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隧洞施工流沙处理

简介: 云南地区地质条件复杂多变,隧洞施工过程中断层、堆积层、流砂、涌水、涌泥难以避免,必须超前考虑施工机械与隧洞施工断面配套设置,随地质条件的变化,预备工程施工材料与相关工程技术人员和施工人员,作到有备无患,本文就该隧洞施工过程中的流砂、涌泥、涌水导致坍方为例,介绍不良地质洞段超前支护所采取的施工措施和施工方法.
关键字:星云湖抚仙湖出流改道工程 隧洞施工 流砂处理

1、工程概况

  星云湖、抚仙湖是云南九大高原湖泊中的两个姐妹湖,属珠江流域南盘江水系。玉溪市星云湖、抚仙湖出流改道工程位于江川县境内,工程建设的目的是保护抚仙湖、改善星云湖、满足玉溪市长远用水需求。星云湖、抚仙湖出流改道工程,即有保护和治理两湖污染的效益,又有向玉溪市供水的效益,对两湖周边旅游业和数万亩农田灌溉也有直接影响。工程等别为Ⅲ等中型,主要建筑物为3级,次要建筑物为4级。建筑物防洪标准为20年一遇(P=5%)设计。地震设防烈度采用Ⅷ度。

  2、工程地质

  星云湖抚仙湖出流改道工程二标段(5+800~11+867.8)围岩地质复杂多变,共穿越F2-1、F1-1、F1断层,断层带及断层影响带围岩为泥质粉砂岩夹泥或泥质粉砂岩互层,岩层节理极为发育,岩体完整程度较破碎,呈破碎松散状,部分地段为强风化破碎带,且为含水层,开挖后围岩自稳时间短,顶拱沉降、坑壁易坍塌,墙体在地下水作用下挤胀变形,顶拱易坍方。Ⅴ类围岩岩层为灰白色泥岩,泥质粉砂岩与粉砂岩互层,夹灰黑色炭质泥岩,部分地段呈松散状洪冲积层,地下水位较高,在地下水丰富地段,开挖后有涌水涌泥情况,围岩自稳时间短,顶拱沉降易坍方,坑壁易坍塌,边墙缓慢挤胀位移变形。

  3、工程布置

  根据二标段地形地貌特征,在6+785处部置1#斜井,斜井长172.1米,坡度21度,与主隧洞6+785斜交36度,1#斜井处于F2-1断层带。2#斜井与主隧洞正交于10+757.038,坡度19度,斜井长196.7米,2#斜井处于F1-1、F1断层影响带。出口11+830向进口方向施工,11+100~+830属Ⅴ类围岩,围岩慢性挤胀。

  4、施工情况

  4.1 1#斜井

  1#斜井位于F2-1断层带,围岩为泥质粉砂岩夹泥,遇水软化,在地下水作用下稳定性极差,K0+080以里隧洞开挖后,已出现较大变形,其变形速率极快,开挖至K0+112时出现地下涌水。

  4.2 2#斜井

  2#斜井位于F1-1、F1断层影响带,围岩为粉砂岩互层,节理发育、极为松散,遇水极易坍塌,顶拱、坑壁掉块现象严重,顶拱曾多次坍塌,且不均匀沉降、边墙喷射砼受围岩挤压开裂变形,地下渗水逐渐丰富。

  4.3 出口

  出口11+100~11+830属Ⅴ类围岩,岩层为灰白色泥岩,泥质粉砂岩与粉砂岩互层,夹灰黑色炭质泥岩,边墙缓慢挤胀位移变形,部分地段呈松散状洪冲积层,地下水位较高,在地下水丰富地段,开挖后有涌水、涌泥情况,围岩自稳时间较短,已初期支护段(11+830~11+690)拱顶沉降、边墙位移变形。

  5、隧洞流砂段超前支护

  5.1 准备工作

  在已知围岩地质为流砂地段的条件下,应备足钢轨、焊管、花管、方木、稻草、水玻璃、高标号水泥、注浆机、喷浆机、型钢拱架或钢格栅,并配置有经验的施工技术人员和和管理人员。

  5.2 超前探孔

  星云湖抚仙湖出流改道工程二标段11+100~11+830段为Ⅴ类围岩洪堆击层,隧洞轴线上有数十年前开采小煤窑洞穴,经数十年的堆积沉降,洞穴内淤积为流砂,且分布情况不明。施工过程中曾在11+690、11+628两处发生较大流砂造成地表坍塌。

  为确保开挖爆破过程中未准确掌握洞穴流砂准确位置不至造成坍方,在钻眼前应先打入6米长焊管作超前探眼,每次探眼不少于5根(顶拱1根,起拱线位置2根,直墙腰部2根),探眼掘进过程中如发现围岩较为松软或流砂、裂隙水从焊管涌出,则应采取短进尺、若爆破、强支护、早封闭、或台阶法施工,涌水量较大时应多打花管,最大限度将流砂体内积水引排。如6米长超前探孔仍未有效跨越流砂体,则应加长超前焊管和花管长度。

  5.3 超前支护

  确定流砂层长度后,在设计开挖轮廓线基础上径向放大20~40厘米,从起拱线位置打入焊管、花管超前支护,超前管棚横向不留空隙,避免流砂从缝隙中渗出,超前管棚纵向严格按平、顺、直要求打入。如探孔渗出流砂、涌水,且流砂体方量较大,应打入钢轨超前支护,同时在紧贴钢轨管棚上部打入花管加强引排水。

  6、隧洞流砂段开挖和支护

  6.1 台阶法开挖

  隧洞流砂流动性极强,开挖过程中不宜全断面开挖,所有施工应尽量减少对围岩的扰动。

  采用台阶法先进行上半部人工开挖,每环进尺不宜大于0.5米,上半部开挖后对渗水位置打入花管排放地下渗水,不宜封堵,对渗漏流砂位置采用管棚、稻草进行封堵,让流砂内渗水从稻草缝隙中渗出,较大颗粒被管棚封堵。根据已掌握的流砂体流动性和涌水、渗水量适当控制台阶长度,一般3米~5米为宜。

  6.2 加强拱部纵向支护

  由于施工过程中超前管棚很难控制在同一平面,导致拱部开挖后有流砂、渗水渗漏或管棚不能承受流砂体的垂直压力、挤压力,造成拱部沉降、位移。随上半部开挖的不断深入,必须及时打入第二环或第三、第四环超前管棚,直至超前管棚进入非流砂岩层,且能够有效支撑流砂体垂直压力、挤压力,并在第一时间对流砂进行封堵,对渗水进行引排。

  6.3 加强拱部横向支护

  拱部短进尺开挖加强纵向超前管棚支护后,横向已是支撑流砂体垂直压力、挤压力重要组成部分,务必及时加强拱部型钢拱架或钢格栅横向支撑,挂设钢筋网、喷射砼支护。通过收敛量测,准确掌握其沉降量、沉降速度、水平位移、水平位移速度,必要时在型钢拱架、钢格栅起拱线处加设横支撑,确保拱部对流砂体的支撑能力。

  6.4 下部台阶施工

  由于流砂自稳能力极差,流砂体拱部横、纵向加强支护后,对下半部应进行短进尺、强支护施工,每次进尺控制在0.5米左右.

  为保证对拱部有较可靠的支撑效果,下半部宜分左右两侧边挖边护,即先开挖左侧或右侧下半部,按设计要求完成挂网、焊接下半部型钢或钢格栅、喷射砼、打设锚杆等工序后,再进行下半部另一侧施工。

  6.5 加强底板横向支撑、基底换填、封闭底板

  流砂或其他软弱围岩承载能力较差,在设计二期支护断面外先进行基底换填、设置横向钢拱架或钢格栅、浇筑底板仰拱砼,使拱部、边墙、底板在二期支护断面外形成完整的封闭圈,避免内水外渗或外水内渗,共同抵制围岩较为复杂的挤压力和沉降、位移、变形,确保后期施工安全。

  7、隧洞流砂坍方处理

  7.1 坍碴处理

  星云湖抚仙湖出流改道工程二标段11+100~11+830段由于轴线上有数十年前开采小煤窑洞穴,经数十年的堆积沉降,洞穴内淤积为流砂,流砂位于隧洞断面拱部,且压力极大、分布情况不明,很难避免坍方,于2004年4月28日在11+628坍塌过程中,仅数分钟将埋深20米的地表坍穴.

  流砂从拱部或边墙涌出时,洞穴内积水一并向外喷涌,所以坍塌的第一时间不应及时处理,应待流砂坍塌、积水涌出自然沉淀形成封堵体达到稳定后,才能让施工人员到位进行处理。

  由于流砂固有的流动性,处理流砂坍方时先对坍碴进行横向堵截,即采用钢材或木材横向将坍碴截断,增加坍碴纵向稳定,避免在处理过程中砂体流动,保证施工安全,确保拱部坍孔出砂体自身稳定。

  7.2 坍孔封闭

  封闭坍孔采用同上5隧洞流砂段超前支护和6隧洞流砂段开挖和支护,处理过程中洞内应设专职安全员,洞外随时观察地表动向,洞内外有开裂、沉降、变形等情况,应及时采取措施。

  8、隧洞砂岩地段涌水、涌砂处理

  星云湖抚仙湖出流改道工程二标段2#斜井位于F1-1、F1断层影响带,围岩为粉砂岩互层,节理发育、极为松散破碎,施工至K0+138时为强风化砂岩带,地下涌水瞬间达100m3/h,由于斜井施工的特殊性,涌水涌砂同时爆发,喷涌速度及快、围岩内水压力极大。

  8.1 作好充分排水的排水准备

  斜井施工洞内积水均位于掌子面,砂体沉积于底部,宜采用座式抽水机,涌砂时便于及时撤离掌子面,否则将被瞬间爆发的砂体掩埋。抽水机和排水管道应能满足要求,短时间的排水不畅均会导致洞内积水直至停工或造成其他安全隐患。

  8.2 停止出碴、加强支护

  掌子面为强风化砂岩,节理发育、松散破碎、透水性强,掌子面积水积砂达一定程度后,其内压力与外压力平衡时,涌水涌砂自然停止,此时岩层内流砂沉积于岩体缝隙内,地下水位自然上涨,内水压力升高,掌子面沉积砂体不应及时清除,保持其内外应力平衡,及时加强风化段支护或浇筑永久钢筋砼。经验得知:如及时将堆积砂体清除,涌水涌砂最段在1小时内爆发,最长在12小时内爆发,但流砂量逐步减小,渗水量不变。

  8.3 超前探孔、管棚支护

  8.2条已分析出,岩层内为沉积砂体和高水位形成较高地内水压力,此时采用灌浆方法时,在流砂流动性和岩层内水压力的作用下会阻塞灌浆管道,效果不明显。即使采用高压注浆,其工程费用较大、工期较长,费时费工。宜采用管棚超前支护。

  8、4 布置超前管棚

  超前管棚的布置,应采用地质钻打设管径不小于ф89的钢管,钢管每节长度1m~3m为宜,间距20厘米。由于岩层为粉砂堆积体,必须封闭管棚间空隙,采用ф40管棚、钢筋网或其他方法填补空隙,以保证砂体不渗漏、渗水畅通的目的。

  布置好超前管棚后,钢管内注入水泥浆液,加大管棚抗压、抗弯曲能力。必要时将ф40管制作为注浆花管,注入适量水泥浆,固结径向50厘米粉砂体,减少流砂渗漏。

  8、5 短进尺、弱爆破、强支护

  形成ф89与ф40超前管棚支护后,进行爆破施工(能进行人工开挖时,尽量采用人工开挖,减小对岩体的扰动),开挖进尺控制在0.5米,同时采用多极爆破,即先爆破中间掏槽部分,后进行径向扩大爆破。周遍眼间距不大于30厘米、间隔装药单独爆破。

  加强挂网喷浆支护,必要时挂设ф8钢筋网格局10厘米,超挖部分严禁使用片石回填,均使用喷C25砼回填。

  必要时,浇筑永久钢筋砼。

  9、不良地质洞段技术措施

  9.1 勤测量、勤复核

  不良地质洞段均有拱顶沉降、边墙位移变形等现象,施工过程中布置中线、高程点有经常变动的情况,所以应将控制点设置在牢固、可靠地段,并经常复核,应尽量减少中线、高程的非仪器过度次数。

  9.2 采用方便快捷的仪器设备进行控制

  不良地质洞段或坍方地段施工过程中工序繁多、干扰大,测量仪器在施工点不易操作,中线、高程点不易保留,固采用红外线导向仪是控制中线、高程的较好方法。

  在直线隧洞施工过程中,采用红外线导向仪同时将隧洞中心线、隧洞某一点高程控制在一条直线上,便于施工人员随时使用、随时复核断面尺寸。

  采用红外线导向仪使用过程中应熟练掌握,经常保养,经常对两端中线、高程进行复核。

  9.3 适当放大结构尺寸、预留变形沉降量

  不良地质洞段或坍方地段围岩松软、自稳能力差、拱部压力大,处理欠挖安全隐患大,费工费时影响工程进度,在施工或处理过程中应根据实际情况适当预留沉降、变形量。

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