富水殘坡積粉質粘土地層長距輸水隧洞洞挖施工技術

【摘要】為解決在飽和含泥砂層和富水殘坡積粉質粘土地層中進行洞挖時，掌子面土體自動涌出所導致的隧洞坍塌問題，依托工程實例，區分不同水文地質情況，主要在洞挖輪廓線處預設密排小導管攔擋流砂、大管棚超前支護、設置鋼管錨釘群穩定掌子面土體、預留核心土分區洞挖及掌子面快速封閉措施中，優選具有針對性的措施組合，保證洞挖安全順利進行，在實踐檢驗的基礎上，總結出一套成熟的技術措施成果，以期對類似工程能有所啟迪和借鑒。

【關鍵詞】飽和含泥砂層；富水殘坡積粉質粘土層；超前密排

引言：

海口南渡江引水工程輸水隧洞出口段圍巖為呈散體結構的殘坡積粉質粘土、飽和含泥砂層，水泥漿可灌性差，地下水位高，掌子面揭露后遇水會很快發生液化、泥化，掌子面土體在地下水作用下自動涌出，造成洞內圍巖失穩垮塌，致使地面塌陷，導致洞內施工存在巨大安全隱患，施工進度異常緩慢。

對在富水殘坡積粉質粘土地層易產生涌土洞段，進行安全快速洞挖施工的研究，本身在國內也是需持續研究的課題之一，具有技術前沿性。通過研究和實施，探索出一種成熟的工藝措施，不但能保證本工程施工安全順利進行，而且隨著國家地下空間、城市管廊工程項目的日益增多，難免會遇到類似情況，其成果對今后類似工程也具有借鑒和指導作用，具有較好的市場前景。

1、 所依托工程項目簡介

海口南渡江引水工程是國家172個節水供水重大水利工程項目之一，也是海南省海口市2015年重點中央投資的水利項目。工程建設內容主要包括取水首部樞紐、水源提水泵站、分水泵站、灌溉泵站、輸配水工程（含箱涵、渡槽、隧洞、輸水管道）等，其中位于中西部城市供水線路上的輸水隧洞工程為本工程施工的關鍵線路。

輸水隧洞全長12.960km，其縱坡坡比為1：6000，設計輸水流量為8.2m3/s，全程為無壓城門洞型，全斷面采用40cm厚鋼筋混凝土襯砌后，斷面尺寸為3.2m×3.6m（寬×高）。隧洞出口段288m和中間約998m段圍巖為呈散體結構的殘坡積粉質粘土及飽和含泥砂層，屬Ⅴ類圍巖，洞挖斷面尺寸4.4m×4.6m（寬×高），洞身位于地下水位之下，水量豐富，預計涌水量845m3/h，洞挖時掌子面土體自動涌出，致使洞壁失穩垮塌、冒頂，是本工程施工的重難點之一。

2、研究原則及思路

輸水隧洞出口洞段為淺埋深富水軟土地層，屬Ⅴ類圍巖，洞挖施工遵照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字軟土淺埋暗挖法隧道施工原則，區分以富水殘坡積粉質粘土和以飽和含泥砂層為主的不同水文地質和物理地質洞段，從降排水、超前支護、開挖前后掌子面及輪廓面穩定、軟基置換和一期支護安全可靠諸方面，優選具有針對性的技術措施組合。

3、主要技術方案研究及實施

3.1 飽和含泥砂層洞段施工措施及方法

3.1.1 主要施工措施

飽和含泥砂層為主的洞段，洞挖施工主要措施組合：在洞挖邊線外設置降水井，降低地下水位及滲水量；在洞挖輪廓線外插入密排小導管，擋砂排水穩定洞壁；在掌子面插入鋼管錨釘，通過錨釘群對土體的約束力，提高掌子面的穩定性；在掌子面中下部預留核心土，分區分序開挖支護；噴射混凝土快速封閉掌子面，為后續工序施工創造條件。

3.1.2 施工程序

設置降水井→輪廓線外周邊插入密排小導管→上半洞掌子面插入鋼管錨釘→上半洞開挖→掌子面噴射混凝土→上半洞架設鋼拱架及錨噴支護→下半洞兩側近邊線區開挖（中部預留核心土）→拱架基礎硬化→延伸型鋼拱架→下半洞掛網錨噴支護→下半洞預留核心土挖除→下半洞掌子面封閉→基礎換填→下一循環

3.1.3 主要施工方法

（1）設置降水井

洞挖前，在洞口出口明挖部位及隧洞兩側洞挖范圍5m之外，各設置3個降水井，均安裝7.5kw潛水泵抽排地下水。降水井采用鉆機鉆出φ800mm、深入隧洞底板以下約3m的鉆孔，插入預先加工完成的外包2層反濾密網的φ600鋼筋籠（在下放鋼筋籠困難處，改為外包反濾網的φ600花眼鋼管），然后在鋼筋籠與鉆孔間的空隙內，填入砂石級配料進行填充并形成反濾，避免因抽排水帶出砂土，造成井壁坍塌。

（2）洞挖輪廓線外周邊插入密排小導管

開挖后的飽和含泥砂層洞室輪廓面，在地下水的作用下無法自穩，必然產生涌土垮塌問題。為此，采取在洞挖輪廓線外預先插入密排小導管，在保證排水通暢的同時，起到攔砂穩定洞壁的作用。

密排小導管采用壁厚4mm的φ50無縫鋼管，單根長6m，環向緊密排列，縱向搭接長度≥2m，前端做成長約10cm的圓錐狀，在該洞段開挖前，預先水平插在設計開挖輪廓線外25cm處（軟基洞段預留25cm沉降和收斂余量，以保證后期混凝土襯砌結構厚度）。具體詳見圖1。

（3）洞挖掌子面插入鋼管錨釘群

擾動后的飽和含泥砂層無自穩能力，在中間預留核心土僅進行周邊開挖的愿望無法實現，掌子面失穩后，將引起洞頂及洞壁垮塌。采用在掌子面插入若干鋼管錨釘，通過鋼管錨釘群對臨空掌子面的約束作用，可達到穩定上半洞掌子面土體的同時，也使得下半洞預留核心土的愿望得以實現。

鋼管錨釘采用φ89無縫鋼管，單根長3m，采用人工配合小反鏟按均布原則逐根推入，并跟隨上半洞每一循環的開挖，不斷將外露的鋼管錨釘推入土體，立即噴射混凝土封閉掌子面，快速架設I20型鋼拱架，進行上半洞錨噴支護。詳見圖1。

（4）隧洞分區開挖及支護

隧洞開挖分上下半洞3個順序區進行。上半洞約2m高度為①號區，在密排小導管和鋼管錨釘的保護下，采用人工配合小型挖掘機按每循環50cm～100cm的進尺開挖。下半洞開挖分2個次序3個區進行，即先進行兩側型鋼拱架支撐范圍的②號區開挖，最后進行中部預留核心土的③號區開挖。

由于洞挖底板基礎以下為浸泡在水中的砂層，在無密排小導管擋砂保護的情況下，開挖②號區鋼拱架支撐基礎時，四周流砂會不斷涌入挖槽內，進而會出現洞壁基礎被掏空后發生坍塌問題。為此，采取小反鏟掏挖拱架基礎坑的同時，快速拋入塊石或預制混凝土塊，并用反鏟震動擠壓穩定之后，將已安裝的上半洞工字鋼拱架接長延伸至隧洞底板之下，并在拱腳下插入鋼板，以擴大拱架與基礎的接觸面，提高拱架基礎的承載力。

②號區鋼拱架安裝完成后，進行掛網錨噴護及中部③號區的開挖，完畢后，快速噴射3～5cm素混凝土對掌子面進行封閉，并排除掌子面底部積水，按設計要求進行基礎換填，為下一循環洞挖施工創造條件。

圖1： 飽和含泥砂層洞段洞挖支護斷面示意圖

3.2 富水殘坡積粉質粘土洞段施工方法及措施

3.2.1 主要施工措施

在以富水殘坡積粉質粘土為主的洞段，根據水文地質實際情況，取消洞外降水井及隧洞輪廓線外密排小導管，改為在洞頂設置一圈大管棚超前支護，其它措施與飽和含泥砂層洞段的相同。

具體主要措施組合為：在洞頂輪廓線外設置一圈大管棚，進行超前支護；在掌子面插入鋼管錨釘，通過鋼管錨釘群對土體的約束力，提高掌子面的穩定性；在掌子面中下部預留核心土，分區分序開挖支護；噴射混凝土快速臨時封閉掌子面，為后續工序施工創造條件。

3.2.2 施工程序

大管棚超前支護→上半洞掌子面插入鋼管錨釘→上半洞開挖→掌子面噴射混凝土→上半洞架設鋼拱架及錨噴支護→下半洞兩側近邊線區開挖（中部預留核心土）→拱架基礎硬化→延伸型鋼拱架→下半洞掛網錨噴支護→下半洞預留核心土挖除→下半洞掌子面封閉→基礎換填→下一循環

3.2.3 主要施工方法

在砂層抬升洞頂之上，進入富水殘坡積粉質粘土洞段后，拱頂松散土自動涌出，致使小導管變形失效，導致洞內圍巖失穩垮塌，經分析研究后，采用大管棚取代密排小導管進行超前支護的應對措施。

大管棚采用9m長φ89無縫鋼管制作（內置Ф22螺紋鋼筋），端部做成圓錐狀，用氣動式沖擊器按環向間距200mm逐根打入開挖輪廓線外25cm處（縱向間距為5m），然后灌入水泥漿，在洞頂形成一圈大管棚，達到超前支護的作用。

殘坡積粉質粘土呈散體結構，受地下水作用發生涌動時，對管棚和拱架施加的荷載較大，因此將工字鋼拱架規格由I16變更為I20，拱架縱向Φ16連接鋼筋由原設計環向間距1200mm調整為600mm，噴混凝土支護厚度由200mm變更為240mm。具體詳見圖2。

其它措施方法與飽和含泥砂層洞段相同，參見本文2.2.3。

圖2 ：富水殘坡積粉質粘土洞段洞挖支護斷面示意圖

4、實施效果

雖然洞挖邊線外降水井降低了地下水位，但由于殘坡積粉質粘土和飽和含泥砂層透水率偏低，連通性較差，不能形成較大的降水漏斗，滲水量減少不明顯，掌子面下部仍然存在滲涌水現象。

洞挖輪廓線外設置的密排小導管，擋砂排水效果明顯，起到了超前支護穩定圍巖的作用。施工時需注意精細操作，力求小導管排列緊密。

掌子面設置的鋼管錨釘群，穩定掌子面土體的作用明顯，掌子面不再自動涌土，使掌子面下部預留核心土進行分區分序開挖如愿實現。

2016年8月8日開始隧洞出口段洞挖施工，在未全部采取上述措施組合前，洞內坍塌不斷，甚至出現冒頂事件，平均日進尺僅0.5m/d，采取組合措施后，平均日進尺提升至1.0m/d，加快了施工進度，減少了施工安全隱患，但需特別注意的是，在淺埋深隧洞地層變化區易出現坍塌冒頂問題。

5、結語

通過對隧洞出口富水軟土洞段洞挖施工措施的研究和實施，總結出了針對飽和含泥砂層和富水殘坡積粉質粘土洞段洞挖施工的措施組合，尤其是鋼管錨釘群的使用，對富水軟土地層掌子面的穩定作用效果明顯。該技術措施成果，增強了施工安全性，加快了施工進度，使工程施工得以順利進行，具有推廣借鑒價值。

參考文獻：

[1].劉鵬，劉維.富水地層重疊隧道施工結構及地層變形分析[J].《隧道建設》 2012年03期

[2].吳旻碩；李作恒；；隧道圍巖強度不均地段塌方成因及其處理方法[A]；中國科學院地質與地球物理研究所2007學術論文匯編（第七卷）[C]；2008年

作者簡介：趙澤民（1965-），男，工程師，湖北宜昌人，長期從事水利水電工程現場施工技術管理。