仓园隧道穿越泥石流堆积体施工技术.pdf

公路 隧道 2 0 1 3年第 2期( 总第 8 2期) 仓 园隧道穿越 泥石流堆积体 施工技术 吴 广 明 ( 中交二公局兰渝项 目经理部武都7 4 6 0 0 0 ) 摘 要甘肃省陇南市武都区甘家沟泥石流是国内著名第二大型泥石流沟， 新建兰渝铁路仓园隧道从泥石流堆积 体内部穿过 ， 施工中采用了地表加固改 良地层， 洞内注浆重造围岩 ， 基底加固提高承载力等综合成套施工技术。为 泥石流堆积层特殊地层中的隧道施工开创了新的施工方法。 关键 词 兰渝铁路仓园隧道甘家沟泥石流施工风险施工控制 国家实施西部大开发 战略以来 ， 西部地 区的交 通设施得以快速发展 。新建兰渝铁路从甘肃省陇南 市经过 ， 多条隧道穿过了泥石流沟地段 。泥石流堆 积体是一种特殊的不良地质 ， 其 围岩软弱 ， 对隧道工 程危害极大。由于铁路隧道开挖断面大、 埋深浅等 特点， 施工过程中极 易发生坍塌冒顶及突泥突水现 象 ， 如何保证开挖施 工安全是隧道施工遇到的新课 题 ， 目前 国内外对隧道穿越泥石流方 面的施工技术 研究还较少 。结合仓园隧道穿越泥石流沟地段 的施 工 ， 对双线隧道穿越泥石流沟施工技术进行探讨。 1 工程概 况 甘肃省陇南地 区高山陡峻 ， 地形复杂， 植 被差 ， 是著名的泥石流多发地区， 其特点是泥石流沟分布 多 ， 泥石流规模大 ， 泥石流发生频繁。新建的兰渝铁 路仓园隧道穿过 的甘家沟泥石 流沟 ， 形成 于 1 9 5 2 年 ， 是我国规模最大的泥石流沟之一 ， 与云南东川蒋 家沟泥石流的规模齐名 。仓园隧道选线时由于受白 龙江、 陇南车站、 西秦岭隧道等制约 因素， 不得不选 择以隧道方式穿越该泥石流堆积体 。 仓园隧道穿越泥石流地段， 堆积体较厚， 整个洞 室断面完全从泥石流堆积体内部穿过。洞顶埋深在 1 5 4 0 m 之间 。堆积体 内部主要是 圆砾土、 角砾土 和千枚岩以及部分夹杂砂质饱水黄土 ， 结构松散 ， 稳 定性差 ， 加之双线隧道 ， 开挖断面大， 突水突泥、 坍塌 冒顶风险极高 ， 施工难度特大， 在以往 的施工中， 类 似的在大规模泥石流堆积体内部修建双线铁路隧道 的先例少见 ， 缺少可以参考的施工经验 。 该隧道起 讫里 程为 DK3 7 8 + 1 7 0 DK3 7 8 + 8 8 5 ， 全长 7 1 5 m。隧道 中间地段在 D K3 7 8 +3 8 0 一 D K3 7 8 +6 4 3段穿越甘家沟泥石流沟 ， 隧道走 向与 泥石 流 沟走 向 大 约呈 正交 ， 穿 越 泥 石 流 总 长 度 2 6 3 m， 占隧道总长度的 3 6 8 。 5 O 水文地质情况 ： 地下水渗透系数 K一1 3 4 m d ， 计算单位正 常涌水量 4 0 8 0 m。 d k m， 最 大涌水 量 1 2 2 4 0 m3 d k m， 预测隧道最大总涌水量 3 2 1 9 m。 ， 涌 水量受季节影响变化大。穿越泥石流沟埋深最浅处 只有 1 5 m。甘家沟泥石流沟内有少量地表流水 ， 平 时流量较小 ， 在雨季有大的洪流。 2 设计情况 隧道位于半径 1 0 0 0 0 m 的曲线上 ， 8 的下坡 。 隧道全长采用V级围岩加强衬砌， 拱部小导管超前 注浆 ， 小导管长 4 m， 环 向间距 0 4 m， 纵 向间距 2 4 m， 初期支护采用 工2 0 b型钢钢架 。 洞身 DK3 7 8 +3 8 0 一DK3 7 8 +6 4 3下穿甘家沟 泥石流浅埋段 ， 拱墙设 50 5 0钢花管系统 注浆 ， 浆液 采用水泥 一水玻璃双液浆 。洞 内采用直径 5 0 8 9大 管棚超前支护 ， 管棚长 1 0 m， 环向间距 0 4 m， 管棚内 设钢筋笼 ， 灌注水泥砂浆充填密实 ， 管棚间设超前小 导管预支护 。其 中 DK3 7 8 +4 3 6 DK3 7 8 +4 6 0段 拱顶 1 8 0 。 范 围设置管棚直 径为 1 0 8 ， 环 向间距 为 3 0 c m 管棚间的超前小导管间距为 3 0 c m， 小导管为 P 5 0 mmX 5 mm； 小导管注浆采用水泥一水玻璃双液 浆。预留变形量为 3 0 c m。钢架为 I 2 0 b ， 钢架 间距 5 0 c m， 拱墙喷混凝土厚度 3 0 c m。洞 内径 向注浆 管 长度为 3 m， 环 向间距为 1 5 0 c m， 纵向间距为 1 5 0 c m， 全环注水泥一水玻璃双液浆 。 设计采用了地表注浆加 固围岩， 注浆范 围以隧 道边墙净空外左 ( 上游) 8 m 和右( 下游) 5 m 范 围内 地表注浆加固， 加 固高度为隧道拱部 以上 5 m 至边 墙底部 ， 见 图 1 。 隧道横断面设计见图 2 。 为防止地表水下渗， 在沟心部位设计有 地表铺 砌 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴广明仓 园隧道穿越 泥石流堆积体施工技术 曩 l 3 斑2 畦 0 柏 g 瓤6 瓤 如 2 曩 i nO 虹鼍2 m 缸 最 7 熏 8 鞠 孽 麟 l 城 t 、 I 。 。： _ j - - t - ， - l I j I I ： - ： ： J 二 7 = ： i - ： 。： - 、 I - 。 - _ 一 - ： ， - | I - 筒 鼬 牟 ： - 。 ： l - l I ，l 图 1 地表注浆范 围设计 图 图 2 隧道横 断面设 计图 3 地质 条件分析及施工方案 的确定 甘家沟石流沟的特点是泥石流堆积体厚度远远 大于隧道洞室的高度 ， 整个隧道完全从 堆积体 内部 穿过 ， 地面线就是河床形状 ， 两侧 比较宽 阔平坦 ， 中 心有一小河沟， 平 时有少量水流 ， 汛期有较大洪水。 隧道 最 浅埋 深 仅有 1 5 m 的， 其 他 地 段 埋深 3 O 4 0 m， 隧道底部以下仍有较厚深度的堆积层 ， 受古老 河床 的形状影响， 隧底下部堆积层 的厚度深浅不等 ， 基底承载力不等 ， 靠近古河床 中心地段承载力最低 ， 泥石流堆积体内富含地下水 ， 渗透系数 1 3 4 m d 。 对于隧道工程来说 ， 泥石流堆积体 由粒径不 同 的圆砾土、 角砾土和千枚岩 以及部分夹杂砂质饱水 黄土组成 ， 由于形成时间很短 ， 结构松散 ， 密实性差 ， 不具有稳定性 。其孔隙率大 ， 饱含水 ， 且具有地下流 动性 ， 整体承载能力较低 ， 不能满足隧道工程需要。 必须对洞室周围进行加固处理 ， 重造围岩 ， 对基底一 定深度进行加固， 以满足隧道工程的需要 。 根据以上分析 ， 决定在开挖之前首先应采取地 表注浆技术 ， 对 D K3 7 8 +3 8 0 -D K3 7 8 +6 4 3段进行 注浆加 固， 形成帷幕 ， 有地下水地段采用水泥水玻璃 双液浆 ， 无水地段采用单液浆 ， 注浆 目的为改 良地层 性质 ， 重造围岩 。其次 ， 开挖前再次进行洞 内注浆 ， 增强和提高围岩强度 。按照三 台阶施工方法 ， 进行 开挖 ， 严格控制每部台阶长度 ， 及早封闭仰拱 。仰拱 底部采用树根桩加固技术 ， 进行基底加固， 改 良底部 围岩性质 ， 提高基底的承载能力 。 施工中引进 TS P超前地质预报技术 ， 对前方 围岩情况进行预测 。 4 施工程序及方法 4 1 施工程序( 见图 3 ) 。 图 3施工 程序 4 2 主要施工方法 ( 1 ) 地表注浆加 固 采用地质勘 探钻 机成 孔 ， 注浆 管采 用 8 9钢 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路 隧道 2 0 1 3年第 2期( 总第 8 2 期) 管。注浆管下部 固结 区范 围内为花管 ， 间距 l m l m， 从地表打入至隧道边墙底部 ， 注浆顺序 自下游 往上游注 ， 压注浆液为水泥 、 水玻璃双液浆 ， 比例为 1 ： 1 。注浆压力 1 5 2 MP a 控制 。 ( 2 ) 洞 内大管棚超前支护 为了保证开挖过程中的围岩稳定 ， 需要采取预 加固措施 ， 本段采用大管棚法预加 固。拱顶 1 8 0 。 范 围内设大管棚 ， 钢管直径为 O1 0 8 mm， 长 1 0 m， 环 向 间距为 3 0 4 0 c m。纵向搭接长度 2 m。钢管 内注满 水泥砂浆。 ( 3 ) 超前小短管注浆加固 大管棚之间设超前小导管注浆 ， 小导管直径为 5 0 mm， 长度 3 5 m， 压注水泥、 水玻璃双液浆 。掌 子面采用喷混凝土作为止浆层 ， 喷砼厚度 2 0 c m。注 浆压力控制在静水压力再加 1 1 5 MP a ， 施工 中需 要检测 围岩 的静水压力。 ( 4 ) 拱墙径向注浆加固 洞内采 取径 向注 浆 ， 注浆 管 采 用 5 0 mm 5 mm钢管， 长 3 m， 间距 1 5 m1 5 m， 全环注水泥 水玻璃双液浆 。拱墙采用初支喷混凝土作为止浆 层 ， 喷砼厚度 3 0 c m。注浆压力控制在静水压力再加 1 1 5 M Pa。 ( 5 ) 洞 内开挖 开挖方法 ， 不同地段分别采用 了三台阶七步法 预留核心土法和大拱脚 临时仰拱法施工 ， 挖掘机开 挖 ， 每循环开挖进尺控制在 1榀钢架间距 。初支采 用 I 2 2 b钢架， 间距为 5 0 c m， 双层 if ) 8钢筋网片 ， 间距 2 O 2 0 c m， 喷砼厚度为 3 0 c m， 等级为 C 2 5 ， 施工 中实 际的预留沉降量 由设计 的 3 0 c m逐步调整到 6 0 c m。 施工中各 台阶均采用短台阶， 台阶长度 3 6 m， 二衬 步距控制在 3 0 m之 内。开挖过程 中， 引进 围岩监控 量测技术， 每 5 m布设一个监控断面， 每天观测 1 2 次 。 ( 6 ) 基底加固 仰拱开挖后 ， 需要做动力触探试验 ， 确定基底的 承载力。对于不能满足要求的软弱地层进行加 固处 理 。加固方法 ， 采用树根桩加固基础 ( 见 图 4 ) 。在 仰拱开挖到位之后施工仰拱 之前先预埋套管 ， 仰拱 填充完成并达到一定强度后 ， 使用钻机钻孔 ， 打设注 浆管 ， 对基底进行注浆加固。套管采用 4 0钢管 ， 间距 0 4 1 0 m， 高出仰拱填充面以上 2 0 c m， 呈辐 射状布置。压浆管采用 8 9 钢管， 桩管长为 6 m。 施工时 ， 地质勘探钻机成孔 ， 钢管打人后 ， 压注水泥 水玻璃双液浆。注浆压力为静水压力+2 MP a 。每 52 一 施工段长度 5 m。 图 4 隧道基底加固施工 ( 7 ) 二次衬砌 设计为钢筋混凝土结构， 按常规方法施工 ， 每循 环 9 1 2 m， 采用衬砌台车进行施工。 ( 8 ) 地表防渗措施 为防止地表水下渗 ， 沟心处采用 C 2 o混凝土地 表铺砌 ， 铺砌范围， 上下游各 5 0 m； 铺砌宽度约 2 4 m。 此外对沟心上下游各 1 5 m， 宽 2 4 m地表采用 p 4 2 小 导管注浆 ， 小导管长 3 m， 间距 1 l m。 5 施工中采用的配套施工技术 5 1 超前地质预报技术 在仓园隧道中使用 T S P地质预报技术， 长距离 地预报隧道掌子面前方的地质情况 ， 该技术采用 地 震波反射原理 ， 有效地预测了前方地质状况 ， 为施工 人员提前预测有无涌水风险。 5 2 围岩监控量测技术 为了掌握初支 的变形情况 ， 按照规范要求 ， 在初 支施做过程中， 每 5 m布置一个监控断面 ， 每天观测 一 次 ， 通过数据分析， 精确掌握围岩下沉收敛变形状 况 ， 提前预测有无坍塌风险 ， 掌控施工安全情况。 5 3 地表深管注浆技术 开挖之前， 提前在隧道一定范围内打人钢管 ， 深 层注浆加固地层 ， 改 良围岩性质 ， 堵水止水 。 5 4 大管棚预支护技术 为防止开挖过程 中出现坍塌， 在掌子面提前打 人大管棚 ， 对拱顶一定范围内采取预支护。 5 5 超前小导管注浆加固技术 与大管棚配套使用 ， 为防止开挖时掌子 面出现 掉块 ， 提前打人超前小导管并及时注浆 ， 提前加固围 岩并堵水止水。 5 6 径向注浆技术 在初支施做后二衬施做之前 ， 为改良围岩性能， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴广明 仓 园隧道穿越泥石流堆积体施工技术 增强 围岩 自身强度 ， 在拱墙范围打人小导管并注浆 。 5 7 基底树根桩加固技术 在 隧道底部打入钢管桩并注入混凝 土， 有效地 改善基底承载力 。 5 8 地表防护技术 沟心地面铺砌防护 ， 有效地防止地表水下渗 。 6 施工效果及检验 地表注浆及超前小导管注浆的效果， 通过洞内 掌子面开挖后 ， 围岩 的稳定性进行直观判 断进行评 定。在该隧道注浆后 ， 现场开挖后的掌子 面围岩稳 定性良好， 掌子面直立不坍塌， 没有明显渗水。经论 证认为围岩得到了极大改善 ， 达到预期效果 。 径向注浆 的效果评定 ， 采用在边墙初支钻孔取 芯， 每循环取 1 2处 ， 钻取岩芯 ， 观察岩芯浆液充填 情况进行评定。不合格者应补钻孔注浆。本隧道经 现场取芯观察 ， 认为注浆填充效果好 ， 径 向注浆加 固 改善 了围岩的力学性能， 在饱和水地层中期到有效地 止水作用， 提高了围岩的承载能力 ， 达到预期效果。 7 结论 与体会 经过仓园隧道下穿泥石 流沟 的工程实践 ， 我们 体会到 ， 对于泥石流堆积体这种特殊地质 ， 地表注浆 等综合配套技术的应用， 有效地克服了突水突泥、 坍 塌冒顶、 结构沉降等风险， 是泥石流堆积层 中修建大 断面隧道 的成功范例。 参考文献 E l i 齐 ， 何金星， 王立英， 雷星月 兰渝铁路杨家坝隧道 穿越泥石流沟施工技术E l i 施工技术， 2 0 1 2 6第 4 1卷第 3 6 6期 2 张青峰 浅谈仓园隧道穿越泥石流沟浅埋段的施工技 术 J 建筑知识， 2 0 1 1 年 1 O 月 3 黄庆文 ， 柳超 ， 成广 大断面隧道下穿泥石流沟施 工技术 J 铁道建筑， 2 0 1 1 第 1 O期 E 4 张顶立， 李治国 张民庆圆梁山隧道高压富水区帷幕注 浆及止浆技术E - 1 中国铁道科学 ， 2 0 0 4年 6 月 5 高洁 双层注浆小导管在软弱地质隧道进洞施工中 的应用 J 铁道建筑， 2 0 0 8 年第 7期 E 6 王建鹏 隧道超前小导管作用机理及影响因素分析 D 郑州大学， 2 0 0 9年 7 王学红 小导管注浆工艺在隧道施工中的应用 J 中 华民居， 2 0 1 1 年第 7 期 8 任晓光 帷幕注浆法预加固隧道周壁围岩及止水理论 与实践 J 铁道建筑技术 ， 2 0 0 9 年 0 5期 9 邓仁青 高压富水隧道注浆堵水施工技术 J 地下空 间与工程学报 ， 2 0 0 6年 4月 1 O 卿三惠， 杨家松 ， 黄世红 高压富水地层超深特长隧道 施工技术研究 J 铁道工程学报， 2 0 0 9 年 1 月 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m