2015二級建造師《水利》：隧洞施工流沙處理

　　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(nèi)，工程建設(shè)的目的是保護(hù)撫仙湖、改善星云湖、滿足玉溪市長遠(yuǎn)用水需求。星云湖、撫仙湖出流改道工程，即有保護(hù)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(nóng)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(biāo)準(zhǔn)為20年一遇（P＝5%）設(shè)計。地震設(shè)防烈度采用Ⅷ度。

　　2．工程地質(zhì)

　　星云湖撫仙湖出流改道工程二標(biāo)段（5＋800～11＋867．8）圍巖地質(zhì)復(fù)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(zhì)粉砂巖夾泥或泥質(zhì)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(qiáng)風(fēng)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(zhì)粉砂巖與粉砂巖互層，夾灰黑色炭質(zhì)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(biāo)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(jìn)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(zhì)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(yán)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(zhì)粉砂巖與粉砂巖互層，夾灰黑色炭質(zhì)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(hù)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(hù)

　　5．1 準(zhǔn)備工作

　　在已知圍巖地質(zhì)為流砂地段的條件下，應(yīng)備足鋼軌、焊管、花管、方木、稻草、水玻璃、高標(biāo)號水泥、注漿機(jī)、噴漿機(jī)、型鋼拱架或鋼格柵，并配置有經(jīng)驗(yàn)的施工技術(shù)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(biāo)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(jīng)數(shù)十年的堆積沉降，洞穴內(nèi)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(zhǔn)確掌握洞穴流砂準(zhǔn)確位置不至造成坍方，在鉆眼前應(yīng)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(jìn)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(yīng)采取短進(jìn)尺、若爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、或臺階法施工，涌水量較大時應(yīng)多打花管，最大限度將流砂體內(nèi)積水引排。如6米長超前探孔仍未有效跨越流砂體，則應(yīng)加長超前焊管和花管長度。

　　5．3 超前支護(hù)

　　確定流砂層長度后，在設(shè)計開挖輪廓線基礎(chǔ)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(hù)，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(yán)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(yīng)打入鋼軌超前支護(hù)，同時在緊貼鋼軌管棚上部打入花管加強(qiáng)引排水。

　　6．隧洞流砂段開挖和支護(hù)

　　6．1 臺階法開挖

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

　　采用臺階法先進(jìn)行上半部人工開挖，每環(huán)進(jìn)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(jìn)行封堵，讓流砂內(nèi)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(dāng)控制臺階長度，一般3米～5米為宜。

　　6．2 加強(qiáng)拱部縱向支護(hù)

　　由于施工過程中超前管棚很難控制在同一平面，導(dǎo)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(jìn)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(jìn)行封堵，對滲水進(jìn)行引排。

　　6．3 加強(qiáng)拱部橫向支護(hù)

　　拱部短進(jìn)尺開挖加強(qiáng)縱向超前管棚支護(hù)后，橫向已是支撐流砂體垂直壓力、擠壓力重要組成部分，務(wù)必及時加強(qiáng)拱部型鋼拱架或鋼格柵橫向支撐，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、噴射砼支護(hù)。通過收斂量測，準(zhǔn)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(shè)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(qiáng)支護(hù)后，對下半部應(yīng)進(jìn)行短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)施工，每次進(jìn)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(cè)邊挖邊護(hù)，即先開挖左側(cè)或右側(cè)下半部，按設(shè)計要求完成掛網(wǎng)、焊接下半部型鋼或鋼格柵、噴射砼、打設(shè)錨桿等工序后，再進(jìn)行下半部另一側(cè)施工。

　　6．5 加強(qiáng)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(shè)計二期支護(hù)斷面外先進(jìn)行基底換填、設(shè)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(hù)斷面外形成完整的封閉圈，避免內(nèi)水外滲或外水內(nèi)滲，共同抵制圍巖較為復(fù)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(biāo)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(jīng)數(shù)十年的堆積沉降，洞穴內(nèi)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(nèi)積水一并向外噴涌，所以坍塌的第一時間不應(yīng)及時處理，應(yīng)待流砂坍塌、積水涌出自然沉淀形成封堵體達(dá)到穩(wěn)定后，才能讓施工人員到位進(jìn)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(jìn)行橫向堵截，即采用鋼材或木材橫向?qū)⑻杲財?，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(hù)和6隧洞流砂段開挖和支護(hù)，處理過程中洞內(nèi)應(yīng)設(shè)專職安全員，洞外隨時觀察地表動向，洞內(nèi)外有開裂、沉降、變形等情況，應(yīng)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(biāo)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(qiáng)風(fēng)化砂巖帶，地下涌水瞬間達(dá)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(nèi)水壓力極大。

　　8．1 作好充分排水的排水準(zhǔn)備

　　斜井施工洞內(nèi)積水均位于掌子面，砂體沉積于底部，宜采用座式抽水機(jī)，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(jī)和排水管道應(yīng)能滿足要求，短時間的排水不暢均會導(dǎo)致洞內(nèi)積水直至停工或造成其他安全隱患。

　　8．2 停止出碴、加強(qiáng)支護(hù)

　　掌子面為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，節(jié)理發(fā)育、松散破碎、透水性強(qiáng)，掌子面積水積砂達(dá)一定程度后，其內(nèi)壓力與外壓力平衡時，涌水涌砂自然停止，此時巖層內(nèi)流砂沉積于巖體縫隙內(nèi)，地下水位自然上漲，內(nèi)水壓力升高，掌子面沉積砂體不應(yīng)及時清除，保持其內(nèi)外應(yīng)力平衡，及時加強(qiáng)風(fēng)化段支護(hù)或澆筑永久鋼筋砼。經(jīng)驗(yàn)得知：如及時將堆積砂體清除，涌水涌砂最段在1小時內(nèi)爆發(fā)，最長在12小時內(nèi)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(hù)

　　8．2條已分析出，巖層內(nèi)為沉積砂體和高水位形成較高地內(nèi)水壓力，此時采用灌漿方法時，在流砂流動性和巖層內(nèi)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(fèi)用較大、工期較長，費(fèi)時費(fèi)工。宜采用管棚超前支護(hù)。

　　8．4 布置超前管棚

　　超前管棚的布置，應(yīng)采用地質(zhì)鉆打設(shè)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(bǔ)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(nèi)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(jié)徑向50厘米粉砂體，減少流砂滲漏。

　　8．5 短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)

　　形成ф89與ф40超前管棚支護(hù)后，進(jìn)行爆破施工（能進(jìn)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(jìn)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(jìn)行徑向擴(kuò)大爆破。周遍眼間距不大于30厘米、間隔裝藥單獨(dú)爆破。

　　加強(qiáng)掛網(wǎng)噴漿支護(hù)，必要時掛設(shè)ф8鋼筋網(wǎng)格局10厘米，超挖部分嚴(yán)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(zhì)洞段技術(shù)措施

　　9．1 勤測量、勤復(fù)核

　　不良地質(zhì)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(diǎn)有經(jīng)常變動的情況，所以應(yīng)將控制點(diǎn)設(shè)置在牢固、可靠地段，并經(jīng)常復(fù)核，應(yīng)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(shè)備進(jìn)行控制

　　不良地質(zhì)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(diǎn)不易操作，中線、高程點(diǎn)不易保留，固采用紅外線導(dǎo)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(dǎo)向儀同時將隧洞中心線、隧洞某一點(diǎn)高程控制在一條直線上，便于施工人員隨時使用、隨時復(fù)核斷面尺寸。

　　采用紅外線導(dǎo)向儀使用過程中應(yīng)熟練掌握，經(jīng)常保養(yǎng)，經(jīng)常對兩端中線、高程進(jìn)行復(fù)核。

　　9．3 適當(dāng)放大結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)留變形沉降量

　　不良地質(zhì)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(fèi)工費(fèi)時影響工程進(jìn)度，在施工或處理過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)預(yù)留沉降、變形量。

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