第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖隧道主要技術措施研究

李國良，王 飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

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第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖隧道主要技術措施研究

李國良，王 飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

為解決蘭渝鐵路、寧夏王洼鐵路在建設過程中所遇到的第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖所帶來的系列工程問題，結合桃樹坪、胡麻嶺、程兒山等隧道建設中的工程難點和科研攻關，系統闡述了第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖的圍巖特性，介紹了適應該圍巖的主要輔助技術措施和工程方案，提出了針對該地層的設計措施和施工關鍵技術。確定采用以“重降水、密導管、強支護、輔注漿、快挖快支快封閉”為主的工程原則，必要時洞內水平旋噴加固，摸索出一整套此類地層條件下隧道的施工方法，并成功的應用于工程實踐中，解決了一個世界罕遇的工程難題。

隧道工程；第三系；泥質弱膠結；富水；粉細砂巖；圍巖特性；水平旋噴

0 引 言

第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖隧道施工問題是近年來隧道界遇到的一個嶄新的工程技術難題。該類圍巖主要分布于蘭州市周邊，具有明顯的地域特色，在之前隧道建設中很少碰到。蘭渝鐵路桃樹坪、胡麻嶺、馬家坡、哈達鋪等隧道，寧夏王洼鐵路程兒山隧道均遇到此類地層，給工程建設造成了巨大的困難。

在蘭渝鐵路建設初期，地勘初步揭示了本線的復雜地質情況，主要包括第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖、高地應力軟巖大變形、高地應力硬巖隧道塌方等，這些不利因素在隧道選線階段已進行了適當考慮和規避，但當時的認識并不充分，尤其對第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖的工程及水文地質特性的認識不充分。待隧道挖開接觸后，才發現問題的復雜性和嚴重性。針對第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖的物理力學特性、工程及水文地質特性、巖體含水率對圍巖穩定性影響等的大量研究，找到了一定的規律，逐漸熟悉和認清了這種特殊圍巖的工程特性，進而所采取的針對性工程措施、主要輔助技術措施、設計方案和工法等已趨于穩定[1]。筆者以桃樹坪、胡麻嶺隧道第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖為例，介紹隧道建設過程中方案論證和科研試驗等情況，并對研究成果在馬家坡隧道、程兒山隧道的應用情況也進行簡單介紹。

桃樹坪隧道長3 220 m，設5座斜井；胡麻嶺隧道長13 611 m，3 # (770 m)～4 # (664 m)斜井之間的3 250 m段落為第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖，在施工過程中先后增設5 # (705 m)斜井，7 # 豎井(深30 m)和8 # 斜井(450 m)輔助正洞施工，本段已成為蘭渝鐵路全線控制工期的主要段落之一。圖1為胡麻嶺隧道位于第三系富水粉細砂巖段正洞及輔助坑道平面圖。

圖1 胡麻嶺隧道第三系富水砂巖段平面

1 隧道施工中出現的問題

桃樹坪、胡麻嶺等隧道自2009年2月先后開工，在黃土和無水的第三系粉細砂巖地段施工進展正常。至2010年5月，斜井、正洞先后進入地下水水位線以下后，第三系泥質弱膠結粉細砂巖遇水軟化，掌子面泥化，基底擾動后呈“稀粥狀”，無法自穩，難以開挖成形，邊墻拱架接腿及仰拱開挖難度極大，初支無法及早封閉成環；掌子面及邊墻背后常伴有涌水、涌砂等現象，使拱架脫空形成空腔，造成鋼架扭曲，邊墻垮塌，施工安全風險極大，施工進度每月不足10 m。圖2、圖3為桃樹坪隧道4 # 斜井開挖及初支開裂情況，圖示可反映出該地層條件下隧道施工作業的難度和風險性均較大[2]。

圖2 桃樹坪隧道4 # 斜井開挖

圖3 桃樹坪隧道4 # 斜井初支開裂加固

2 第三系粉細砂巖圍巖特性研究

第三系粉細砂巖為淺紅色，具粉細粒結構，成巖性差，泥質弱膠結。無地下水時，圍巖整體穩定性較好。當地下水發育時，受水浸潤或浸泡后，圍巖軟化，施工擾動后多呈粉細砂狀，呈蠕變流態。地下水富集地段，掌子面還出現涌水、涌砂等現象，Ⅵ級圍巖為主，各掌子面涌水量約為300～1 000 m3/d。專家研討會認為第三系粉細砂巖屬于工程性質很差的劣質巖[3]。

根據取樣的顆粒分析及顆粒級配表，第三系砂巖的顆粒組成以粉細粒為主，粒徑主要集中于0.075～0.25 mm之間，通過滲透系數分析，其砂巖本體屬中等透水等級。其主要物理力學參數如表1。

表1 第三系粉細砂巖主要物理力學參數

根據直剪試驗結果，砂巖黏聚力值為14.21～99.38 kPa，平均為56.79 kPa，內摩擦角值為31.96～46.29°。

第三系粉細砂巖受沉積環境等影響，形成過程中多為泥質弱膠結，且成巖性差，天然抗壓強度很低，一般﹤1 MPa；遇水浸潤或擾動后極易軟化的特征明顯，其飽和抗壓強度無法通過室內試驗測得。通過電鏡掃描圖片進行觀察，第三系弱膠結砂巖試樣微結構為粒狀、架空—鑲嵌、點接觸結構。在水的作用下發生流變后，內部顆粒結構重新排列，孔隙數量成倍增加，遠超于流變前[4]。

3 隧道內主要技術措施研究

鑒于第三系泥質弱膠結粉細砂巖地質條件復雜性，施工中先后針對隧道線位優化，施工方案(盾構、插板機、預切槽機)，施工方法(CD、CRD、雙側壁)，超前支護(插板、旋噴、小導管、大管棚)，輔助工法(注漿、降水、基底換填、排樁)等進行了系列工程試驗及系統研究[5-8]。前期試驗工法及效果如下。

3.1 超前支護

超前支護以少擾動圍巖為主，方便快捷、經濟、支護效果好為原則，主要以密排小導管、大管棚+小導管、水平旋噴樁、插板法4種方式進行現場試驗比選。

當掌子面含水率較大，軟塑狀或流塑狀的擾動地層擬采用水平旋噴進行超前加固，但在施工前期因設備因素，施工進度緩慢，正洞拱墻水平旋噴樁約為75根，按成樁速度1～2根/d計算，僅成樁時間就需要1～2.5個月，施工進度很慢，且成樁效果不好，成樁直徑僅為設計直徑的50%～60%。當時水平旋噴樁工藝的主要問題為國產設備效率低、施工效果較差，不能滿足施工的需求，后期由專業注漿隊伍采用國外進口設備進行洞內水平旋噴作業，施工工效及實施效果均有大幅好轉。

插板法主要在桃樹坪隧道4 # 斜井開展插板試驗，目前沒有專業的插板機械設備，現場采用人工插板。第三系砂巖在未擾動時，巖性致密，拱部插板頂進困難，但其在擾動地段邊墻部位可替代排管，減少邊墻部位流塑狀砂層開挖難度，效果較好。對于隧道拱部含砂卵石、含水率較小且施工擾動較輕的第三系砂巖，超前支護宜采用密排小導管，必要時輔以大管棚的方案[6]。

根據前期對超前支護的試驗結果，確定以密排小導管為主要的支護方式(圖4)，正洞隧道必要時輔以中管棚，其施工方便快捷、效果較好。

圖4 洞內超前小導管

3.2 排樁(板、管)支擋

第三系粉細砂層在地下水發育或含水率較高時，長期受水浸泡和施工擾動，中、下臺階圍巖呈軟流塑狀，局部地段呈流砂狀而無法施工。為保證邊墻及中、下臺階的正常開挖，防止支護背后露空乃至坍塌，先在邊墻部位和中、下臺階正面密排打設小導管或槽鋼、鋼板等支擋措施對流塑狀砂體進行圍護，再進行邊墻和仰拱部位的開挖。盡管洞內排樁、排板等施工非常艱難，但擋砂效果良好。

在洞內降水成功后，砂巖體已具有一定的自穩性，此時排樁(板、管)支擋已不必要。圖5、圖6為桃樹坪隧道洞內邊墻及臺階端部橫向擋砂排板，當地下水存在時，通過類似支擋措施可阻止砂體蠕變流動，穩定開挖面。

圖5 邊墻擋砂排板

圖6 洞內橫向擋砂排管

3.3 注漿技術

針對第三系粉細砂巖遇水后特殊的工程特性，現場進行了大量的徑向、帷幕和化學注漿試驗，主要結論如下：

1)徑向注漿：考慮到初支背后易形成空洞，初期支護封閉成環后，全斷面施做徑向壓漿回填。

2)帷幕注漿：對出現突涌的局域和段落，采用帷幕注漿或掌子面注漿加固。

3)化學注漿：采用固砂劑、聚亞胺膠脂材料、馬麗散等，但實際效果不佳，且化學漿液后期經分解后會在一定程度上污染地下水土資源。

第三系粉細砂巖未開挖擾動時，巖體致密無裂隙，漿液很難滲入，故確定采用徑向注漿，以回填初支背后空洞為主的技術方案。

3.4 洞內降水

施工降水主要以疏干基底地下水，提高基底承載力，確?；缀瓦厜φｉ_挖為原則，現場開展洞內管井、集水井和超前真空降水等試驗[7]。

現場多采用真空輕型井點降水+洞內深井降水+集水坑集排水的方法對隧道進行系統的降、排水施工，見圖7、圖8。

圖7 洞內降水管路布置

圖8 正洞降水設計

圖9為桃樹坪隧道2 # 斜井X 0+20中下臺階開挖后的降水曲線，砂巖含水率在0～6 h內從10.5%急劇增加至18.9%，并開始流變，臺階失穩。通過24 h持續降水，含水率逐漸下降至10%左右，降水效果較好，可開挖成型。

圖9 降水時含水量-時間曲線

圖10為采用超前降水后中臺階的降水曲線，可見超前真空降水能夠將圍巖含水率控制在5%～9%，低于圍巖塑性變形的含水率，圍巖基本穩定，可正常施工。

圖10 超前降水含水量-時間曲線

試驗研究表明，砂巖發生塑性變形的含水率為12%～16%，3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時間點；發生流變的含水率為18%～19%，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時間點。當砂巖發生塑性變形或流變時，其穩定性大大降低[9]。

正洞采用深井與輕型井點(含超前)相結合的降水方案，斜井采用輕型井點降水(含超前)的方案，目前在大部分工作面，降水是成功的、必須的。在前期，也進行了在隧道底部采用微型盾構施做超前降水走廊試驗，但未成功。

3.5 水平旋噴技術

桃樹坪隧道出口掘進183 m后，第三系粉細砂巖水位抬升至拱腰附近，2010年初左側邊墻擠出，出現塌方，采用6步CRD工法開挖也無法前進，多次反復。擬采用大型專用設備進行洞內水平旋噴試驗。設備采用意大利進口的PST- 60搖臂鉆機和SM-14鉆機及其配套高壓旋噴設備的旋噴加固：

1)洞室周邊大直徑長懸臂水平旋噴樁加固，加固范圍為沿隧道縱向18 m，樁徑800 mm，開挖15 m，預留3 m作為循環搭接。

2)掌子面玻璃纖維錨桿旋噴樁加固，梅花形布置。

3)大直徑鎖腳旋噴樁加固，鎖腳旋噴樁長度為8 m，樁徑600 mm，斜向隧道兩側下方30～45°打設，樁內均埋設8 m直徑為76 mm的鋼管。

4)降水采用超前真空降水和管井降水相結合的施工方案。

圖11為洞內水平旋噴加固設計圖，圖12為洞內水平旋噴加固后的現場效果圖，經過旋噴注漿加固，隧道基本可實現全斷面或上下臺階開挖。桃樹坪隧道出口采用該工法施工，現場效果較好。

圖11 洞內水平旋噴設計

圖12 洞內水平旋噴加固效果

4 地表深井降水技術

胡麻嶺隧道7 # 豎井在建井中，滲(涌)水量為800～900 m3/d，施工擾動后圍巖軟化，呈飽和粉細砂狀，圍護樁間的涌水攜帶大量沙子流出，施工十分困難，安全風險大，最后采用地表深井降水技術。

胡麻嶺隧道地表深井降水分為以下幾個階段：

1)7 # 豎井周邊降水：2010年8月在豎井周邊先后共設9孔地表降水井，井深50 m，降水效果較好，保證了豎井建井和開口段的正常施工。

2)淺井試驗(埋深﹤100 m)：深74 m，設計抽水孔1孔，觀測孔4孔。目的為掌握第三系含水砂巖的水文地質參數及降水井的影響范圍，為后續的地表降水井布置取得較為適合的參數。降水試驗井實施情況見表2。

表2 試驗井實施情況

依據試驗結果，對7 # 豎井工區及5 # 斜井工區淺埋段(埋深﹤100 m)，實施地表重力降水輔助施工，取得了成功。

地表降水井與正洞輪廓線外側邊緣相距4 m，每側井間縱向距離20 m(第一列降水井距離掌子面15 m)，對稱布置。降水井直徑273 mm，深入洞底高程以下20 m，配置流量8～12 m3/h，揚程﹥150 m的潛水泵。圖13、圖14為隧道地表降水設計及布置方式，條件允許時，于地表對隧道進行降水，實施起來更為方便有利。

圖13 地表降水井布置

圖14 地表降水井

3)深井試驗(埋深100～200 m)：胡麻嶺隧道3 # 斜井埋深較大，斜井水量大，為掌握在地表實施200 m左右深井的成井工藝可行性、單井出水量及水位降至預設計的時間，于2012年11月及2013年2月在3#斜井掌子面前方18～55 m之間分兩批布置了4座降水井，井深187～194 m，試驗結果為塌孔掉鉆現象嚴重，不成功。

胡麻嶺隧道5 # 斜井、7 # 豎井溝谷段(埋深﹤100 m)采用地表降水技術，效果極好，施工順利；3 # 斜井工區隧道埋深近200 m，地表降水尚未成功，進展緩慢，目前仍進行深井試驗；其余各工區施工均較為順利。圖15、圖16列舉胡麻嶺7 # 豎井降水前后井內施工情況，圖示可看出，降水后井內環境干燥，圍巖穩定性明顯好轉，有利于工程的實施。

圖15 胡麻嶺7 # 豎井降水前涌水

圖16 胡麻嶺7 # 豎井降水后開挖面

5 結 論

經過前期大量的施工探索和研究，對各項施工方案、施工工法、輔助施工措施等進行了系統的分析，確定采用“重降水、密導管、強支護、輔注漿、快挖快支快封閉”的設計原則，并對桃樹坪隧道出口采用大功率設備進行洞內水平旋噴施工，做到了相應的技術創新。

第三系泥質弱膠結富水粉細砂巖屬于劣質巖，遇水后穩定性急劇變差，難以開挖成型，采取系列技術措施后，雖然能夠較正常施工，但增加投資較多，工序轉換較復雜，施工進度緩慢。因此，后續一些線路在遇到類似地質問題時，在設計上優先進行選線繞避或抬高線位于地下水位之上是正確、合理的。其余主要措施如下：

1)超前支護：拱部加密小導管和邊墻插板法預支護，必要時設置大管棚。

2)初期支護：加大初期支護剛度，采用I25a鋼架，間距為1榀/0.5 m，設置混凝土墊塊和縱向槽鋼托梁。

3)二次支護：拱墻預留二次支護空間，根據變形情況必要時增設二次支護。

4)徑向注漿：待初期支護封閉成環后，全環設置注漿小導管，及時進行初期支護背后壓漿，確保支護與圍巖密貼。

5)降水：洞內采用輕型井點(含超前)和管井降水，對隧道淺埋段(埋深小于100 m)可采用地表深井降水。

6)施工方法：斜井采用臺階法，正洞采用雙側壁導坑及CRD等工法。桃樹坪隧道出口采用洞內水平旋噴技術輔助施工，臺階法開挖。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司,北京交通大學.含水弱膠結砂巖地層物理力學參數試驗研究[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010. China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing Jiaotong University.Experimental Study on Physical and Mechanical Parameter of Rich Water Weak Cementation Sandstone Formation [R].Xi’an:China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,2010.

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[5] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.桃樹坪、胡麻嶺隧道第三系砂巖地段試驗段總結報告[R].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2011. China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd..The Conclusion Report on the Third Series Sandstone Test Section of Taoshuping and Humaling Tunnels [R].Xi’an:China Railway First Survey & Design Institute Group Co.,Ltd.,2011.

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Major Technical Measures of the Third Series Argillaceous Weak Cementation Rich Water Silty Sand Rock Tunnelss

Li Guoliang, Wang Fei

(First Survey & Design Institute of China Railway Group Co. Ltd., Xi’an 710043, Shaanxi, China)

In order to solve the serial engineering problems caused by the third series argillaceous weak cementation rich water silty sand in the construction process of Lan-Yu and Ningxia Wangwa railway, the surrounding rock characteristics of the third series argillaceous weak cementation rich water silty sand rock systematically were elaborated, the main auxiliary technical measures and engineering plans were introduced, and the design measures and the key construction technology of this stratum were put forward, in the consideration of the engineering and scientific difficulties in construction of Tao Shuping, Hu Maling, Cheng’er Shan tunnels, et al. The major principle that “major precipitation, concentrated catheters, strong supporting, assistant grouting, fast digging, fast supporting, fast closing” was determined, and the horizontal jet reinforcement in tunnel was adopted when it was necessary. The proposed whole set construction method of such stratum conditions was explored and applied to the engineering practice successfully, which solved the rarely encountered engineering problem in the world.

tunnel engineering; the third series; argillaceous weak cementation; rich water; fine sandstone; surrounding rock features; horizontal jet

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.07

2014-06-17；

2014-09-25

李國良(1966—)，男，甘肅莊浪人，教授級高級工程師，主要從事隧道及地下工程設計及研究。E-mail：1196328566@qq.com。

U459.1

A

1674-0696(2015)04-039-06