富水粉细砂层小断面隧洞暗挖施工工艺研究

刘德涛 张顶锋

隧道暗挖法施工具有对周边环境影响较小、不干扰交通、工程造价相对较低、施工设备简单等优点，被广泛应用于过街通道、地铁等工程建设施工中。因施工条件的限制，在交通繁忙的路段、穿越铁路、工程大范围内适合暗挖法作业仅局部需作特殊处理的地段等隧道工程采用暗挖法施工是较好的方案选择。编制具有可操作性的施工方案、制定合理的施工工艺、合理安排施工工序，是确保隧道穿越富水粉细砂层地段暗挖施工安全、保证工程质量与施工进度的基础。

1 概述

1.1 工程概况

陕西省神木县应急供水工程输水隧洞进口砂层段，里程为归化桩号0+262 m～0+854.9 m，工程内容包括长592.9 m的流砂段平洞和位于0+592处25.05 m深的临时施工竖井。隧洞在里程为0+262～0+742隧洞纵向坡度为3.3‰，在里程为0+742～0+854.9纵向坡度为7.42%。隧洞横断面形式为城门洞型(1.8 m× 2.4 m)，复合式衬砌结构，开挖宽度3 m，高度3.6 m。

1.2 地质条件

隧洞绝大部分地段均全断面位于粉质细砂层内，仅在归化桩号0+742～0+854.9段从粉质细砂层过渡到岩石层。粉质细砂层为浅黄色、具风成交错层理，质地均一，呈稍密～中密状态，松散未胶结，开挖中极易坍塌，遇水易形成流砂。水上天然休止角为30°，水下天然休止角为25°，渗透系数为1.2×10－2cm/s (10.4 m/d)，为强透水地层。地下水主要为孔隙潜水，主要补给源有大气降水、侧向径流、灌溉回归水和地表水。本段地下水位呈波浪形，水位最高处高程为1 154.85 m。归化桩号0+540～0+680段长140 m范围内洞底以上最大水头2.96 m;归化桩号0+762～0+854.9段长92.9 m范围内洞底以上最大水头11.13 m。地下水对混凝土及其中的钢筋无腐蚀性。

2 技术难点及应对措施

小断面隧洞位于富水粉细砂层中，成洞条件差，施工难度极大。本工程针对此难点的应对措施如下(隧洞横断面参数见图1)：1)考虑到结构的受力合理和施工便利，暗挖隧洞采用城门洞型，二次衬砌后洞径1.8 m×2.4 m(上部为半圆);2)初期支护为超前小导管注浆、格栅钢架、网喷C20混凝土联合支护;3)二次衬砌为C25混凝土结构;初期支护与二次衬砌之间设防水隔离层; 4)隧洞全断面采用φ42小导管及超前注浆联合预支护，并及时进行背后回填注浆。

3 施工流程及操作要点

本工程的总体施工工艺流程为：降水施工→超前小导管注浆→开挖及初期支护→防水施工→二衬施工。

3.1 降水施工

降水是富水粉细砂层小断面隧洞暗挖施工的重要工序，必须提前进行降水，将水位降至开挖隧洞底板以下施工才能顺利进行，因而降水施工必须严格管理与控制。

1)地面井点降水。降水井在有水地段沿结构两侧10 m外布置，纵向间距10 m间隔布置。降水井深度为结构底板向下7 m或进入岩层3 m，井身开孔直径为600 mm，井管直径为273 mm。

2)洞内真空降水。在断面开挖时，若地层含水量大，周边及垂直注浆效果不明显。流砂涌水现象严重时，采用洞内分段封闭轻型井点真空降水，以确保无水开挖及沉降控制。在该段开挖支护完毕后，即可拆除井点并插管注浆封闭。

3.2 超前小导管注浆

为保障暗挖隧洞开挖施工的顺利进行，在施工暗挖隧洞前需对隧洞掌子面及周围土体进行注浆加固。图2为注浆工艺流程图。

3.2.1 小导管制作及安设

小导管采用φ42(t=3.5)钢制花管，长度为3 m。注浆管一端做成尖形，另一端焊上铁箍。在距离铁箍0.5 m～1.0 m处开始钻孔，钻孔沿管壁间隔200 mm，呈梅花形布设，孔位互成90°，孔径6 mm～8 mm，其加工尺寸见图3。

3.2.2 注浆效果检查及质量评定

注浆效果检查分施工过程中检查，结束时检查和开挖过程中检查。

1)注浆过程中检查主要是检查浆液凝胶时间，用现场灌砂模的办法，看浆液凝胶时间是否达到设计要求。2)注浆结束时，检查注浆记录，看每孔注浆量是否达到结束标准，孔数是否与设计一致。3)开挖时，看开挖边缘是否整齐，浆液固砂情况，浆液渗透半径等，以便为下步注浆参数的修改提供依据。

根据各阶段检查情况，评定合格与不合格。注浆过程中及结束时，如质量不合格，按要求重新返工。开挖时如发现注浆效果不好，除在下一循环改进外，还应加强支护措施。

3.3 开挖及初期支护

1)隧洞开挖。隧洞超前支护完成后，进行土体开挖。隧洞开挖采用台阶法，上部开挖时采用马口式开挖，留核心土，最后挖除核心土初支封闭成环。开挖方式采用人工开挖，人力手推胶轮车出碴，通过电动葫芦提升，用装载机弃至附近低洼地带。

2)初期支护。初期支护包括初喷，挂设钢筋网，架设格栅钢架，喷射初支混凝土及初支背后注浆。其中的控制技术措施有：为防止土体失稳，开挖完成后立即进行初喷，厚度为3 cm～5 cm。钢筋网采用φ6.5@100×100近土侧及隧洞格栅钢架内侧双层进行铺设。钢筋网铺设应平整，牢固，网片之间须进行搭接，搭接长度不小于两个网格。初层钢筋网铺设完毕后架设格栅钢架，纵向间距为0.5 m;为保证钢架整体受力，用φ18钢筋作为纵向连接筋，环向间距0.5 m，内外层交错布置;钢架与土体之间留3 cm～5 cm间隙作钢筋保护层。采用C20混凝土进行初支喷射。喷混凝土厚度300 mm。喷射混凝土时分层喷射，一次喷射厚度根据喷射部位确定，拱部为5 cm～6 cm，边墙为7 cm～10 cm。在初支结构喷射混凝土前，沿隧洞方向每2 m埋设初支背后回填注浆管，隧洞两侧交错布置。为控制拱部土体的沉降，立即对其初支背后进行注浆，填充初支背后空隙。注浆材料采用水泥砂浆，注浆压力控制在0.2 MPa～0.6 MPa。

3.4 防水施工

防水施工的工艺流程为：验收喷射混凝土面→基面处理、找平→缓冲层铺设固定→防水板无孔铺设→焊接防水板搭接缝→焊缝补强→防水板质量检查→保护层施工→验收。

防水板接缝焊接是防水施工最重要的工艺，焊缝采用热合机自动双焊缝形式，即将两层防水板的边缘搭接100 mm，通过热熔加压而粘合，两侧焊缝宽不小于10 mm，防水板采用无孔铺设技术。

3.5 二次衬砌

隧洞二衬均为C25素混凝土。采用满堂红脚手架，结合组合钢模板，混凝土输送泵进行二衬混凝土灌注。隧洞二衬施工工艺流程：防水层施作→模板安装→混凝土拌合、运输→混凝土灌注→混凝土脱模养护。为了保证质量及外观美观，模板采用3015组合钢模，支撑体系由型钢拱架、方木、钢管内支撑组成。

4 结语

1)本工法结合陕西省神木县应急供水工程输水隧洞进口砂层段施工进行研究，使用本工法攻克了隧洞在富水粉细砂层中施工难度大的难题，采用小断面隧洞过富水粉细砂层使得暗挖施工顺利进行，进而提高了施工质量和施工速度，能够确保结构的安全和质量，取得了良好的社会效益。

2)本工法作业面较小，操作灵活、施工迅速，同时节约了劳动力，大大减轻了劳动强度，低能耗、促环保。具有较广阔的推广前景和一定的经济、环境、社会效益。

［1］ 沈 杰.地基基础手册［M］.上海：上海科学技术出版社，1985.

［2］ 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥：安徽教育出版社，2004.

［3］ 孙风革.富水砂卵石隧道暗挖施工工艺［J］.山西建筑，2009，35(22)：315-316.