构，泥质弱胶结，局部夹有砾岩薄层，成岩作用极差，属极软岩。2.胡麻岭隧道概况一、前言其中3#、4#斜井在施工中遇到了前所未见一、前言第三系砂岩在兰州盆地和定西盆地分布范围较广，沉积厚度较大。兰州地区除新城盆地（河口、新城一带）基底为白垩系地层外，榆中（定远）、城关、七里河、安宁堡及西固盆地，下伏基岩均为第三系红色砂岩或碎屑岩类，在地貌上多表现为黄土梁峁和河谷阶地上覆风积和冲洪积黄土，下伏第三系泥岩、砂岩及砾岩。3.第三系砂岩分布概况一、前言第三系砂岩在兰州盆地和定西盆地分布范围较广弱胶结砂岩黄土隧道建设技术方法二、第三系系富水砂岩地层性质

第三系富水粉细砂岩基本物理力学性能：①粉细粒结构，极弱胶结；②具有敏感的水稳特性；③天然含水率大，渗透系数低；④地层的孔隙率较高，细度模数小（0.5～0.7）等基本性质。1.地层基本性质二、第三系系富水砂岩地层性质第三系富水粉细砂岩基本物理力学二、第三系系富水砂岩地层性质

地层天然含水率较高，塑限含水率为11.8~15.6%，液限含水率为32%。地层不同含水率状态下性状变化显著：①天然含水率下的围岩汗状渗水；②含水率达到11.0~16%时围岩呈软塑状；③含水率达到16%~30%时围岩呈流塑状。④含水率大于32%呈流砂状。2.地层的性态变化二、第三系系富水砂岩地层性质2.地层的性态变化二、第三系系富水砂岩地层性质含水率达到11.0~16%时围岩由固态向塑态转变。围岩开挖后受地下渗流作用，在5-20min内产生发汗性渗水，渗水影响围岩表面软化为流泥状，围岩受渗水浸泡软化，岩面持续层层剥离，开挖及支护施工困难。3.围岩工程特征（1）围岩汗状渗水二、第三系系富水砂岩地层性质含水率达到11.0~16%时围岩

汗状渗水状态

汗状渗水状态二、第三系系富水砂岩地层性质含水率达到16%~30%时围岩转变为流塑状，流塑状围岩从掌子面或初期支护背后挤出，可挤出几十厘米到几米。3.围岩工程特征（2）围岩流塑状二、第三系系富水砂岩地层性质含水率达到16%~30%时围岩转流塑状态

流塑状态二、第三系系富水砂岩地层性质在遇水囊、溶腔、岩溶通道或地下河时，会突然间形成突水、涌砂，造成塌方、支护变形破坏，甚至照成机械设备损坏和人员伤害事故。3.围岩工程特征（3）围岩涌砂状二、第三系系富水砂岩地层性质在遇水囊、溶腔、岩溶通道或地下河涌水、流沙涌水、流沙二、第三系系富水砂岩地层性质受施工人员、设备持续振动和扰动，会产生振动液化现象。造成人员施工困难、设备陷入液化围岩中无法移动；可导致结构沉陷变形、仰拱开裂。3.围岩工程特征（4）围岩易振动液化二、第三系系富水砂岩地层性质受施工人员、设备持续振动和扰动，涌水、流沙涌水、流沙三、施工方法试验与选择

1.盾构法方案(1)胡麻岭盾构所需断面拟采用南京过江泥水大盾构三、施工方法试验与选择1.盾构法方案(1)胡麻岭盾构三、施工方法试验与选择

1.盾构法方案（2）浅埋段（埋深65m）管片受力分析（1）管片最大拉应力为3.94MPa，最大压应力为12.4MPa。管片最大变形量为17cm，理论上可行。长大山岭铁路隧道采用盾构法施工的其它影响因素较大，实际采用相当困难。三、施工方法试验与选择1.盾构法方案（2）浅埋段（埋深三、施工方法试验与选择

1.盾构法方案(3)神买断管片受力分析深埋段实际富水粉细砂厚130m,地表黄土厚70m:根据计算结果，管片最大拉应力11.5MPa，最大压应力45.4MPa。常规钢筋混凝土管片从受力变形角度考虑是不可行的。三、施工方法试验与选择1.盾构法方案(3)神买断管片受三、施工方法试验与选择

1.盾构法方案（4）隧底设超前降水小盾构试验情况施工中曾在5号斜井工区正洞重庆方向隧底设超前降水小盾构工法试验，小盾构直径1.5m，施工中小盾构因扎头被卡，试验失败。三、施工方法试验与选择1.盾构法方案（4）隧底设超前降水三、施工方法试验与选择

2.冻结法方案冻结帷幕厚度取2.5m，冻结长度30m。同样，富水粉细砂厚度60m浅埋时，盾构管片受力变形理论上可行；富水粉细砂厚度达200m深埋时，盾构管片受力变形理论上部可行。积极冻结50天

三、施工方法试验与选择2.冻结法方案冻结帷幕厚度取三、施工方法试验与选择

3.矿山法方案（1）埋深50m、降水工况理论分析由计算结果可知，埋深50m的富水粉细砂地层，通过降水疏干地层后，隧道施工整体最大沉降均为8cm，隧道顶部最大沉降在5cm，所以降水后浅埋段使用矿山法开挖是可行的。

无超前加固时的围岩塑性区1.0m超前加固圈时的围岩塑性区

三、施工方法试验与选择3.矿山法方案（1）埋深50m、三、施工方法试验与选择

3.矿山法方案(2)埋深200m（130m厚粉细砂和70m黄土）、不降水工况从计算结果来看，在施作3m长360°加固圈之后的隧道顶部沉降达到1.6m，底部拱起也达到了1.2m以上，隧道整体沉降最大处达到了将近3m。所以，若隧道顶部200m埋深全部为富水粉细砂，且不降水的情况下，采用矿山法开挖隧道是不可行。(3)埋深200m（130m厚粉细砂和70m黄土）粉细砂、降水施工工况从结果可知，130m厚粉细砂和70m黄土地层，在降水和超前加固厚度1.0m条件下，隧道顶部最大沉降在28cm，隧道的最大沉降有40cm，矿山法施工可行。三、施工方法试验与选择3.矿山法方案(2)埋深200m三、施工方法试验与选择

3.矿山法方案三、施工方法试验与选择3.矿山法方案在铁路大断面隧道条件下，不仅采用多分部开挖，而且采用降水、围岩加固多种辅助工法。原因是：富水流坍状态的砂层，自身无稳定性，开挖扰动后，地层自重将全部作为荷载作用在隧道结构上，因此深厚地层不进行地层改良，现行各种方法的结构都不可行。在铁路大断面隧道条件下，不仅采用多分部开挖，而且采用降水三、施工方法试验与选择

多种方法试验失败也说明了该种深厚层富水砂层的特殊性。三、施工方法试验与选择多种方法试验失败也说明了该种深厚层富四、洞内外施工降水技术

开挖0～0.5小时内含水率较低，约15%～16%左右；0.5小时后含水率开始快速上升，在开挖后1.5小时含水率达到17%，砂岩开始发生塑性变形，砂岩的稳定性变差；1.5小时后含水率继续上升，在2.5小时后砂岩达到饱和状态，开始发生流坍。1.围岩稳定性与含水率的关系粉细砂地层单轴强度与含水率量之间的关系

四、洞内外施工降水技术开挖0～0.5小时内含水率较低，约1四、洞内外施工降水技术

2.洞内降水短距离围岩疏干技术台阶法斜向和水平真空降水管不同于一般砂层，该弱胶结砂岩，渗透性系数在10-5,洞内降水疏干是否困难；埋深大，地面井点降水不仅成本高，而且降水也十分困难。因此，出现了洞内外各种降水方式。四、洞内外施工降水技术2.洞内降水短距离围岩疏干技术台CRD法斜向和水平真空降水管CRD法斜向和水平真空降水管四、洞内外施工降水技术

3.洞内降水短距离围岩疏干技术这是洞内降水短距离围岩疏干实际情况。四、洞内外施工降水技术3.洞内降水短距离围岩疏干技术这四、洞内外施工降水技术

4.低渗透性地层地表深井降水只有地表井点降水可超前量大，达到长距离提前疏干地层地下水的目的。常用地表井点井深在几十米，低渗透性地层井点间距小，降水成本高。考虑到该种地层隧道施工的难度，第三系富水粉细砂地层100m以内也应是降水方式的首选。四、洞内外施工降水技术4.低渗透性地层地表深井降水四、洞内外施工降水技术

4.低渗透性地层地表深井降水在低渗透性地层中，本成果成功实现了长区段、大比量的超深井降水，地表超深井布置在7号竖井兰州端与5号斜井重庆端之间的岭脊区，共设超深井112口，其中孔深100~179的69口、孔深180~179m的41口、孔深大于200m的2口，最深井208m。相对于洞内各种降水方式，降水效果好、施工综合成本低，在井点施工技术许可的条件下，特别是遇水囊、溶腔、岩溶通道或地下河时，优先选用地表超深井井点降水。四、洞内外施工降水技术4.低渗透性地层地表深井降水四、洞内外施工降水技术

4.低渗透性地层地表深井降水洞内综合降水是短距离疏干地下水的易操作方法。由于开挖掌子面自身的渗流作用，上台阶开挖后，下台阶会渗水、隧底会积水，在无地表降水或地表降水效果不好时，洞内降水疏干是必要的。因粉细砂地层中的粉粒易堵塞孔眼，降水管时效段，长距离超前降水也是困难的。因此，本工程总结形成了：洞内台阶斜向轻型井点、掌子面超前水平短管真空降水和隧底重力深井负压降水技术。因地层渗透性极低，洞内综合降水应在开挖前3d进行；洞外地表重力式深井降水应超前15d进行，方达到预期降水效果。四、洞内外施工降水技术4.低渗透性地层地表深井降水五、超前围岩加固关键技术上半断面水平旋喷加固

1.超前水平旋喷高压注浆加固施工技术采用桩径为60cm，桩间距为40cm水平旋喷桩进行预加固，桩长18m，搭接长度5m，旋喷桩内置φ89钢管，外插角7°，旋喷桩开孔位置距离初支外轮廓30cm。五、超前围岩加固关键技术上半断面水平旋喷加固1.超前水平五、超前围岩加固关键技术1.超前水平旋喷高压注浆加固施工技术这是一套非常先进的水平旋喷装备。五、超前围岩加固关键技术1.超前水平旋喷高压注浆加固施工技五、超前围岩加固关键技术全断面水平旋喷加固

1.超前水平旋喷高压注浆加固施工技术这种全断面水平旋喷加固，掌子面任何部位都可以失稳，甚至隧道也需要加固，止水并加固围岩。加固工程量大，作业时间非常长。五、超前围岩加固关键技术全断面水平旋喷加固1.超前水平旋喷五、超前围岩加固关键技术周边水平旋喷和掌子面注浆加固

2.超前水平旋喷注浆和掌子面注浆联合加固施工技术五、超前围岩加固关键技术周边水平旋喷和掌子面注浆加固2.五、超前围岩加固关键技术上半断面超前帷幕注浆

3.超前帷幕注浆加固技术循环长20m，开挖预留6m止浆岩盘，注浆固结半径为开挖轮廓线外5m；注浆终压2.5MPa，拟定注浆扩散半径1.2米，注浆孔环向放射状布置，即起始端上半断面按5环间距0.5米布孔，终端孔间距2.0m。注浆采用水泥单液浆，水灰比（0.8～1）:1；设计注浆量22.90m3～57.27m3/延米，实际注浆量根据现场试验最终确定。五、超前围岩加固关键技术上半断面超前帷幕注浆3.超前帷幕五、超前围岩加固关键技术全断面超前帷幕注浆

3.超前帷幕注浆加固技术循环长20m，开挖预留6m止浆岩盘，注浆固结半径为开挖轮廓线外5m；注浆终压2.5MPa，拟定注浆扩散半径1.2米，注浆孔环向放射状布置。注浆采用水泥单液浆，水灰比（0.8～1）:1；设计注浆量45.80m3～116.54m3/延米，实际注浆量根据现场试验最终确定。五、超前围岩加固关键技术全断面超前帷幕注浆3.超前帷幕注五、超前围岩加固关键技术全断面超前帷幕注浆

3.超前帷幕注浆加固技术五、超前围岩加固关键技术全断面超前帷幕注浆3.超前帷幕注1.洞内综合降水是短距离疏干地下水的易操作方法。由于开挖掌子面自身的渗流