隧道砂砾地质开挖施工技术应用

隧道砂砾地质开挖施工技术应用

申杰 1，曹均念 1 ，严明庆 2

1.中交基础设施养护集团有限公司 北京 100011； 2.青海金拓公司 西宁 810001

摘 要 隧道开挖中，遇到砂砾地质，施工进度慢、难度大，且经常冒顶塌方，本文对各种砂砾地质情况具体分析，针对松散、干燥砂砾地质情况，采用超前大管棚和侧向大管棚支护技术，三台阶七步开挖法掘进；针对涌水量大的砂砾地质情况，采用地表井点降水、掌子面超前预注浆堵水技术；针对浅埋砂砾隧道，采用明挖方案施工；针对风积砂地质情况，采用隧道拱顶竖直旋喷桩加固、掌子面水平旋喷桩加固技术；不同的地质情况采取不同的工艺和措施，保证隧道顺利掘进和施工质量安全。

关键词 隧道 砂砾 地质 开挖 技术

The technique and application of tunnel excavation and construction under sand and gravel geological conditions

Jie Shen 1,Junnian Cao1,Mingqing Yan2

(1.China Transportation Infrastructure Maintenance Group Co., Ltd., Beijing 100011；2. Qinghai Jintuo company，xining，810001)

Abstract During tunneling, sand and gravel are often encountered. The construction process is slow and difficult, and tunnel vaults often collapse. This paper analyses the different geological conditions of sand and gravel tunnels. Under the geological condition of sand gravel in the easily dispersed, fine and dry state, the large pipe shed in the direction of parallel tunnel body and the large pipe shed in the direction of vertical tunnel body are used to presupport and reinforce the working face. Aiming at sand and gravel with large amount of water gushing, the technology of water plugging with slurry injection is adopted in surface well point precipitation and excavation working face. For the shallow buried sand gravel tunnel, the project of direct excavation from the surface is adopted. Aiming at the geology of sand hill formed by wind, the technique of vertical rotary-jet grouting pile reinforcement in tunnel vault and horizontal rotary-jet grouting pile reinforcement in excavation face is adopted. Different techniques and measures are adopted in different geological conditions to ensure the smooth tunneling and construction quality and safety.

Key words Tunnel, sand and gravel, geology, excavation, technology

引言

隧道施工中，遇到砂砾地质，掘进速度慢，且极易坍塌和冒顶，带来质量和安全风险。为了克服砂砾地质，需要研究砂砾的特性，针对性采取技术措施，克服难题，实现顺利掘进，保证工程质量和安全。

1 砂砾地质特性

砂砾是指砂和砾石的混合物，在隧道开挖过程中，遇到砂砾地层，施工难度极大，极易坍塌，为降低安全风险，必须设置超前支护，但由于地层中含大粒径砾石或漂石，易夹钻或卡钻，超前支护难度大；在砂砾有粘结的情况下，围岩自稳能力强，采用短循环进尺的开挖方案可以慢速通过，但进度很慢；砂砾无粘结，开挖过程中易冒顶和塌方，影响施工进度，尤其含粉细砂充填物时，掌子面一个小孔，就可以造成一次塌方；砂砾地层若含水量高，施工难度更大，需要止水或引排水。

砂砾地层施工，首先要采用地质钻探和超前地质预报技术探清查明砂砾地层在掌子面的厚度、埋深、长度，查明砂砾中大粒径卵石、漂石含量，级配范围组成、含泥量及粘结性、透水性和渗水情况，选择相应的开挖和支护方案，严格执行操作工艺要求，及早封闭成环，加强监控量测，做到有序开挖，顺利通过。下面根据遇到的几种砂砾地层，介绍相应隧道开挖施工技术，供大家参考。

2 几种砂砾地质不同情况施工工艺

2.1 某工程A隧道

隧道进口600米属于砂砾地层，呈杂色，干燥，中密，成分主要为片麻岩及花岗片麻岩、砂岩组成，卵石质硬，未风化；一般粒径组成，＞60mm约占10～15%，60～20mm约占35～45%，20～2mm约占20～30%，余均为粉粒及砂粒充填，局部充填物富集。钻孔揭露，厚度约2.0～7.0m，最大埋深68m。

该隧道进口30米浅埋段施工中遇到冒顶塌方，采取清理后明挖并施做明洞的施工方案，暗洞在进洞之初采用短进尺上下短台阶施工方案，到洞内后由于粉粒和砂粒渗漏，经常塌满和埋没掌子面，为保证顺利掘进，采用超前大管棚和侧向大管棚支护技术，三台阶七步开挖法掘进，拱顶部采用φ108×6mm，L=7.5m长大管棚超前支护，环向间距22cm，管棚外插角1～3度，共计34根护顶；管棚采用920B管棚钻机钻孔，在钻杆钻进过程，通过压力水将碴土自动旋出，成孔难度较大时，采用钢管跟管钻孔工艺。管棚注浆，采用全液压注浆泵分段注浆，使用TBW50/15型灰浆搅拌机拌制水泥浆，HBZ60-200压浆机压浆。浆液扩散半径不小于0.7ζ（ζ为相邻两根钢管的中心距离），本工程取值浆液扩散半径不小于0.5m，注浆采用分段注浆，注浆参数：水灰比：1：1，注浆压力：初压0.5～1MPa、终压2.0 MPa。

图1：管棚支护

中台阶及下台阶开挖前对上部砂砾地层和下部泥岩地层的分界处即上台阶拱脚以上约20cm处用R32N自进式锚杆进行加固，纵向间距为10cm，必要时注浆，纵向加固6-8m，围岩极差时，采用φ108管棚加固，以保证拱脚稳定后再开挖中下台阶。且中下台阶开挖施工时开挖一榀及时支护一榀，支护加固好2榀后喷浆，严禁大开大挖。仰拱施工至下台阶、二衬施工至距仰拱不大于20m时，洞内再行上台阶开挖。

图2：三台阶七步开挖法三维工序图

图3：三台阶七步开挖法立面工序图

2.2 某工程B隧道

该隧道出口段500米洞体最大埋深67m，砂砾地质，稍湿，级配不良、密实、亚圆形，一般粒径50～200mm，含量约60%，最大粒径500mm，充填物主要为砂质及粉质黏土，围岩自稳能力极差，易坍塌，地下水为第四系孔隙潜水，隧道开挖以淋雨状、涌流状出水。砂砾中漂石含量大，且漂石粒径大，个别最大粒径接近1m，属于富水地层，涌水量大，采用水玻璃+水泥浆双浆液注浆止水，掘进困难，平均日进尺0.8米，日最大进尺1米，支护难度大，易坍塌，安全风险高。

2.2.1 对洞口段浅埋卵砾石富水段采用井点降排水措施

卵砾石富水段地下水丰富，且处于松散地层，无自稳性，施工风险极大。排除掌子面前方的地下水，有利于施工。该段埋深在40～50m左右，采用深井泵降水，在洞外地表布点进行。

（1）每隔8m一排降水井，一排布置4个井点同时进行。在隧道施工至该段落附近时，开始打设水井，水井深度到达仰拱以下2m（具体深度根据现场实际情况调整）。

（2）掌子面前方2个断面同时降水（8个深井同时抽水，共8台水泵同时进行），如效果欠佳可适当增加水井。每井抽水周期按20天计，每天水泵24小时不停抽水，洞内施工至深井位置前1m处时，停止该处深井作业，并用M7.5水泥砂浆填充该降水井，以防地表水下渗。

图4：隧道卵砾石段井点降水布置示意图

2.2.2 洞内涌水排水方案

洞内涌水排水方案如下图所示，在开挖过程中排水系统处理。

图5：洞内排水系统及洞内机械抽排示意图

2.2.3 对局部涌水量大、掌子面自稳能力极差段落采用超前预注浆堵水方案。

（1）当掌子面涌水量较大、涌水集中在一定的范围内，采用超前探水孔查明，掌子面涌水大于10m3/小时，严重影响隧道掘进进度和施工安全时，采用全断面超前注浆的方式进行堵水，来加快隧道施工进度。

图6：全断面注浆孔布置纵断面示意图

图7：全断面注浆孔布置正面示意图

（2）施工中出现集中涌水时，采取局部注浆的方式进行堵水。

图8：局部注浆示意图

（3）注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，水泥为425号普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6-1.1，水玻璃玻镁度30-40Be，双液体积比C/S=0.7-1.4，凝胶时间根据现场实际情况确定。

2.2.4 当渗水、涌水量不大时（不大于2m³/小时），主要采用双层小导管注浆和径向小导管注双液浆堵水。

图9：双层超前小导管预注浆纵断面示意图

图10：双层超前小导管预注浆正面示意图

超前小导管预注浆采用水泥-水玻璃双液浆，其参数如下：（1）注浆压力为0.5～1.0MPa；（2）水泥浆水灰比为1:1；（3）水泥标号为425号普通硅酸盐水泥；（4）水玻璃玻镁度为30Be，模数为2.4。施工时，当每孔注浆量达到设计注浆量时，可以结束注浆。水泥水玻璃双液的参数可根据现场注浆效果进行调整。

2.2.5 挖开方法

（1）环形开挖预留核心土法

砂砾地层段采用三台阶环形开挖中部留核心土法施工，一般环形开挖进尺为0.5～1m，环形开挖和核心土等距离跟进，目的是对掌子面支护，防止掌子面塌方引起拱顶坍塌。

（2）中下台阶及二衬施工

交替错开一定距离施工两侧中下台阶，同样采用短进尺、早支护的工艺，及早施工仰拱和二衬，及时封闭成环，加强监控量测，必要时对围岩注浆加固或增设临时拱架加固。

2.3 某工程C隧道

该隧道全长700米，全部属于砂砾地层，隧址区砂砾地层中，漂石含量约占2～4%，最大粒径22cm，卵石含量20～30%，一般粒径2～8cm，圆砾含量45～50%，砂含量15～20%，余为粉黏粒，磨圆度一般，呈次棱圆状，岩性成份：砂岩、石英、长石等为主。

2.3.1 浅埋隧道明暗挖方案比选

该隧道属于小净距浅埋隧道，平均埋深≤20m。对于浅埋隧道，首先进行明挖和暗挖方案的可能性、优越性对比分析。暗挖作业难度大，风险高。结合风险评估结果及地基静载试验结果分析，明挖进度快，安全风险小，应优先采用明挖方案。该隧道全长770m，起点段落143 m经协调隧顶用地可采用明挖施工，剩余段落采取暗挖施工工艺。明挖施工变更参数见表1：

表1 砂砾地质暗挖和明挖支护参数表

明挖段要做好洞身两侧开挖面的施工安全防护，采取洞顶截水沟、放坡、设置平台和平台排水沟、临时锚喷等措施防护，仰拱施工采取间隔开挖，跳跃施工的原则，洞顶回填前要做好防水措施，严格按照回填工艺要求在明洞两侧对称分层回填，拱腰以下采用浆砌片石或素混凝土回填，拱顶覆土厚度不得超过设计要求。明挖段实际施工开挖时间45天，开挖完成后，立即开始暗挖进洞准备工作，至暗洞进洞时计算明挖段工期，平均明挖日进尺3.2米。

2.3.2 暗挖段施工工艺

暗挖段采用预留核心土短台阶循环进尺方案施工，施工过程中加强地表观测，严格控制开挖进尺，施工中严格按照“管超前、短进尺、强支护、早成环、紧二衬、勤量测”的原则，采用两台阶五步开挖工艺，每循环进尺60cm，2天7个循环施工的方案，施工过程中有个别冒顶现象。

图11：两台阶五步法开挖工艺示意图

图12：两台阶五步法开挖工序示意图

2.3.3 明暗挖方案经济技术对比（见表2）

表2 砂砾地质暗挖和明挖施工方案经济技术对比表

浅埋隧道明挖方案具有进度快、施工简便、质量和安全保证等优点；由于要增加钢筋用量和二衬混凝土厚度、需对拱顶回填，从造价方面对比相差不大。

2.4 某工程D隧道

隧道洞顶埋深24m，双洞出口段160m位于风积砂地层中，风积砂具有结构松散、粘聚力小、抗剪强度低等特点，在外力作用下极易松散变形。采用长管棚注浆加固方案存在掌子面漏砂严重、变形难以控制及施工进度缓慢等不足，通过在地表采用竖直旋喷桩加固洞周围岩，以提高围岩的自承能力，进而解决施工中的沉降问题，在洞内采用水平旋喷桩进行超前支护并对掌子面进行预加固，能防止漏砂、有效控制变形并提高工程进度。施工顺序为，先进行洞顶竖直旋喷桩施工，再进行洞内水平旋喷桩施工，最后再进行洞内开挖、支护。

2.4.1 竖直旋喷桩加固

竖直旋喷桩加固范围为隧道边墙两侧以及拱顶之上3m范围内，地面至隧道拱顶之上3m范围为空钻部分。竖直旋喷桩桩径为￠500mm，设置间距为60cm×60cm。

2.4.2 水平旋喷桩加固

水平旋喷桩分两种，第一种布置在隧道开挖轮廓线以外，起到超前支护的作用；第二种布置在导洞内，用来加固掌子面。超前支护旋喷桩长18m，桩径为￠500mm，环向间距30cm，桩之间咬合20cm，两循环之间水平搭接长度5m，旋喷桩外插角为3°，其布设范围为拱部180°。为了提高超前支护旋喷桩的抗剪能力，在桩内设￠127mm×6mm钢管，长15m，在每一循环旋喷桩施工完毕后，立即沿旋喷桩中心将￠127mm钢管顶入旋喷桩内。掌子面旋喷桩长18m，桩径￠500mm，环向间距200cm，布置在拱部，沿水平方向设置，共10根。

2.4.3 主要工艺参数

钻杆平均钻进速度为0.25～0.35m/min，循环液压力为1.0～2.0MPa，水泥浆配合比为1:1，浆液流量为80L/min，旋喷桩每延米水泥用量为100kg，钻杆每节长3m、外径50mm，旋喷钻头外径90mm、喷嘴孔径2mm，旋喷压力为35～40 MPa。

2.4.4 机械配置

根据工程规模及进度安排，洞顶投入4台钻机进行竖直旋喷桩作用，洞内每个洞口投入2台钻机进行水平旋喷作业，施工投入的机械见表3。

表3 旋喷桩施工投入主要机具表

采用旋喷桩施工，开挖支护进度为2～3m/d ，进度优势明显。在砂砾地层施工，砂砾粒径均≤5cm以下时，粒径均匀且干净，采用旋喷桩施工具有效益明显的特点。

3 注意事项

砂砾地层施工监控量测是关键环节，通过拱顶下沉、洞内水平收敛、隧底变形监测，及时为修订施工方案和施工参数提供依据，同时也是质量和安全的保证。

4 结论

砂砾中含泥量大，自稳能力强的地段，采用短进尺多台阶施工工艺，相对速度比较快；砂砾粒径细且干净的地层，采用旋喷桩或管棚超前支护注浆加固的方案，进度比较快；砂砾粒径大，含大漂石且富水地层，采用双浆液先止水，将砂砾地层基本固结，具备一定自稳能力，然后采用短进尺多台阶施工工艺，相对速度比较快；砂砾地层超前支护施工困难，容易夹钻或卡钻，采用自进式锚杆施工可解决问题，含大漂石及卵石时且有粉细砂渗漏时，采用超前长管棚跟管跟进施工可解决问题。总之，砂砾地层开挖一定要根据砂砾的特性针对性选择施工方案，才可以做到快速和安全且保证质量的施工。

参考文件

[1]徐智.胡蔓宁，旋喷桩加固技术在某隧道风积砂地层中的应用，现代隧道技术.第50卷第3期（总第350期）2013年6月：158～161。

12