隧洞施工流沙处理

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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。