黃土隧道突水涌泥處理施工技術(shù)

陳志強(qiáng)，岳 華

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 金華 321000;2.中鐵十六局集團(tuán) 第四工程有限公司，北京 100010)

近年來(lái)，由于國(guó)家加大中西部地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)投資，在西北地區(qū)黃土高原修建高速公路隧道，碰到的首要難題是黃土隧道突水涌泥問(wèn)題。我國(guó)在隧道塌方處治方面已經(jīng)積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，但在濕陷性黃土施工中遇到突水涌泥處理尚缺乏較有效的經(jīng)驗(yàn)積累。本文從甘泉黃土隧道突水涌泥處理的過(guò)程入手，介紹了黃土隧道突水涌泥的處理工藝，包括原因分析、處理方案及處理后的開(kāi)挖、支護(hù)、二次襯砌施工和施工中的安全質(zhì)量保證措施，并對(duì)黃土隧道的突水涌泥處治施工方法進(jìn)行了探討和總結(jié)。

1 工程概況

甘泉隧道位于甘肅天水市麥積區(qū)甘泉鎮(zhèn)境內(nèi)，是寶天高速公路唯一的一座黃土隧道。上行線全長(zhǎng)1 775 m，下行線全長(zhǎng)1 710 m，線路平面位置設(shè)在半徑為1 200 m及650 m的曲線上，洞內(nèi)縱坡2.4%，采用三心圓曲墻復(fù)合式襯砌，最大開(kāi)挖跨度12.860 m，高度10.482 m，最大開(kāi)挖面積110.07 m3。隧道穿越 Q3黃土，厚度隨地形起伏變化，山體頂部至洞頂最厚達(dá)110 m，隧道洞身為強(qiáng)～弱風(fēng)化泥巖，巖體呈土夾砂狀，局部砂層含地下水豐富。進(jìn)出口圍巖以VI級(jí)為主，洞身圍巖以V級(jí)(濕陷性黃土)為主。

2 突水涌泥原因分析

該隧道在施工過(guò)程中小型突水涌泥時(shí)有發(fā)生，但是2007年2月1日晚23∶05洞內(nèi)突暴泥水尤為嚴(yán)重，突水涌泥距離長(zhǎng)達(dá)222.5 m，洞內(nèi)的大量小型機(jī)具及材料被掩埋，襯砌臺(tái)車被沖至50 m以外。與突水涌泥段落相對(duì)應(yīng)的地表塌陷長(zhǎng)15 m，寬12 m，深15 m左右的陷坑。突水涌泥有以下兩個(gè)因素:

1)本段施工中出水量較大，日最大流量達(dá)520 m3，水對(duì)土體的作用，加劇了初期支護(hù)的變形收斂，在水的強(qiáng)化作用下導(dǎo)致突水涌泥現(xiàn)象發(fā)生。

2)圍巖的整體性差，土質(zhì)不均勻，圍巖中局部含有砂層，使初期支護(hù)承壓過(guò)大，收斂變形嚴(yán)重，導(dǎo)致坍塌。

3 突水涌泥處理方案

3.1 洞內(nèi)的施工

1)清理淤泥。待塌方體穩(wěn)定后進(jìn)行淤泥清理，避免擾動(dòng)塌體，24 h不間斷觀測(cè)塌體涌泥狀態(tài)，做好應(yīng)急預(yù)案。由上至下分層分段清理使之形成緩坡道后，采取澆筑全斷面混凝土臨時(shí)仰拱支撐，厚度40 cm，然后對(duì)涌泥前沿進(jìn)行回填反壓，形成支撐體。

2)對(duì)洞內(nèi)松散體的處理。首先對(duì)掌子面拱頂以下2 m范圍內(nèi)采用大管棚進(jìn)行注漿固結(jié)，管棚按照0.55 m×0.55 m梅花形布置，大管棚的長(zhǎng)度及根數(shù)為:φ89 mm，L=15 m，12 根;φ89 mm，L=12.5 m，10根;φ50 mm，L=6.0 m，16根。采用水泥水玻璃雙液注漿，水泥與水玻璃漿液體積比為1∶1，水泥漿水灰比為 1.5∶1 ～0.6∶1。注漿固結(jié)見(jiàn)圖 1。

圖1 拱頂下2 m范圍加固(單位:m)

3)左側(cè)壁及上部導(dǎo)坑先開(kāi)挖出工作面，大管棚超前注漿固結(jié)松散坍塌體，左側(cè)壁導(dǎo)坑的施工如圖2。導(dǎo)坑側(cè)壁先采用8根φ50 mm超前管棚進(jìn)行固結(jié)，之后安裝I20工字鋼，掛網(wǎng)噴射混凝土。工字鋼間距為0.5～0.8 m，網(wǎng)片為 φ8 mm，網(wǎng)眼尺寸為 0.20 m×0.20 m，混凝土為 C20，厚30 cm。

圖2 左側(cè)壁導(dǎo)坑斷面示意

上部導(dǎo)坑(位置如圖3)開(kāi)挖的側(cè)壁及拱部采用噴厚40 cm C20素混凝土進(jìn)行支護(hù)，形成工作面后打入長(zhǎng)15～20 m φ89 mm的超前管棚20根對(duì)塌方體進(jìn)行固結(jié)。

圖3 上部導(dǎo)坑斷面示意

4)導(dǎo)坑開(kāi)挖范圍內(nèi)不能在注漿后開(kāi)始擴(kuò)挖導(dǎo)坑，邊擴(kuò)挖邊采用大管棚超前注漿加固，待塌方體固結(jié)后逐段清理土體及掩埋物，然后再超前注漿固結(jié)前段的塌方體，再向前掘進(jìn)。注漿固結(jié)見(jiàn)圖4。

圖4 下一步固結(jié)開(kāi)挖(單位:m)

5)開(kāi)挖。開(kāi)挖前先打入2～4根φ89 mm的大管棚超前探水。采用雙側(cè)壁法施工，以人工開(kāi)挖為主，預(yù)留大核心土，為加強(qiáng)核心土的自穩(wěn)能力，對(duì)核心土進(jìn)行小導(dǎo)管注漿固結(jié)，小導(dǎo)管采用4～6 m長(zhǎng)，從側(cè)壁導(dǎo)坑斜向打入核心土，并對(duì)其外露部分掛網(wǎng)噴錨。每環(huán)進(jìn)尺0.5 m，保證施工安全。在開(kāi)挖中遇有出水集中地段設(shè)置φ42 mm×4 mm長(zhǎng)4.5 m徑向小導(dǎo)管注水泥與水玻璃混合雙液漿進(jìn)行止水，并設(shè)引排水管泄水。在開(kāi)挖過(guò)程中左右側(cè)壁導(dǎo)坑縱向前后錯(cuò)開(kāi)3.0 m，每循環(huán)進(jìn)尺5～10 m后挖除外部核心土，進(jìn)行下循環(huán)施工作業(yè)。

6)超前支護(hù)。自塌體前沿位置開(kāi)始每隔10～15 m在拱部沿開(kāi)挖輪廓線施作一環(huán)大管棚，大管棚采用φ89 mm熱軋無(wú)縫鋼管制作，環(huán)向間距40 cm，上仰角3°～5°，搭接長(zhǎng)度3 m，大管棚內(nèi)增加3根 φ12 mm的螺紋加強(qiáng)鋼筋，呈三角形布置，通過(guò)管棚注1∶1水泥漿固結(jié)土體，管體用砂漿填滿;管棚間采用管徑φ42 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)，小導(dǎo)管長(zhǎng)3～4 m，環(huán)向間距20 cm，外插角30°～60°，注水泥與水玻璃混合雙液漿。為加強(qiáng)超前管棚的穩(wěn)定性將第一環(huán)尾部與二次襯砌預(yù)留鋼筋焊接牢固。若開(kāi)挖過(guò)程發(fā)現(xiàn)有涌水，在涌水部位增設(shè)超前管棚進(jìn)行引水。

7)初期支護(hù)。初期支護(hù)先掛設(shè) φ6 mm，20 cm×20 cm一層鋼筋網(wǎng)片，噴射10 cm厚的C20混凝土封閉圍巖，再采用間距為50 cm的I20a工字鋼支撐，局部出水大的地方將工字鋼間距調(diào)整為40 cm，兩榀工字鋼用環(huán)向間距50 cm的φ22 mm螺紋鋼筋進(jìn)行連接，連接筋采用內(nèi)側(cè)焊接。拱腳1 m范圍開(kāi)挖寬度擴(kuò)大25 cm，在拱墻結(jié)合部采用 L=3 m，φ42 mm×4 mm鎖腳注漿小導(dǎo)管，每榀工字鋼一個(gè)鋼拱腳處設(shè)置4根。采用厚60 cm C25模筑混凝土形成強(qiáng)支護(hù)。跳槽施作仰拱混凝土，支護(hù)形式同拱墻部。

8)二次襯砌。二次襯砌采用厚60 cm的C25模筑鋼筋混凝土，配筋采用φ25 mm雙層鋼筋網(wǎng)，縱向間距30 cm，環(huán)向間距20 cm，二次襯砌與掌子面距離盡量控制在25 m之內(nèi)。

9)排水設(shè)施。每5 m設(shè)一道環(huán)向排水管，將環(huán)向排水管與洞內(nèi)排水溝及縱向排水管連通。在出水密集部位對(duì)環(huán)向排水管加密，每1～2 m設(shè)置一道。

3.2 洞外地表處理

1)地表處理

采用人工配合挖掘機(jī)對(duì)地表陷穴進(jìn)行分層回填，逐層夯實(shí)，臨近地表1 m處先鋪設(shè)一層防水土工布，再采用一層厚度30 cm的3∶7灰土封閉夯填。

2)地表綠化

地表刷坡完成后，待后期沉降穩(wěn)定后對(duì)地表進(jìn)行綠化防護(hù)。

3)地表沉降觀測(cè)

在地表刷坡完成后，沿縱斷面每級(jí)臺(tái)階設(shè)置沉降觀測(cè)斷面，以加強(qiáng)對(duì)地表的位移沉降觀測(cè)。

4 質(zhì)量安全措施

4.1 質(zhì)量保證措施

1)預(yù)留大核心土，順線路方向核心土長(zhǎng)≥5 m，以保證圍巖的整體穩(wěn)定性。

2)開(kāi)挖時(shí)遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌、勤量測(cè)”的原則，每一循環(huán)只掘進(jìn)0.5 m，掘進(jìn)完成后，立刻進(jìn)行支護(hù)襯砌，縮短圍巖的暴露時(shí)間。

3)仰拱與掌子面的距離盡量縮短，滿足施工需要，及早形成封閉。

4)加強(qiáng)已完襯砌的量測(cè)工作，每天對(duì)拱頂作沉降觀測(cè)，及時(shí)做好記錄與分析。

4.2 安全保證措施

1)洞頂刷坡回填施工時(shí)設(shè)專人指揮機(jī)械。

2)派責(zé)任心強(qiáng)、有經(jīng)驗(yàn)的專職安全員檢查洞內(nèi)安全。

3)做好圍巖量測(cè)工作，及時(shí)將量測(cè)信息進(jìn)行處理、分析，用于安全管理。

4)準(zhǔn)備足量的沙袋，若再次出現(xiàn)涌水、涌泥作為應(yīng)急使用。

5 結(jié)語(yǔ)

甘泉隧道突水涌泥施工方案和開(kāi)挖方法選擇得比較合理，施工能夠順利進(jìn)行，從本次突水涌泥過(guò)程中可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)僅供參考。

1)施工中要遵循先固結(jié)后開(kāi)挖穩(wěn)扎穩(wěn)打逐步推進(jìn)的處理原則。

2)處理過(guò)程中要遵循排水、堵水及防水三結(jié)合的原則。

3)軟弱圍巖及不良地質(zhì)段落施工時(shí)盡可能地縮小各工序的步距，做到初期支護(hù)及時(shí)成環(huán)，二次襯砌緊跟掌子面。

4)在施工過(guò)程中采取的方法和技術(shù)應(yīng)該隨地質(zhì)條件的變化而改變，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況對(duì)開(kāi)挖方法和支護(hù)參數(shù)及時(shí)做出調(diào)整。

5)對(duì)一些關(guān)鍵工藝要嚴(yán)格把關(guān)，落實(shí)到位。如注漿固結(jié)工藝首先要多次試驗(yàn)找到合適的配比參數(shù)，其次要調(diào)整好雙液壓漿機(jī)的流速閥，保證按照配比進(jìn)行注漿，最后還要保證壓漿飽滿。

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