隧洞施工流沙處理

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1、工程概況

    星云湖、撫仙湖是云南九大高原湖泊中的兩個姐妹湖，屬珠江流域南盤江水系。玉溪市星云湖、撫仙湖出流改道工程位于江川縣境內，工程建設的目的是保護撫仙湖、改善星云湖、滿足玉溪市長遠用水需求。星云湖、撫仙湖出流改道工程，即有保護和治理兩湖污染的效益，又有向玉溪市供水的效益，對兩湖周邊旅游業(yè)和數(shù)萬畝農田灌溉也有直接影響。工程等別為Ⅲ等中型，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級。建筑物防洪標準為20年一遇（P=5%）設計。地震設防烈度采用Ⅷ度。

    2、工程地質

    星云湖撫仙湖出流改道工程二標段(5+800～11+867.8)圍巖地質復雜多變,共穿越F2-1、F1-1、F1斷層，斷層帶及斷層影響帶圍巖為泥質粉砂巖夾泥或泥質粉砂巖互層，巖層節(jié)理極為發(fā)育，巖體完整程度較破碎，呈破碎松散狀，部分地段為強風化破碎帶，且為含水層，開挖后圍巖自穩(wěn)時間短,頂拱沉降、坑壁易坍塌，墻體在地下水作用下擠脹變形，頂拱易坍方。Ⅴ類圍巖巖層為灰白色泥巖，泥質粉砂巖與粉砂巖互層，夾灰黑色炭質泥巖，部分地段呈松散狀洪沖積層，地下水位較高，在地下水豐富地段，開挖后有涌水涌泥情況，圍巖自穩(wěn)時間短,頂拱沉降易坍方，坑壁易坍塌，邊墻緩慢擠脹位移變形。

    3、工程布置

    根據(jù)二標段地形地貌特征，在6+785處部置1#斜井，斜井長172.1米,坡度21度,與主隧洞6+785斜交36度,1#斜井處于F2-1斷層帶。2#斜井與主隧洞正交于10+757.038,坡度19度,斜井長196.7米，2#斜井處于F1-1、F1斷層影響帶。出口11+830向進口方向施工，11+100～+830屬Ⅴ類圍巖，圍巖慢性擠脹。

    4、施工情況

    4.1 1#斜井

    1#斜井位于F2-1斷層帶，圍巖為泥質粉砂巖夾泥，遇水軟化，在地下水作用下穩(wěn)定性極差，K0+080以里隧洞開挖后，已出現(xiàn)較大變形，其變形速率極快，開挖至K0+112時出現(xiàn)地下涌水。

    4.2 2#斜井

    2#斜井位于F1-1、F1斷層影響帶，圍巖為粉砂巖互層，節(jié)理發(fā)育、極為松散，遇水極易坍塌，頂拱、坑壁掉塊現(xiàn)象嚴重，頂拱曾多次坍塌，且不均勻沉降、邊墻噴射砼受圍巖擠壓開裂變形，地下滲水逐漸豐富。

    4.3 出口

    出口11+100～11+830屬Ⅴ類圍巖，巖層為灰白色泥巖，泥質粉砂巖與粉砂巖互層，夾灰黑色炭質泥巖，邊墻緩慢擠脹位移變形，部分地段呈松散狀洪沖積層，地下水位較高，在地下水豐富地段，開挖后有涌水、涌泥情況，圍巖自穩(wěn)時間較短，已初期支護段（11+830～11+690）拱頂沉降、邊墻位移變形。

    5、隧洞流砂段超前支護

    5.1 準備工作

    在已知圍巖地質為流砂地段的條件下,應備足鋼軌、焊管、花管、方木、稻草、水玻璃、高標號水泥、注漿機、噴漿機、型鋼拱架或鋼格柵，并配置有經驗的施工技術人員和和管理人員。

    5.2 超前探孔

    星云湖撫仙湖出流改道工程二標段11+100～11+830段為Ⅴ類圍巖洪堆擊層,隧洞軸線上有數(shù)十年前開采小煤窯洞穴,經數(shù)十年的堆積沉降，洞穴內淤積為流砂，且分布情況不明。施工過程中曾在11+690、11+628兩處發(fā)生較大流砂造成地表坍塌。

    為確保開挖爆破過程中未準確掌握洞穴流砂準確位置不至造成坍方,在鉆眼前應先打入6米長焊管作超前探眼,每次探眼不少于5根(頂拱1根,起拱線位置2根,直墻腰部2根),探眼掘進過程中如發(fā)現(xiàn)圍巖較為松軟或流砂、裂隙水從焊管涌出，則應采取短進尺、若爆破、強支護、早封閉、或臺階法施工，涌水量較大時應多打花管，最大限度將流砂體內積水引排。如6米長超前探孔仍未有效跨越流砂體,則應加長超前焊管和花管長度。

    5.3 超前支護

    確定流砂層長度后，在設計開挖輪廓線基礎上徑向放大20～40厘米，從起拱線位置打入焊管、花管超前支護，超前管棚橫向不留空隙，避免流砂從縫隙中滲出，超前管棚縱向嚴格按平、順、直要求打入。如探孔滲出流砂、涌水，且流砂體方量較大，應打入鋼軌超前支護，同時在緊貼鋼軌管棚上部打入花管加強引排水。

    6、隧洞流砂段開挖和支護

    6.1 臺階法開挖

    隧洞流砂流動性極強,開挖過程中不宜全斷面開挖,所有施工應盡量減少對圍巖的擾動。

    采用臺階法先進行上半部人工開挖,每環(huán)進尺不宜大于0.5米,上半部開挖后對滲水位置打入花管排放地下滲水,不宜封堵,對滲漏流砂位置采用管棚、稻草進行封堵,讓流砂內滲水從稻草縫隙中滲出，較大顆粒被管棚封堵。根據(jù)已掌握的流砂體流動性和涌水、滲水量適當控制臺階長度，一般3米～5米為宜。

    6.2 加強拱部縱向支護

    由于施工過程中超前管棚很難控制在同一平面，導致拱部開挖后有流砂、滲水滲漏或管棚不能承受流砂體的垂直壓力、擠壓力，造成拱部沉降、位移。隨上半部開挖的不斷深入，必須及時打入第二環(huán)或第三、第四環(huán)超前管棚，直至超前管棚進入非流砂巖層，且能夠有效支撐流砂體垂直壓力、擠壓力，并在第一時間對流砂進行封堵，對滲水進行引排。

    6.3 加強拱部橫向支護

    拱部短進尺開挖加強縱向超前管棚支護后，橫向已是支撐流砂體垂直壓力、擠壓力重要組成部分，務必及時加強拱部型鋼拱架或鋼格柵橫向支撐，掛設鋼筋網(wǎng)、噴射砼支護。通過收斂量測，準確掌握其沉降量、沉降速度、水平位移、水平位移速度，必要時在型鋼拱架、鋼格柵起拱線處加設橫支撐，確保拱部對流砂體的支撐能力。

    6.4 下部臺階施工

    由于流砂自穩(wěn)能力極差,流砂體拱部橫、縱向加強支護后,對下半部應進行短進尺、強支護施工，每次進尺控制在0.5米左右.

    為保證對拱部有較可靠的支撐效果,下半部宜分左右兩側邊挖邊護,即先開挖左側或右側下半部,按設計要求完成掛網(wǎng)、焊接下半部型鋼或鋼格柵、噴射砼、打設錨桿等工序后，再進行下半部另一側施工。

    6.5 加強底板橫向支撐、基底換填、封閉底板 

    流砂或其他軟弱圍巖承載能力較差，在設計二期支護斷面外先進行基底換填、設置橫向鋼拱架或鋼格柵、澆筑底板仰拱砼，使拱部、邊墻、底板在二期支護斷面外形成完整的封閉圈，避免內水外滲或外水內滲，共同抵制圍巖較為復雜的擠壓力和沉降、位移、變形，確保后期施工安全。

    7、隧洞流砂坍方處理

    7.1 坍碴處理

    星云湖撫仙湖出流改道工程二標段11+100～11+830段由于軸線上有數(shù)十年前開采小煤窯洞穴,經數(shù)十年的堆積沉降，洞穴內淤積為流砂，流砂位于隧洞斷面拱部,且壓力極大、分布情況不明,很難避免坍方,于2004年4月28日在11+628坍塌過程中,僅數(shù)分鐘將埋深20米的地表坍穴.

    流砂從拱部或邊墻涌出時，洞穴內積水一并向外噴涌，所以坍塌的第一時間不應及時處理，應待流砂坍塌、積水涌出自然沉淀形成封堵體達到穩(wěn)定后，才能讓施工人員到位進行處理。

    由于流砂固有的流動性，處理流砂坍方時先對坍碴進行橫向堵截，即采用鋼材或木材橫向將坍碴截斷，增加坍碴縱向穩(wěn)定，避免在處理過程中砂體流動，保證施工安全，確保拱部坍孔出砂體自身穩(wěn)定。

    7.2 坍孔封閉

    封閉坍孔采用同上5隧洞流砂段超前支護和6隧洞流砂段開挖和支護,處理過程中洞內應設專職安全員,洞外隨時觀察地表動向,洞內外有開裂、沉降、變形等情況，應及時采取措施。

    8、隧洞砂巖地段涌水、涌砂處理

    星云湖撫仙湖出流改道工程二標段2#斜井位于F1-1、F1斷層影響帶，圍巖為粉砂巖互層，節(jié)理發(fā)育、極為松散破碎，施工至K0+138時為強風化砂巖帶，地下涌水瞬間達100m3/h,由于斜井施工的特殊性，涌水涌砂同時爆發(fā)，噴涌速度及快、圍巖內水壓力極大。

    8．1 作好充分排水的排水準備

    斜井施工洞內積水均位于掌子面，砂體沉積于底部，宜采用座式抽水機，涌砂時便于及時撤離掌子面，否則將被瞬間爆發(fā)的砂體掩埋。抽水機和排水管道應能滿足要求，短時間的排水不暢均會導致洞內積水直至停工或造成其他安全隱患。

    8．2 停止出碴、加強支護

    掌子面為強風化砂巖，節(jié)理發(fā)育、松散破碎、透水性強，掌子面積水積砂達一定程度后，其內壓力與外壓力平衡時，涌水涌砂自然停止，此時巖層內流砂沉積于巖體縫隙內，地下水位自然上漲，內水壓力升高，掌子面沉積砂體不應及時清除，保持其內外應力平衡，及時加強風化段支護或澆筑永久鋼筋砼。經驗得知：如及時將堆積砂體清除，涌水涌砂最段在1小時內爆發(fā)，最長在12小時內爆發(fā)，但流砂量逐步減小，滲水量不變。

    8．3 超前探孔、管棚支護

    8．2條已分析出，巖層內為沉積砂體和高水位形成較高地內水壓力，此時采用灌漿方法時，在流砂流動性和巖層內水壓力的作用下會阻塞灌漿管道，效果不明顯。即使采用高壓注漿，其工程費用較大、工期較長，費時費工。宜采用管棚超前支護。

    8、4 布置超前管棚

    超前管棚的布置，應采用地質鉆打設管徑不小于ф89的鋼管，鋼管每節(jié)長度1m～3m為宜，間距20厘米。由于巖層為粉砂堆積體，必須封閉管棚間空隙，采用ф40管棚、鋼筋網(wǎng)或其他方法填補空隙，以保證砂體不滲漏、滲水暢通的目的。

    布置好超前管棚后，鋼管內注入水泥漿液，加大管棚抗壓、抗彎曲能力。必要時將ф40管制作為注漿花管，注入適量水泥漿，固結徑向50厘米粉砂體，減少流砂滲漏。

    8、5 短進尺、弱爆破、強支護 

    形成ф89與ф40超前管棚支護后，進行爆破施工（能進行人工開挖時，盡量采用人工開挖，減小對巖體的擾動），開挖進尺控制在0.5米,同時采用多極爆破,即先爆破中間掏槽部分,后進行徑向擴大爆破。周遍眼間距不大于30厘米、間隔裝藥單獨爆破。

    加強掛網(wǎng)噴漿支護，必要時掛設ф8鋼筋網(wǎng)格局10厘米，超挖部分嚴禁使用片石回填，均使用噴C25砼回填。

    必要時，澆筑永久鋼筋砼。

    9、不良地質洞段技術措施

    9.1 勤測量、勤復核

    不良地質洞段均有拱頂沉降、邊墻位移變形等現(xiàn)象，施工過程中布置中線、高程點有經常變動的情況，所以應將控制點設置在牢固、可靠地段，并經常復核，應盡量減少中線、高程的非儀器過度次數(shù)。

    9.2 采用方便快捷的儀器設備進行控制

    不良地質洞段或坍方地段施工過程中工序繁多、干擾大，測量儀器在施工點不易操作，中線、高程點不易保留，固采用紅外線導向儀是控制中線、高程的較好方法。

    在直線隧洞施工過程中，采用紅外線導向儀同時將隧洞中心線、隧洞某一點高程控制在一條直線上，便于施工人員隨時使用、隨時復核斷面尺寸。

    采用紅外線導向儀使用過程中應熟練掌握，經常保養(yǎng)，經常對兩端中線、高程進行復核。

    9.3 適當放大結構尺寸、預留變形沉降量

    不良地質洞段或坍方地段圍巖松軟、自穩(wěn)能力差、拱部壓力大，處理欠挖安全隱患大，費工費時影響工程進度，在施工或處理過程中應根據(jù)實際情況適當預留沉降、變形量。