浅谈全风化花岗岩浅埋富水隧道开挖施工技术

2014-12-25

中国新技术新产品 2014年2期

关键词：井点拱顶风化

（中铁五局机械化公司衡茶吉铁路项目部，湖南株洲 412500）

苏桂杰

（中铁五局机械化公司衡茶吉铁路项目部，湖南株洲 412500）

本文介绍了下关隧道通过全风化花岗岩浅埋富水隧道开挖采取的施工方法和措施，隧道安全顺利的通过浅埋段施工，施工进度明显改善，施工成本有效减少。通过洞外井点降水，变洞内为洞外施工，加快了全风化花岗岩浅埋段富水隧道开挖的施工进度。

全风化花岗岩；浅埋富水；井点降水；隧道开挖；监控量测

1 工程概况

下关隧道全长1880m，单线铁路隧道，隧道范围内山坡表面覆盖第四系全新统残积粉质粘土，谷地内分布粉质粘土，淤泥质粉质粘土，基层为加里东期花岗岩。隧道所处山体冲沟发育，无常年性流水，沟内平时断续有小股水流，雨季水量较大。地下水主要为基岩裂隙水，接受大气降水补给，在补给过程中，由于地面坡度较大，大气降水多以面流形式流走。

隧道在DK53+740～DK53+895段隧道埋深较浅，设计采用径向注浆加固措施，在DK53+765～DK53+845段并采用Φ80大管棚+Φ42注浆小导管超前预支护，管棚长度10m一环，两环之间搭接长度不小于3m，管棚环向间距40cm，外插角不大于12度，采用水泥浆或水泥+水玻璃等双液浆，注浆压力0.5～2.0Mpa。

2 工程施工难点

2.1 地下水丰富，围岩软弱自稳能力差

隧道洞身位于浅埋冲沟内，拱顶最小埋深7.0m，地表为淤泥质粉质黏土，厚3～4.5m，以下为全风化、强风化、弱风化花岗岩。全、强风化花岗岩主要由石英、长石和云母组成。石英通常呈圆形粒状、无色透明。长石有肉红色的钾长石和灰白色的斜长石，长石强度低，遇水易软化。云母为片状的黑云母，有时也有白云母。在掌子面开挖过程中，围岩表面有面状渗水，局部地方有股状流水，随着时间的延续，围岩表面渗水逐渐加大，在水的作用下，围岩易软化，围岩由硬塑变为软塑状态，甚至变为流塑状态，造成掌子面易溜坍，施工极其困难。在DK53+750处，在掌子面开挖完成后，准备对掌子面喷射砼时，由于水的作用，掌子面出现了溜坍现象。

2.2 管棚，超前小导管及喷射砼施工难

钻机钻孔完成后，在清孔过程中，由于地下水的作用，孔壁表面的花岗岩颗粒脱落或塌孔，钻孔难于清理干净，导致管棚钢管或小导管顶进困难，注浆时，水泥浆也易被水流带走，注浆效果差。喷射砼时，围岩表面渗水，表面软化，喷射砼难于粘附在围岩上，喷上的喷浆料与表面的围岩一起滑落，喷砼难度大。

2.3 沉降变形大

隧道开挖采用三台阶七步法施工，虽然每台阶开挖在每侧拱脚增加了2组斜向45度的锁脚锚杆，拱顶下沉及收敛较大仍然较大，尤其是下台阶和仰拱开挖时，变形更大，仰拱施工完成后，拱顶下沉及收敛逐渐稳定。部份地段因变形过大，导致初期支护侵限，还需进行换拱等作业。

3 施工方案确定

全风化、强风化花岗岩在干燥状态下，较为密实，自稳能力好，常采用环形开挖预留核心土法或三台阶法施工，每天可掘进2个循环。该隧道浅埋段位于冲沟内，三面为山，凹地内地势平坦，为当地村民农田，地下水丰富，在隧道超前预支护施工中，管棚、超前小导管和径向注浆不能对隧道开挖断面形成帷幕，完全阻断地下水的渗出，围岩表面及裂隙渗、流水现象仍然明显，而且随着时间推移，渗水现象不断加大。在小导管施做过程中，常常会有积水从小导管内流出，围岩渗水明显。

由于注浆效果不好，围岩遇水软化，自稳能力差，初期支护变形大，隧道施工相当困难。根据隧道施工情况，结合地表地形地貌，确定了采用地表井点降水的施工方案，隧道开挖采用三台阶法或环形开挖预留核心土法施工。隧道开挖后及时落底，封闭成环，施工仰拱砼，待初支稳定后，施工二衬砼。

4 井点降水施工

井点降水点的设置：在洞外地表沿线路前进方向左右侧设置井点降水井，以降低地下水位线，井点降水井直径为40cm，沿线路方向左右两侧交错设置，井点降水井距隧道最外侧开挖线2m，降水井底在仰拱以下2m，间距4m，可根据现场降水效果进行调整。

施工工艺流程：井点测量定位→挖井口→安护筒→钻机就位→钻孔→回填井底砂垫层→吊放井管→回填井管与孔壁间的砾石过滤层→洗井→井管内下设水泵、安装抽水控制电路→试抽水→降水井正常工作→降水完毕拔井管→封井

井管采用200mm厚5mm的 PVC塑料管，塑料管接头采用直接头。塑料管径上间距10cm，环向交错设置5mm的滤水孔，管壁外缠绕12号螺旋形铁丝，间距10cm，外包80目镀锌铁丝网一层。上下管之间用直接头连接好。管底用铁丝网封底。井管下入后，及时在井管与土壁间用铁锹分层填充砂砾滤料，粒径大于滤网的孔径，一般为3～8mm细砾石。填滤料一次连续完成，从底填到井口下1m左右，上部采用不含砂石的粘土封口。每井一台深井专用泵，外径比井管小50mm，每台泵单独设一个控制开关，在井口安装阀门，以便调节流量的大小，阀门用夹板固定。

5 隧道开挖及初期支护

井点降水实施后，洞内渗水现象明显减弱，掌子面较为干爽，隧道为单线铁路隧道，开挖断面小，采用环形开挖预留核心土方施工。环形开挖预留核心土法是在上部断面以弧形导坑领先，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法。在施工时环形开挖预留核心土每部开挖进0.6m（即按设计钢架间距为一榀），开挖完成后及时施作喷锚支护、安装钢架支撑，每两榀钢架之间采用钢筋连接，并加锁脚锚杆。上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m进行平行作业。

5.1 上台阶开挖及支护

上台阶开挖时，每三榀钢拱架施工一环长3.5m的φ42超前小导管，间距30cm，外插角5～10度，并进行超前注浆，单液水泥浆，注浆压力0.5～1.0mpa。注浆完成后，对隧道进行开挖修边，复核开挖轮廓线后，对围岩表面进行初喷4cm的喷射砼，施做径向中空注浆锚杆或砂浆锚杆，挂设钢筋网片，安装I18工字钢架支撑，钢架间采用Φ22纵向钢筋连接，并用锁脚锚管固定并注浆。

5.2 下台阶开挖及支护

上台阶开挖3～5m后，施工下台阶，每次1榀，左右两侧错开，每榀钢拱架增设一对锁脚锚杆，以减小仰拱开挖时围岩下沉过大。

5.3 仰拱开挖及支护

仰拱开挖长度控制在3m左右，开挖后喷射10cm厚的喷射砼，然后连接仰拱钢拱架及纵向连接筋，复喷砼，绑扎仰拱钢筋，浇筑仰拱砼。

6 围岩监控量测

隧道设计为按新奥法设计的复合式衬砌，依据《铁路隧道监控量测技术规程》的规定，为保证施工阶段和运营阶段结构安全，确保隧道工程的安全性，经济性，隧道修建过程中必须进行监控量测。通过监控量测，能为隧道开挖，初期支护，二次衬砌施工等提供信息，指导现场施工。

6.1 浅埋段地表下沉量测

地表下沉量测断面宜与洞内水平净空变化和拱顶下沉在同一横断面内，横断面方向在隧道中心及两侧间距2～5m施设下沉点，每断面施设9个测点，监测范围在隧道开挖影响范围以外。地表下沉量测在开挖面前方隧道埋置深度与隧道开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭，下沉基本停止时为止。地表下沉量测频率和拱顶下沉和水平净空变化的量测频率相同。

6.2 净空水平收敛量测

隧道最大跨处及以上，左右两侧3m对称布置量测桩，每个量测断面设7个收敛桩，量测断面间距10m。采用收敛计进行量测，开挖后按要求迅速安装收敛桩并编号，初始计数在开挖后12h内读取，最迟不得大于24h，而且在下一循环开挖前获取初始读数，测点应牢固可靠，易于识别并妥为保护。

6.3 拱顶下沉量测

正洞拱顶设一个下沉桩，量测断面间距10m。喷射砼在测点处设固定桩，采用精密水准仪和收敛计钢尺进行量测，在两端洞口处各设一水准基点供洞内拱顶下沉量测用，量测频率及其它要求同净空水平收敛量测要求。

6.4 量测频率

净空水平收敛量测和拱顶下沉量测采用相同的频率，如表1。

6.5 二次衬砌施工条件

在隧道周边变形速率有明显减缓趋势，初期支护表面裂缝不再继续发展，拱顶位移速度小于0.1mm/d或收敛速度小于0.15mm/d，累计位移值不超过极限位移值的80～90%的可施工二次衬砌。