富水粉細砂層小斷面隧洞暗挖施工工藝研究

劉德濤 張頂鋒

隧道暗挖法施工具有對周邊環境影響較小、不干擾交通、工程造價相對較低、施工設備簡單等優點，被廣泛應用于過街通道、地鐵等工程建設施工中。因施工條件的限制，在交通繁忙的路段、穿越鐵路、工程大范圍內適合暗挖法作業僅局部需作特殊處理的地段等隧道工程采用暗挖法施工是較好的方案選擇。編制具有可操作性的施工方案、制定合理的施工工藝、合理安排施工工序，是確保隧道穿越富水粉細砂層地段暗挖施工安全、保證工程質量與施工進度的基礎。

1 概述

1.1 工程概況

陜西省神木縣應急供水工程輸水隧洞進口砂層段，里程為歸化樁號0+262 m～0+854.9 m，工程內容包括長592.9 m的流砂段平洞和位于0+592處25.05 m深的臨時施工豎井。隧洞在里程為0+262～0+742隧洞縱向坡度為3.3‰，在里程為0+742～0+854.9縱向坡度為7.42%。隧洞橫斷面形式為城門洞型(1.8 m× 2.4 m)，復合式襯砌結構，開挖寬度3 m，高度3.6 m。

1.2 地質條件

隧洞絕大部分地段均全斷面位于粉質細砂層內，僅在歸化樁號0+742～0+854.9段從粉質細砂層過渡到巖石層。粉質細砂層為淺黃色、具風成交錯層理，質地均一，呈稍密～中密狀態，松散未膠結，開挖中極易坍塌，遇水易形成流砂。水上天然休止角為30°，水下天然休止角為25°，滲透系數為1.2×10－2cm/s (10.4 m/d)，為強透水地層。地下水主要為孔隙潛水，主要補給源有大氣降水、側向徑流、灌溉回歸水和地表水。本段地下水位呈波浪形，水位最高處高程為1 154.85 m。歸化樁號0+540～0+680段長140 m范圍內洞底以上最大水頭2.96 m;歸化樁號0+762～0+854.9段長92.9 m范圍內洞底以上最大水頭11.13 m。地下水對混凝土及其中的鋼筋無腐蝕性。

2 技術難點及應對措施

小斷面隧洞位于富水粉細砂層中，成洞條件差，施工難度極大。本工程針對此難點的應對措施如下(隧洞橫斷面參數見圖1)：1)考慮到結構的受力合理和施工便利，暗挖隧洞采用城門洞型，二次襯砌后洞徑1.8 m×2.4 m(上部為半圓);2)初期支護為超前小導管注漿、格柵鋼架、網噴C20混凝土聯合支護;3)二次襯砌為C25混凝土結構;初期支護與二次襯砌之間設防水隔離層; 4)隧洞全斷面采用φ42小導管及超前注漿聯合預支護，并及時進行背后回填注漿。

3 施工流程及操作要點

本工程的總體施工工藝流程為：降水施工→超前小導管注漿→開挖及初期支護→防水施工→二襯施工。

3.1 降水施工

降水是富水粉細砂層小斷面隧洞暗挖施工的重要工序，必須提前進行降水，將水位降至開挖隧洞底板以下施工才能順利進行，因而降水施工必須嚴格管理與控制。

1)地面井點降水。降水井在有水地段沿結構兩側10 m外布置，縱向間距10 m間隔布置。降水井深度為結構底板向下7 m或進入巖層3 m，井身開孔直徑為600 mm，井管直徑為273 mm。

2)洞內真空降水。在斷面開挖時，若地層含水量大，周邊及垂直注漿效果不明顯。流砂涌水現象嚴重時，采用洞內分段封閉輕型井點真空降水，以確保無水開挖及沉降控制。在該段開挖支護完畢后，即可拆除井點并插管注漿封閉。

3.2 超前小導管注漿

為保障暗挖隧洞開挖施工的順利進行，在施工暗挖隧洞前需對隧洞掌子面及周圍土體進行注漿加固。圖2為注漿工藝流程圖。

3.2.1 小導管制作及安設

小導管采用φ42(t=3.5)鋼制花管，長度為3 m。注漿管一端做成尖形，另一端焊上鐵箍。在距離鐵箍0.5 m～1.0 m處開始鉆孔，鉆孔沿管壁間隔200 mm，呈梅花形布設，孔位互成90°，孔徑6 mm～8 mm，其加工尺寸見圖3。

3.2.2 注漿效果檢查及質量評定

注漿效果檢查分施工過程中檢查，結束時檢查和開挖過程中檢查。

1)注漿過程中檢查主要是檢查漿液凝膠時間，用現場灌砂模的辦法，看漿液凝膠時間是否達到設計要求。2)注漿結束時，檢查注漿記錄，看每孔注漿量是否達到結束標準，孔數是否與設計一致。3)開挖時，看開挖邊緣是否整齊，漿液固砂情況，漿液滲透半徑等，以便為下步注漿參數的修改提供依據。

根據各階段檢查情況，評定合格與不合格。注漿過程中及結束時，如質量不合格，按要求重新返工。開挖時如發現注漿效果不好，除在下一循環改進外，還應加強支護措施。

3.3 開挖及初期支護

1)隧洞開挖。隧洞超前支護完成后，進行土體開挖。隧洞開挖采用臺階法，上部開挖時采用馬口式開挖，留核心土，最后挖除核心土初支封閉成環。開挖方式采用人工開挖，人力手推膠輪車出碴，通過電動葫蘆提升，用裝載機棄至附近低洼地帶。

2)初期支護。初期支護包括初噴，掛設鋼筋網，架設格柵鋼架，噴射初支混凝土及初支背后注漿。其中的控制技術措施有：為防止土體失穩，開挖完成后立即進行初噴，厚度為3 cm～5 cm。鋼筋網采用φ6.5@100×100近土側及隧洞格柵鋼架內側雙層進行鋪設。鋼筋網鋪設應平整，牢固，網片之間須進行搭接，搭接長度不小于兩個網格。初層鋼筋網鋪設完畢后架設格柵鋼架，縱向間距為0.5 m;為保證鋼架整體受力，用φ18鋼筋作為縱向連接筋，環向間距0.5 m，內外層交錯布置;鋼架與土體之間留3 cm～5 cm間隙作鋼筋保護層。采用C20混凝土進行初支噴射。噴混凝土厚度300 mm。噴射混凝土時分層噴射，一次噴射厚度根據噴射部位確定，拱部為5 cm～6 cm，邊墻為7 cm～10 cm。在初支結構噴射混凝土前，沿隧洞方向每2 m埋設初支背后回填注漿管，隧洞兩側交錯布置。為控制拱部土體的沉降，立即對其初支背后進行注漿，填充初支背后空隙。注漿材料采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.2 MPa～0.6 MPa。

3.4 防水施工

防水施工的工藝流程為：驗收噴射混凝土面→基面處理、找平→緩沖層鋪設固定→防水板無孔鋪設→焊接防水板搭接縫→焊縫補強→防水板質量檢查→保護層施工→驗收。

防水板接縫焊接是防水施工最重要的工藝，焊縫采用熱合機自動雙焊縫形式，即將兩層防水板的邊緣搭接100 mm，通過熱熔加壓而粘合，兩側焊縫寬不小于10 mm，防水板采用無孔鋪設技術。

3.5 二次襯砌

隧洞二襯均為C25素混凝土。采用滿堂紅腳手架，結合組合鋼模板，混凝土輸送泵進行二襯混凝土灌注。隧洞二襯施工工藝流程：防水層施作→模板安裝→混凝土拌合、運輸→混凝土灌注→混凝土脫模養護。為了保證質量及外觀美觀，模板采用3015組合鋼模，支撐體系由型鋼拱架、方木、鋼管內支撐組成。

4 結語

1)本工法結合陜西省神木縣應急供水工程輸水隧洞進口砂層段施工進行研究，使用本工法攻克了隧洞在富水粉細砂層中施工難度大的難題，采用小斷面隧洞過富水粉細砂層使得暗挖施工順利進行，進而提高了施工質量和施工速度，能夠確保結構的安全和質量，取得了良好的社會效益。

2)本工法作業面較小，操作靈活、施工迅速，同時節約了勞動力，大大減輕了勞動強度，低能耗、促環保。具有較廣闊的推廣前景和一定的經濟、環境、社會效益。

［1］ 沈 杰.地基基礎手冊［M］.上海：上海科學技術出版社，1985.

［2］ 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥：安徽教育出版社，2004.

［3］ 孫風革.富水砂卵石隧道暗挖施工工藝［J］.山西建筑，2009，35(22)：315-316.