富水残坡积粉质粘土地层长距输水隧洞洞挖施工技术

富水残坡积粉质粘土地层长距输水隧洞

洞挖施工技术

【摘要】为解决在饱和含泥砂层和富水残坡积粉质粘土地层中进行洞挖时，掌子面土体自动涌出所导致的隧洞坍塌问题，依托工程实例，区分不同水文地质情况，主要在洞挖轮廓线处预设密排小导管拦挡流砂、大管棚超前支护、设置钢管锚钉群稳定掌子面土体、预留核心土分区洞挖及掌子面快速封闭措施中，优选具有针对性的措施组合，保证洞挖安全顺利进行，在实践检验的基础上，总结出一套成熟的技术措施成果，以期对类似工程能有所启迪和借鉴。 【关键词】饱和含泥砂层；富水残坡积粉质粘土层；超前密排 引言：

海口南渡江引水工程输水隧洞出口段围岩为呈散体结构的残坡积粉质粘土、饱和含泥砂层，水泥浆可灌性差，地下水位高，掌子面揭露后遇水会很快发生液化、泥化，掌子面土体在地下水作用下自动涌出，造成洞内围岩失稳垮塌，致使地面塌陷，导致洞内施工存在巨大安全隐患，施工进度异常缓慢。

对在富水残坡积粉质粘土地层易产生涌土洞段，进行安全快速洞挖施工的研究，本身在国内也是需持续研究的课题之一，具有技术前沿性。通过研究和实施，探索出一种成熟的工艺措施，不但能保证本工程施工安全顺利进行，而且随着国家地下空间、城市管廊工程项目的日益增多，难免会遇到类似情况，其成果对今后类似工程也具有借鉴和指导作用，具有较好的市场前景。 1、 所依托工程项目简介

海口南渡江引水工程是国家172个节水供水重大水利工程项目之一，也是海南省海口市2015年重点投资的水利项目。工程建设内容主要包括取水首部枢纽、水源提水泵站、分水泵站、灌溉泵站、输配水工程（含箱涵、渡槽、隧洞、输水管道）等，其中位于中西部城市供水线路上的输水隧洞工程为本工程施工的关键线路。

输水隧洞全长12.960km，其纵坡坡比为1：6000，设计输水流量为8.2m3/s，全程為无压城门洞型，全断面采用40cm厚钢筋混凝土衬砌后，断面尺寸为3.2m×3.6m（宽×高）。隧洞出口段288m和中间约998m段围岩为呈散体结构的残坡积粉质粘土及饱和含泥砂层，属Ⅴ类围岩，洞挖断面尺寸4.4m×4.6m（宽×高），洞身位于地下水位之下，水量丰富，预计涌水量845m3/h，洞挖时掌子面土体自动涌出，致使洞壁失稳垮塌、冒顶，是本工程施工的重难点之一。

2、研究原则及思路

输水隧洞出口洞段为浅埋深富水软土地层，属Ⅴ类围岩，洞挖施工遵照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字软土浅埋暗挖法隧道施工原则，区分以富水残坡积粉质粘土和以饱和含泥砂层为主的不同水文地质

和物理地质洞段，从降排水、超前支护、开挖前后掌子面及轮廓面稳定、软基置换和一期支护安全可靠诸方面，优选具有针对性的技术措施组合。 3、主要技术方案研究及实施

3.1 饱和含泥砂层洞段施工措施及方法 3.1.1 主要施工措施

饱和含泥砂层为主的洞段，洞挖施工主要措施组合：在洞挖边线外设置降水井，降低地下水位及渗水量；在洞挖轮廓线外插入密排小导管，挡砂排水稳定洞壁；在掌子面插入钢管锚钉，通过锚钉群对土体的约束力，提高掌子面的稳定性；在掌子面中下部预留核心土，分区分序开挖支护；喷射混凝土快速封闭掌子面，为后续工序施工创造条件。 3.1.2 施工程序

设置降水井→轮廓线外周边插入密排小导管→上半洞掌子面插入钢管锚钉→上半洞开挖→掌子面喷射混凝土→上半洞架设钢拱架及锚喷支护→下半洞两侧近边线区开挖（中部预留核心土）→拱架基础硬化→延伸型钢拱架→下半洞挂网锚喷支护→下半洞预留核心土挖除→下半洞掌子面封闭→基础换填→下一循环 3.1.3 主要施工方法 （1）设置降水井

洞挖前，在洞口出口明挖部位及隧洞两侧洞挖范围5m之外，各设置3个降水井，均安装7.5kw潜水泵抽排地下水。降水井采用钻机钻出φ800mm、深入隧洞底板以下约3m的钻孔，插入预先加工完成的外包2层反滤密网的φ600钢筋笼（在下放钢筋笼困难处，改为外包反滤网的φ600花眼钢管），然后在钢筋

笼与钻孔间的空隙内，填入砂石级配料进行填充并形成反滤，避免因抽排水带出砂土，造成井壁坍塌。

（2）洞挖轮廓线外周边插入密排小导管

开挖后的饱和含泥砂层洞室轮廓面，在地下水的作用下无法自稳，必然产生涌土垮塌问题。为此，采取在洞挖轮廓线外预先插入密排小导管，在保证排水通畅的同时，起到拦砂稳定洞壁的作用。

密排小导管采用壁厚4mm的φ50无缝钢管，单根长6m，环向紧密排列，纵向搭接长度≥2m，前端做成长约10cm的圆锥状，在该洞段开挖前，预先水平插在设计开挖轮廓线外25cm处（软基洞段预留25cm沉降和收敛余量，以保证后期混凝土衬砌结构厚度）。具体详见图1。 （3）洞挖掌子面插入钢管锚钉群

扰动后的饱和含泥砂层无自稳能力，在中间预留核心土仅进行周边开挖的愿望无法实现，掌子面失稳后，将引起洞顶及洞壁垮塌。采用在掌子面插入若干钢管锚钉，通过钢管锚钉群对临空掌子面的约束作用，可达到稳定上半洞掌子面土体的同时，也使得下半洞预留核心土的愿望得以实现。

钢管锚钉采用φ无缝钢管，单根长3m，采用人工配合小反铲按均布原则逐根推入，并跟随上半洞每一循环的开挖，不断将外露的钢管锚钉推入土体，立即喷射混凝土封闭掌子面，快速架设I20型钢拱架，进行上半洞锚喷支护。详见图1。

（4）隧洞分区开挖及支护

隧洞开挖分上下半洞3个顺序区进行。上半洞约2m高度为①号区，在密排小导管和钢管锚钉的保护下，采用人工配合小型挖掘机按每循环50cm～100cm的进尺开挖。下半洞开挖分2个次序3个区进行，即先进行两侧型钢拱架支撑范围的②号区开挖，最后进行中部预留核心土的③号区开挖。

由于洞挖底板基础以下为浸泡在水中的砂层，在无密排小导管挡砂保护的情况下，开挖②号区钢拱架支撑基础时，四周流砂会不断涌入挖槽内，进而会出现洞壁基础被掏空后发生坍塌问题。为此，采取小反铲掏挖拱架基础坑的同时，快速抛入块石或预制混凝土块，并用反铲震动挤压稳定之后，将已安装的上半洞工字钢拱架接长延伸至隧洞底板之下，并在拱脚下插入钢板，以扩大拱架与基础的接触面，提高拱架基础的承载力。

②号区钢拱架安装完成后，进行挂网锚喷护及中部③号区的开挖，完毕后，快速喷射3～5cm素混凝土对掌子面进行封闭，并排除掌子面底部积水，按设计要求进行基础换填，为下一循环洞挖施工创造条件。 图1： 饱和含泥砂层洞段洞挖支护断面示意图 3.2 富水残坡积粉质粘土洞段施工方法及措施 3.2.1 主要施工措施

在以富水残坡积粉质粘土为主的洞段，根据水文地质实际情况，取消洞外降水井及隧洞轮廓线外密排小导管，改为在洞顶设置一圈大管棚超前支护，其它措施与饱和含泥砂层洞段的相同。

具体主要措施组合为：在洞顶轮廓线外设置一圈大管棚，进行超前支护；在掌子面插入钢管锚钉，通过钢管锚钉群对土体的约束力，提高掌子面的稳定性；

在掌子面中下部预留核心土，分区分序开挖支护；喷射混凝土快速临时封闭掌子面，为后续工序施工创造条件。 3.2.2 施工程序

大管棚超前支护→上半洞掌子面插入钢管锚钉→上半洞开挖→掌子面喷射混凝土→上半洞架设钢拱架及锚喷支护→下半洞两侧近边线区开挖（中部预留核心土）→拱架基础硬化→延伸型钢拱架→下半洞挂网锚喷支护→下半洞预留核心土挖除→下半洞掌子面封闭→基础换填→下一循环 3.2.3 主要施工方法

在砂层抬升洞顶之上，进入富水残坡积粉质粘土洞段后，拱顶松散土自动涌出，致使小导管变形失效，导致洞内围岩失稳垮塌，经分析研究后，采用大管棚取代密排小导管进行超前支护的应对措施。

大管棚采用9m长φ无缝钢管制作（内置Ф22螺纹钢筋），端部做成圆锥状，用气动式冲击器按环向间距200mm逐根打入开挖轮廓线外25cm处（纵向间距为5m），然后灌入水泥浆，在洞顶形成一圈大管棚，达到超前支护的作用。 残坡积粉质粘土呈散体结构，受地下水作用发生涌动时，对管棚和拱架施加的荷载较大，因此将工字钢拱架规格由I16变更为I20，拱架纵向Φ16连接钢筋由原设计环向间距1200mm调整为600mm，喷混凝土支护厚度由200mm变更为240mm。具体详见图2。

其它措施方法与饱和含泥砂层洞段相同，参见本文2.2.3。 图2 ：富水残坡积粉质粘土洞段洞挖支护断面示意图 4、实施效果

虽然洞挖边线外降水井降低了地下水位，但由于残坡积粉质粘土和饱和含泥砂层透水率偏低，连通性较差，不能形成较大的降水漏斗，渗水量减少不明显，掌子面下部仍然存在渗涌水现象。

洞挖轮廓线外设置的密排小导管，擋砂排水效果明显，起到了超前支护稳定围岩的作用。施工时需注意精细操作，力求小导管排列紧密。

掌子面设置的钢管锚钉群，稳定掌子面土体的作用明显，掌子面不再自动涌土，使掌子面下部预留核心土进行分区分序开挖如愿实现。

2016年8月8日开始隧洞出口段洞挖施工，在未全部采取上述措施组合前，洞内坍塌不断，甚至出现冒顶事件，平均日进尺仅0.5m/d，采取组合措施后，平均日进尺提升至1.0m/d，加快了施工进度，减少了施工安全隐患，但需特别注意的是，在浅埋深隧洞地层变化区易出现坍塌冒顶问题。 5、结语

通过对隧洞出口富水软土洞段洞挖施工措施的研究和实施，总结出了针对饱和含泥砂层和富水残坡积粉质粘土洞段洞挖施工的措施组合，尤其是钢管锚钉群的使用，对富水软土地层掌子面的稳定作用效果明显。该技术措施成果，增强了施工安全性，加快了施工进度，使工程施工得以顺利进行，具有推广借鉴价值。 参考文献：

[1].刘鹏，刘维.富水地层重叠隧道施工结构及地层变形分析[J].《隧道建设》 2012年03期

[2].吴旻硕；李作恒；；隧道围岩强度不均地段塌方成因及其处理方法[A]；中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编（第七卷）[C]；2008年 -全文完-