隧洞施工流沙处理

简介： 云南地区地质条件复杂多变,隧洞施工过程中断层、堆积层、流砂、涌水、涌泥难以避免，必须超前考虑施工机械与隧洞施工断面配套设置，随地质条件的变化，预备工程施工材料与相关工程技术人员和施工人员，作到有备无患，本文就该隧洞施工过程中的流砂、涌泥、涌水导致坍方为例，介绍不良地质洞段超前

鉴于复合土工膜部分现场观测成果合成材料在工程应用中具有一定的抗老化能力，故有些国家的某些文件中对其使用年限作了较为宽限的规定，如前苏联BCH07-74《土石坝应用聚乙烯防渗结构须知》中规定，聚乙烯土工膜可用于使用年限不超过50年的建筑物。奥地利林茨公司发表的“聚丙烯复合土工膜土工合成材料的长期性状”一文中的结论写道：“对聚丙烯的15年以上的现场应用经验表明，它们的化学和生物稳定性高；织物的最大损坏是在施工中；铺设以后没有大变化；……可预期超过100年的稳定性。

1、工程概况

　　星云湖、抚仙湖是云南九大高原湖泊中的两个姐妹湖，属珠江流域南盘江水系。玉溪市星云湖、抚仙湖出流改道工程位于江川县境内，工程建设的目的是保护抚仙湖、改善星云湖、满足玉溪市长远用水需求。星云湖、抚仙湖出流改道工程，即有保护和治理两湖污染的效益，又有向玉溪市供水的效益，对两湖周边旅游业和数万亩农田灌溉也有直接影响。工程等别为Ⅲ等中型，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。建筑物防洪标准为20年一遇（P=5%）设计。地震设防烈度采用Ⅷ度。

　　2、工程地质

　　星云湖抚仙湖出流改道工程二标段(5+800～11+867.8)围岩地质复杂多变,共穿越F2-1、F1-1、F1断层，断层带及断层影响带围岩为泥质粉砂岩夹泥或泥质粉砂岩互层，岩层节理极为发育，岩体完整程度较破碎，呈破碎松散状，部分地段为强风化破碎带，且为含水层，开挖后围岩自稳时间短,顶拱沉降、坑壁易坍塌，墙体在地下水作用下挤胀变形，顶拱易坍方。Ⅴ类围岩岩层为灰白色泥岩，泥质粉砂岩与粉砂岩互层，夹灰黑色炭质泥岩，部分地段呈松散状洪冲积层，地下水位较高，在地下水丰富地段，开挖后有涌水涌泥情况，围岩自稳时间短,顶拱沉降易坍方，坑壁易坍塌，边墙缓慢挤胀位移变形。

　　3、工程布置

　　根据二标段地形地貌特征，在6+785处部置1#斜井，斜井长172.1米,坡度21度,与主隧洞6+785斜交36度,1#斜井处于F2-1断层带。2#斜井与主隧洞正交于10+757.038,坡度19度,斜井长196.7米，2#斜井处于F1-1、F1断层影响带。出口11+830向进口方向施工，11+100～+830属Ⅴ类围岩，围岩慢性挤胀。

　　4、施工情况

　　4.1 1#斜井

　　1#斜井位于F2-1断层带，围岩为泥质粉砂岩夹泥，遇水软化，在地下水作用下稳定性极差，K0+080以里隧洞开挖后，已出现较大变形，其变形速率极快，开挖至K0+112时出现地下涌水。

　　4.2 2#斜井

　　2#斜井位于F1-1、F1断层影响带，围岩为粉砂岩互层，节理发育、极为松散，遇水极易坍塌，顶拱、坑壁掉块现象严重，顶拱曾多次坍塌，且不均匀沉降、边墙喷射砼受围岩挤压开裂变形，地下渗水逐渐丰富。

　　4.3 出口

　　出口11+100～11+830属Ⅴ类围岩，岩层为灰白色泥岩，泥质粉砂岩与粉砂岩互层，夹灰黑色炭质泥岩，边墙缓慢挤胀位移变形，部分地段呈松散状洪冲积层，地下水位较高，在地下水丰富地段，开挖后有涌水、涌泥情况，围岩自稳时间较短，已初期支护段（11+830～11+690）拱顶沉降、边墙位移变形。

　　5、隧洞流砂段超前支护

　　5.1 准备工作

　　在已知围岩地质为流砂地段的条件下,应备足钢轨、焊管、花管、方木、稻草、水玻璃、高标号水泥、注浆机、喷浆机、型钢拱架或钢格栅，并配置有经验的施工技术人员和和管理人员。

　　5.2 超前探孔

　　星云湖抚仙湖出流改道工程二标段11+100～11+830段为Ⅴ类围岩洪堆击层,隧洞轴线上有数十年前开采小煤窑洞穴,经数十年的堆积沉降，洞穴内淤积为流砂，且分布情况不明。施工过程中曾在11+690、11+628两处发生较大流砂造成地表坍塌。

　　为确保开挖爆破过程中未准确掌握洞穴流砂准确位置不至造成坍方,在钻眼前应先打入6米长焊管作超前探眼,每次探眼不少于5根(顶拱1根,起拱线位置2根,直墙腰部2根),探眼掘进过程中如发现围岩较为松软或流砂、裂隙水从焊管涌出，则应采取短进尺、若爆破、强支护、早封闭、或台阶法施工，涌水量较大时应多打花管，最大限度将流砂体内积水引排。如6米长超前探孔仍未有效跨越流砂体,则应加长超前焊管和花管长度。

　　5.3 超前支护

　　确定流砂层长度后，在设计开挖轮廓线基础上径向放大20～40厘米，从起拱线位置打入焊管、花管超前支护，超前管棚横向不留空隙，避免流砂从缝隙中渗出，超前管棚纵向严格按平、顺、直要求打入。如探孔渗出流砂、涌水，且流砂体方量较大，应打入钢轨超前支护，同时在紧贴钢轨管棚上部打入花管加强引排水。

　　6、隧洞流砂段开挖和支护

　　6.1 台阶法开挖

　　隧洞流砂流动性极强,开挖过程中不宜全断面开挖,所有施工应尽量减少对围岩的扰动。

　　采用台阶法先进行上半部人工开挖,每环进尺不宜大于0.5米,上半部开挖后对渗水位置打入花管排放地下渗水,不宜封堵,对渗漏流砂位置采用管棚、稻草进行封堵,让流砂内渗水从稻草缝隙中渗出，较大颗粒被管棚封堵。根据已掌握的流砂体流动性和涌水、渗水量适当控制台阶长度，一般3米～5米为宜。

　　6.2 加强拱部纵向支护

　　由于施工过程中超前管棚很难控制在同一平面，导致拱部开挖后有流砂、渗水渗漏或管棚不能承受流砂体的垂直压力、挤压力，造成拱部沉降、位移。随上半部开挖的不断深入，必须及时打入第二环或第三、第四环超前管棚，直至超前管棚进入非流砂岩层，且能够有效支撑流砂体垂直压力、挤压力，并在第一时间对流砂进行封堵，对渗水进行引排。

　　6.3 加强拱部横向支护

　　拱部短进尺开挖加强纵向超前管棚支护后，横向已是支撑流砂体垂直压力、挤压力重要组成部分，务必及时加强拱部型钢拱架或钢格栅横向支撑，挂设钢筋网、喷射砼支护。通过收敛量测，准确掌握其沉降量、沉降速度、水平位移、水平位移速度，必要时在型钢拱架、钢格栅起拱线处加设横支撑，确保拱部对流砂体的支撑能力。

　　6.4 下部台阶施工

　　由于流砂自稳能力极差,流砂体拱部横、纵向加强支护后,对下半部应进行短进尺、强支护施工，每次进尺控制在0.5米左右.

　　为保证对拱部有较可靠的支撑效果,下半部宜分左右两侧边挖边护,即先开挖左侧或右侧下半部,按设计要求完成挂网、焊接下半部型钢或钢格栅、喷射砼、打设锚杆等工序后，再进行下半部另一侧施工。

　　6.5 加强底板横向支撑、基底换填、封闭底板

　　流砂或其他软弱围岩承载能力较差，在设计二期支护断面外先进行基底换填、设置横向钢拱架或钢格栅、浇筑底板仰拱砼，使拱部、边墙、底板在二期支护断面外形成完整的封闭圈，避免内水外渗或外水内渗，共同抵制围岩较为复杂的挤压力和沉降、位移、变形，确保后期施工安全。

　　7、隧洞流砂坍方处理

　　7.1 坍碴处理

　　星云湖抚仙湖出流改道工程二标段11+100～11+830段由于轴线上有数十年前开采小煤窑洞穴,经数十年的堆积沉降，洞穴内淤积为流砂，流砂位于隧洞断面拱部,且压力极大、分布情况不明,很难避免坍方,于2004年4月28日在11+628坍塌过程中,仅数分钟将埋深20米的地表坍穴.

　　流砂从拱部或边墙涌出时，洞穴内积水一并向外喷涌，所以坍塌的第一时间不应及时处理，应待流砂坍塌、积水涌出自然沉淀形成封堵体达到稳定后，才能让施工人员到位进行处理。

　　由于流砂固有的流动性，处理流砂坍方时先对坍碴进行横向堵截，即采用钢材或木材横向将坍碴截断，增加坍碴纵向稳定，避免在处理过程中砂体流动，保证施工安全，确保拱部坍孔出砂体自身稳定。

　　7.2 坍孔封闭

　　封闭坍孔采用同上5隧洞流砂段超前支护和6隧洞流砂段开挖和支护,处理过程中洞内应设专职安全员,洞外随时观察地表动向,洞内外有开裂、沉降、变形等情况，应及时采取措施。

　　8、隧洞砂岩地段涌水、涌砂处理

　　星云湖抚仙湖出流改道工程二标段2#斜井位于F1-1、F1断层影响带，围岩为粉砂岩互层，节理发育、极为松散破碎，施工至K0+138时为强风化砂岩带，地下涌水瞬间达100m3/h,由于斜井施工的特殊性，涌水涌砂同时爆发，喷涌速度及快、围岩内水压力极大。

　　8．1 作好充分排水的排水准备

　　斜井施工洞内积水均位于掌子面，砂体沉积于底部，宜采用座式抽水机，涌砂时便于及时撤离掌子面，否则将被瞬间爆发的砂体掩埋。抽水机和排水管道应能满足要求，短时间的排水不畅均会导致洞内积水直至停工或造成其他安全隐患。

　　8．2 停止出碴、加强支护

　　掌子面为强风化砂岩，节理发育、松散破碎、透水性强，掌子面积水积砂达一定程度后，其内压力与外压力平衡时，涌水涌砂自然停止，此时岩层内流砂沉积于岩体缝隙内，地下水位自然上涨，内水压力升高，掌子面沉积砂体不应及时清除，保持其内外应力平衡，及时加强风化段支护或浇筑永久钢筋砼。经验得知：如及时将堆积砂体清除，涌水涌砂最段在1小时内爆发，最长在12小时内爆发，但流砂量逐步减小，渗水量不变。

　　8．3 超前探孔、管棚支护

　　8．2条已分析出，岩层内为沉积砂体和高水位形成较高地内水压力，此时采用灌浆方法时，在流砂流动性和岩层内水压力的作用下会阻塞灌浆管道，效果不明显。即使采用高压注浆，其工程费用较大、工期较长，费时费工。宜采用管棚超前支护。

　　8、4 布置超前管棚

　　超前管棚的布置，应采用地质钻打设管径不小于ф89的钢管，钢管每节长度1m～3m为宜，间距20厘米。由于岩层为粉砂堆积体，必须封闭管棚间空隙，采用ф40管棚、钢筋网或其他方法填补空隙，以保证砂体不渗漏、渗水畅通的目的。

　　布置好超前管棚后，钢管内注入水泥浆液，加大管棚抗压、抗弯曲能力。必要时将ф40管制作为注浆花管，注入适量水泥浆，固结径向50厘米粉砂体，减少流砂渗漏。

　　8、5 短进尺、弱爆破、强支护

　　形成ф89与ф40超前管棚支护后，进行爆破施工（能进行人工开挖时，尽量采用人工开挖，减小对岩体的扰动），开挖进尺控制在0.5米,同时采用多极爆破,即先爆破中间掏槽部分,后进行径向扩大爆破。周遍眼间距不大于30厘米、间隔装药单独爆破。

　　加强挂网喷浆支护，必要时挂设ф8钢筋网格局10厘米，超挖部分严禁使用片石回填，均使用喷C25砼回填。

　　必要时，浇筑永久钢筋砼。

　　9、不良地质洞段技术措施

　　9.1 勤测量、勤复核

　　不良地质洞段均有拱顶沉降、边墙位移变形等现象，施工过程中布置中线、高程点有经常变动的情况，所以应将控制点设置在牢固、可靠地段，并经常复核，应尽量减少中线、高程的非仪器过度次数。

　　9.2 采用方便快捷的仪器设备进行控制

　　不良地质洞段或坍方地段施工过程中工序繁多、干扰大，测量仪器在施工点不易操作，中线、高程点不易保留，固采用红外线导向仪是控制中线、高程的较好方法。

　　在直线隧洞施工过程中，采用红外线导向仪同时将隧洞中心线、隧洞某一点高程控制在一条直线上，便于施工人员随时使用、随时复核断面尺寸。

　　采用红外线导向仪使用过程中应熟练掌握，经常保养，经常对两端中线、高程进行复核。

　　9.3 适当放大结构尺寸、预留变形沉降量

　　不良地质洞段或坍方地段围岩松软、自稳能力差、拱部压力大，处理欠挖安全隐患大，费工费时影响工程进度，在施工或处理过程中应根据实际情况适当预留沉降、变形量。