流砂地層隧道施工技術(shù)研究

劉 棟 王振華 羅鴻昌 藺忠平 劉倫林

(中鐵三局集團廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 511400)

城市作為一個在人類文明不斷發(fā)展后孕育的具有為人類活動提供空間的產(chǎn)物，隨著我國城鎮(zhèn)化速度的加快，越來越多的人口涌向人均空間資源稀缺的城市，加劇了人與其他設(shè)施進行空間資源爭奪的矛盾，惡化了城市人口生活環(huán)境。為了改善城市的空間容納率，提高城市人口生活質(zhì)量，我們將城市的地下空間作為城市空間優(yōu)化的主要立足點。在最新的生態(tài)城市構(gòu)建要求中，充分發(fā)揮城市現(xiàn)有土地量利用率，努力做好城市地下復(fù)雜水文地質(zhì)勘測勘察，不斷提升城市地下資源在城市發(fā)展中的優(yōu)勢，預(yù)防和治理城市地下復(fù)雜水文地質(zhì)在城市地下空間拓展中的不良影響。

城市復(fù)雜水文地質(zhì)是阻礙我們擴展城市地下空間的主要因素，在不良地質(zhì)環(huán)境下施工時對施工技術(shù)要求尤為嚴苛。流砂地層是顆粒均勻的富水非粘性土發(fā)生流砂現(xiàn)象的土層，當(dāng)發(fā)生流砂現(xiàn)象時土體完全喪失承載能力，進而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，惡化施工條件，危及毗鄰建筑物。梁云生[1]在研究北京地鐵5號線崇文門站一東單站富水地段中，得出在進行隧道圍巖加固施工時，位于隧道兩側(cè)的豎向旋噴樁可以對水流起到很好的阻斷效果，改善了隧道內(nèi)部的施工環(huán)境。李德章[2]在研究合肥市府廣場飽和淤泥質(zhì)地層地下通道施工中，發(fā)現(xiàn)長管棚和注漿小導(dǎo)管相結(jié)合的超前支護方法能夠有效的控制地表沉陷量和隧道內(nèi)地下水的突涌現(xiàn)象。

本文針對莞惠城際GZH-7常平站段內(nèi)流砂地層，探討在飽和非粘性土且不斷有地下水補給的巖層內(nèi)進行隧道施工，保證施工安全和施工質(zhì)量的主要施工技術(shù)手段。且該段位于市區(qū)內(nèi)，地下管線錯綜復(fù)雜，對沉降參數(shù)要求非常嚴格，施工中出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象將會造成水土流失，不利于沉降的控制。“治流砂必先治水”的原則要求我們在富水飽和砂層中進行隧道開挖時，治水首當(dāng)其行。目前治水采用的措施主要有井點降水、止水帷幕及凍結(jié)等方法，這些方法對于不同施工條件各有優(yōu)勢，在使用時應(yīng)充分考慮其適用性。

1 工程概況

莞惠城際GZH-7標(biāo)8號施工豎井—常平站段位于廣東省東莞市常平鎮(zhèn)，起止里程GDZK44+050.000～GDZK44+577.000，長527.000 m。線路在常平大道下敷設(shè)，線間距18.56 m，為雙洞單線隧道，隧道拱頂埋深約16.1 m～21.0 m，采用設(shè)計時速200 km復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)斷面。8號豎井左線大里程設(shè)計為Ⅵ級圍巖，坍塌區(qū)域位于全風(fēng)化混合片麻巖層，拱頂埋深20 m，拱頂以上分別為4.5 m厚全風(fēng)化混合片麻巖、1.0 m厚粉質(zhì)粘土、1.3 m厚砂層、7.0 m厚淤泥質(zhì)粘性土、3.0 m厚粉質(zhì)粘性土，地表下3.2 m厚素填土[3]。

本項目施工隧道下穿雙線六車道常平大道，為保證施工安全采用封閉道路施工；隧道周邊建筑物主要為聯(lián)邦花園小區(qū)、星匯中心、POP、兒童攝影樓及板石村居民房；隧道周邊管線眾多，右線外側(cè)的重大管線主要為φ1 000混凝土排水管、φ1 000供水鋼管，左線外側(cè)的重大管線主要為φ2 000混凝土排水管、φ1 000供水鋼管、φ200PE燃氣管。

在常平段內(nèi)有W3強風(fēng)化混合片麻巖、W4全風(fēng)化混合片麻巖兩種巖層。在全風(fēng)化片麻巖巖層中夾雜著飽水的疏松粉、細砂土，這種巖層地質(zhì)在遇水后極易發(fā)生軟化完全喪失自穩(wěn)能力。施工單位在對這種巖層進行旋噴加固施工時沒有對該巖層的屬性有充分的認識，在施工工藝上沒針對這些屬性做出相應(yīng)的調(diào)整，而導(dǎo)致在該類地層內(nèi)旋噴施工時，高壓旋噴漿擊穿該類巖層與飽水砂層貫通，發(fā)生突涌。項目開工至今在兩種巖層交界處已發(fā)生多次涌水涌砂。

2 流砂地層隧道施工技術(shù)

2.1 帷幕注漿+CD工法開挖

沿隧道左右兩側(cè)開挖輪廓線外各設(shè)一道止水帷幕，左右線隧道間設(shè)置一道縱向止水帷幕；垂直線路方向每30 m設(shè)置一道橫向止水帷幕，形成矩形網(wǎng)格，每個網(wǎng)格內(nèi)設(shè)置3口降水井，開挖過程中對隧道進行降水。止水帷幕采用厚度為600 mm混凝土墻，止水帷幕深度均需入弱風(fēng)化巖層1 m。

隧道采用CD工法開挖，設(shè)置超前全斷面雙液漿注漿，初期支護采用超前小導(dǎo)管、型鋼鋼架、縱向連接筋、鎖腳錨管、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土，如圖1所示。隧道穿越砂層全、半斷面注漿，注漿過程中，漿液被動水稀釋、流走，不能有效加固地層，如圖2,圖3所示。

水平旋噴樁是在高壓作用下借助高壓鉆機將水泥漿通過噴嘴注入土體內(nèi)，并且在噴嘴旋轉(zhuǎn)的過程中水泥漿與土體顆粒充分攪拌混合，待達到初凝時間后，混合物便成為一種具有承載力的固態(tài)物質(zhì)，并且能形成帷幕效果達到隔絕水流的作用。通過旋噴注漿形成的隧道外圍可以相當(dāng)于一個隔水膜罩，為隧道開挖施工提供了安全可靠的環(huán)境。

水平旋噴樁成樁效果好，滲透系數(shù)和無側(cè)限抗壓強度均滿足設(shè)計要求，但在高壓旋噴施工時，擾動全風(fēng)化混合片麻巖地層，擊穿止?jié){墻，涌水涌砂塌陷至地表。

2.2 地表止水帷幕(素混凝土)+帷幕內(nèi)井點降水+水平旋噴樁+臺階法開挖

帷幕內(nèi)井點降水流程依次為井點測量定位→挖井口→安護筒鉆機就位一鉆孔→回填井底砂墊層→吊放井管→回填井管與孔壁間的礫石過濾層→洗井→井管內(nèi)下設(shè)水泵、安裝抽水控制電路→試抽水降水井正常工作→降水完畢拔井管→封井[4]，如圖4，圖5所示。

隨著井點降水引起的地下水位的下降，土體失去浮力，在重力的作用下發(fā)生固結(jié)沉降，且隨著水在土地內(nèi)的流動帶動細顆粒土體運動發(fā)生土體的流失。在降水的過程中通過控制降水深度和降水速度等，可以使地表沉降得到有效的控制。同時在止水帷幕的作用下，止水帷幕外側(cè)的地表沉降被控制在最小范圍內(nèi)，減少了對城市地下復(fù)雜管網(wǎng)的影響。實際沉降量遠小于沉降控制量限值。

由于采用網(wǎng)格內(nèi)降水后，帷幕內(nèi)外側(cè)存在水位差較大的現(xiàn)象，當(dāng)進行臺階法開挖地連墻側(cè)下臺階時，墻外側(cè)水土體在水位差壓力作用下?lián)舸┧鼗炷恋剡B墻，涌入洞內(nèi)，導(dǎo)致隧道內(nèi)積水，不利于施工，同時對隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利因素。

2.3 地表止水帷幕(鋼筋混凝土)+帷幕內(nèi)井點降水+地表旋噴樁及袖閥管注漿+CRD法開挖(成功貫通)

由于采用素混凝土施工的地表止水帷幕無法承受由于井點降水產(chǎn)生的墻內(nèi)外水位差壓力而易發(fā)生水土擊穿墻體的現(xiàn)象，故對地表止水帷幕的材料進行重新選擇優(yōu)化。在多種對比后采用鋼筋混凝土施工地表止水帷幕可以大大提高止水帷幕的強度，同時提高了圍巖的穩(wěn)定性，避免了水位差引起的水土擊穿幕墻現(xiàn)象。

在改進土體力學(xué)性能的方法中，注漿技術(shù)通過將水硬性無機膠凝材料與土體攪拌形成三合土，在水泥發(fā)生水化反應(yīng)硬化后，能將砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起，從而改變其力學(xué)性能。但在采用土體注漿改善土體力學(xué)性能的時候，往往是通過土體的滲透、壓密、劈裂等方式與土體相互作用達到[5]，使松散的土體的自穩(wěn)能力及承載力都得到相應(yīng)的提高。本隧道施工采用袖管注漿的方法：可以根據(jù)實際施工情況選擇需要灌注的注漿段；對需要著重加強的部位可以進行重復(fù)注漿；鉆孔作業(yè)和注漿作業(yè)可以分開提高施工效率；注漿段長度和壓力也可以非常便捷的進行調(diào)節(jié)。利用袖管注漿在對土體填充、壓密、滲透和劈裂的復(fù)合效應(yīng)使隧道圍巖的力學(xué)性能得到很好的改善。

3 結(jié)語

1)通過對比不同的施工工藝及現(xiàn)場的施工效果得到了適合在流砂地層隧道施工的施工技術(shù)。2)通過采用地表止水帷幕(鋼筋混凝土)+帷幕內(nèi)井點降水+地表旋噴樁及袖閥管注漿+CRD法開挖的工藝方法順利完成復(fù)雜地層隧道的開挖，提高了工程的經(jīng)濟效益，減少了施工中的環(huán)境風(fēng)險。3)在采用袖管注漿時由于袖閥管外套管不能被拔出后重復(fù)使用，增加了注漿工藝的費用，有待在以后的施工研究中改善。

[1] 梁云生.城市地鐵旋噴樁施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2007(3):84-87.

[2] 李德章.復(fù)雜環(huán)境下超淺埋地下通道施工技術(shù)研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,17(2):1-3,13.

[3] 郭振方.城際鐵路隧道下穿飽和動態(tài)富水砂層施工技術(shù)探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計,2016(9)：67-68.

[4] 林高如.管井降水在孔隙潛水中的施工應(yīng)用[J].山西建筑,2013,39(22):53-54.

[5] 陳小峰.100 MPa高強水泥基復(fù)合材料的試驗研究[D.西安：西北工業(yè)大學(xué),2003.