2017年10月弱膠結(jié)砂巖黃土隧道建設(shè)技術(shù)方法報(bào)告人：朱永全周曄石家莊鐵道大學(xué)中鐵十九局2017年10月弱膠結(jié)砂巖黃土隧道建設(shè)技術(shù)方法報(bào)告人：朱永全一、鐵路隧道突水涌泥地質(zhì)災(zāi)害典型事故簡(jiǎn)介內(nèi)容提要一、前言二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)三、施工方法試驗(yàn)與選擇四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)六、結(jié)語(yǔ)一、鐵路隧道突水涌泥地質(zhì)災(zāi)害典型事故簡(jiǎn)介內(nèi)容提要一、前言一、前言

蘭渝鐵路是西南西北之間最便捷、快速的通道。北起甘肅省蘭州市樞紐，經(jīng)渭源、岷縣、宕昌縣、隴南市（武都區(qū)），經(jīng)過(guò)陜西省寧強(qiáng)縣進(jìn)入四川省，經(jīng)廣元市、蒼溪縣、閬中市、南部縣、南充市（順慶區(qū)）、武勝縣至重慶市合川，北碚。1.蘭渝鐵路概況一、前言蘭渝鐵路是西南西北之間最便捷、快速的通道一、前言胡麻嶺隧道是蘭渝鐵路的關(guān)鍵性工程，位于甘肅省定西市境內(nèi)，全長(zhǎng)13611m，設(shè)計(jì)為客貨共線(xiàn)雙層集裝箱，開(kāi)通時(shí)速200km/h，為雙線(xiàn)大斷面隧道，開(kāi)挖斷面135m2。2.胡麻嶺隧道概況200km/h雙線(xiàn)隧道斷面一、前言胡麻嶺隧道是蘭渝鐵路的關(guān)鍵性工程，位一、前言隧道原設(shè)計(jì)地質(zhì)以砂巖為主，原設(shè)計(jì)有4座斜井，因工期滿(mǎn)足不了要求，先后增加了5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)三個(gè)輔助坑道。2.胡麻嶺隧道概況一、前言隧道原設(shè)計(jì)地質(zhì)以砂巖為主，原設(shè)計(jì)有4座斜一、前言其中3#、4#斜井在施工中遇到了前所未見(jiàn)的第三系弱膠結(jié)飽和粉細(xì)砂巖地層，其成分以石英為主，呈黃色、桔黃色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)弱膠結(jié)，局部夾有礫巖薄層，成巖作用極差，屬極軟巖。2.胡麻嶺隧道概況一、前言其中3#、4#斜井在施工中遇到了前所未見(jiàn)一、前言第三系砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣，沉積厚度較大。蘭州地區(qū)除新城盆地（河口、新城一帶）基底為白堊系地層外，榆中（定遠(yuǎn)）、城關(guān)、七里河、安寧堡及西固盆地，下伏基巖均為第三系紅色砂巖或碎屑巖類(lèi)，在地貌上多表現(xiàn)為黃土梁峁和河谷階地上覆風(fēng)積和沖洪積黃土，下伏第三系泥巖、砂巖及礫巖。3.第三系砂巖分布概況一、前言第三系砂巖在蘭州盆地和定西盆地分布范圍較廣弱膠結(jié)砂巖黃土隧道建設(shè)技術(shù)方法二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)

第三系富水粉細(xì)砂巖基本物理力學(xué)性能：①粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，極弱膠結(jié)；②具有敏感的水穩(wěn)特性；③天然含水率大，滲透系數(shù)低；④地層的孔隙率較高，細(xì)度模數(shù)?。?.5～0.7）等基本性質(zhì)。1.地層基本性質(zhì)二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)第三系富水粉細(xì)砂巖基本物理力學(xué)二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)

地層天然含水率較高，塑限含水率為11.8~15.6%，液限含水率為32%。地層不同含水率狀態(tài)下性狀變化顯著：①天然含水率下的圍巖汗?fàn)顫B水；②含水率達(dá)到11.0~16%時(shí)圍巖呈軟塑狀；③含水率達(dá)到16%~30%時(shí)圍巖呈流塑狀。④含水率大于32%呈流砂狀。2.地層的性態(tài)變化二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)2.地層的性態(tài)變化二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)含水率達(dá)到11.0~16%時(shí)圍巖由固態(tài)向塑態(tài)轉(zhuǎn)變。圍巖開(kāi)挖后受地下滲流作用，在5-20min內(nèi)產(chǎn)生發(fā)汗性滲水，滲水影響圍巖表面軟化為流泥狀，圍巖受滲水浸泡軟化，巖面持續(xù)層層剝離，開(kāi)挖及支護(hù)施工困難。3.圍巖工程特征（1）圍巖汗?fàn)顫B水二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)含水率達(dá)到11.0~16%時(shí)圍巖

汗?fàn)顫B水狀態(tài)

汗?fàn)顫B水狀態(tài)二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)含水率達(dá)到16%~30%時(shí)圍巖轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軤?，流塑狀圍巖從掌子面或初期支護(hù)背后擠出，可擠出幾十厘米到幾米。3.圍巖工程特征（2）圍巖流塑狀二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)含水率達(dá)到16%~30%時(shí)圍巖轉(zhuǎn)流塑狀態(tài)

流塑狀態(tài)二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)在遇水囊、溶腔、巖溶通道或地下河時(shí)，會(huì)突然間形成突水、涌砂，造成塌方、支護(hù)變形破壞，甚至照成機(jī)械設(shè)備損壞和人員傷害事故。3.圍巖工程特征（3）圍巖涌砂狀二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)在遇水囊、溶腔、巖溶通道或地下河涌水、流沙涌水、流沙二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)受施工人員、設(shè)備持續(xù)振動(dòng)和擾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)液化現(xiàn)象。造成人員施工困難、設(shè)備陷入液化圍巖中無(wú)法移動(dòng)；可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沉陷變形、仰拱開(kāi)裂。3.圍巖工程特征（4）圍巖易振動(dòng)液化二、第三系系富水砂巖地層性質(zhì)受施工人員、設(shè)備持續(xù)振動(dòng)和擾動(dòng)，涌水、流沙涌水、流沙三、施工方法試驗(yàn)與選擇

1.盾構(gòu)法方案(1)胡麻嶺盾構(gòu)所需斷面擬采用南京過(guò)江泥水大盾構(gòu)三、施工方法試驗(yàn)與選擇1.盾構(gòu)法方案(1)胡麻嶺盾構(gòu)三、施工方法試驗(yàn)與選擇

1.盾構(gòu)法方案（2）淺埋段（埋深65m）管片受力分析（1）管片最大拉應(yīng)力為3.94MPa，最大壓應(yīng)力為12.4MPa。管片最大變形量為17cm，理論上可行。長(zhǎng)大山嶺鐵路隧道采用盾構(gòu)法施工的其它影響因素較大，實(shí)際采用相當(dāng)困難。三、施工方法試驗(yàn)與選擇1.盾構(gòu)法方案（2）淺埋段（埋深三、施工方法試驗(yàn)與選擇

1.盾構(gòu)法方案(3)神買(mǎi)斷管片受力分析深埋段實(shí)際富水粉細(xì)砂厚130m,地表黃土厚70m:根據(jù)計(jì)算結(jié)果，管片最大拉應(yīng)力11.5MPa，最大壓應(yīng)力45.4MPa。常規(guī)鋼筋混凝土管片從受力變形角度考慮是不可行的。三、施工方法試驗(yàn)與選擇1.盾構(gòu)法方案(3)神買(mǎi)斷管片受三、施工方法試驗(yàn)與選擇

1.盾構(gòu)法方案（4）隧底設(shè)超前降水小盾構(gòu)試驗(yàn)情況施工中曾在5號(hào)斜井工區(qū)正洞重慶方向隧底設(shè)超前降水小盾構(gòu)工法試驗(yàn)，小盾構(gòu)直徑1.5m，施工中小盾構(gòu)因扎頭被卡，試驗(yàn)失敗。三、施工方法試驗(yàn)與選擇1.盾構(gòu)法方案（4）隧底設(shè)超前降水三、施工方法試驗(yàn)與選擇

2.凍結(jié)法方案凍結(jié)帷幕厚度取2.5m，凍結(jié)長(zhǎng)度30m。同樣，富水粉細(xì)砂厚度60m淺埋時(shí)，盾構(gòu)管片受力變形理論上可行；富水粉細(xì)砂厚度達(dá)200m深埋時(shí)，盾構(gòu)管片受力變形理論上部可行。積極凍結(jié)50天

三、施工方法試驗(yàn)與選擇2.凍結(jié)法方案凍結(jié)帷幕厚度取三、施工方法試驗(yàn)與選擇

3.礦山法方案（1）埋深50m、降水工況理論分析由計(jì)算結(jié)果可知，埋深50m的富水粉細(xì)砂地層，通過(guò)降水疏干地層后，隧道施工整體最大沉降均為8cm，隧道頂部最大沉降在5cm，所以降水后淺埋段使用礦山法開(kāi)挖是可行的。

無(wú)超前加固時(shí)的圍巖塑性區(qū)1.0m超前加固圈時(shí)的圍巖塑性區(qū)

三、施工方法試驗(yàn)與選擇3.礦山法方案（1）埋深50m、三、施工方法試驗(yàn)與選擇

3.礦山法方案(2)埋深200m（130m厚粉細(xì)砂和70m黃土）、不降水工況從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在施作3m長(zhǎng)360°加固圈之后的隧道頂部沉降達(dá)到1.6m，底部拱起也達(dá)到了1.2m以上，隧道整體沉降最大處達(dá)到了將近3m。所以，若隧道頂部200m埋深全部為富水粉細(xì)砂，且不降水的情況下，采用礦山法開(kāi)挖隧道是不可行。(3)埋深200m（130m厚粉細(xì)砂和70m黃土）粉細(xì)砂、降水施工工況從結(jié)果可知，130m厚粉細(xì)砂和70m黃土地層，在降水和超前加固厚度1.0m條件下，隧道頂部最大沉降在28cm，隧道的最大沉降有40cm，礦山法施工可行。三、施工方法試驗(yàn)與選擇3.礦山法方案(2)埋深200m三、施工方法試驗(yàn)與選擇

3.礦山法方案三、施工方法試驗(yàn)與選擇3.礦山法方案在鐵路大斷面隧道條件下，不僅采用多分部開(kāi)挖，而且采用降水、圍巖加固多種輔助工法。原因是：富水流坍狀態(tài)的砂層，自身無(wú)穩(wěn)定性，開(kāi)挖擾動(dòng)后，地層自重將全部作為荷載作用在隧道結(jié)構(gòu)上，因此深厚地層不進(jìn)行地層改良，現(xiàn)行各種方法的結(jié)構(gòu)都不可行。在鐵路大斷面隧道條件下，不僅采用多分部開(kāi)挖，而且采用降水三、施工方法試驗(yàn)與選擇

多種方法試驗(yàn)失敗也說(shuō)明了該種深厚層富水砂層的特殊性。三、施工方法試驗(yàn)與選擇多種方法試驗(yàn)失敗也說(shuō)明了該種深厚層富四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)

開(kāi)挖0～0.5小時(shí)內(nèi)含水率較低，約15%～16%左右；0.5小時(shí)后含水率開(kāi)始快速上升，在開(kāi)挖后1.5小時(shí)含水率達(dá)到17%，砂巖開(kāi)始發(fā)生塑性變形，砂巖的穩(wěn)定性變差；1.5小時(shí)后含水率繼續(xù)上升，在2.5小時(shí)后砂巖達(dá)到飽和狀態(tài)，開(kāi)始發(fā)生流坍。1.圍巖穩(wěn)定性與含水率的關(guān)系粉細(xì)砂地層單軸強(qiáng)度與含水率量之間的關(guān)系

四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)開(kāi)挖0～0.5小時(shí)內(nèi)含水率較低，約1四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)

2.洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干技術(shù)臺(tái)階法斜向和水平真空降水管不同于一般砂層，該弱膠結(jié)砂巖，滲透性系數(shù)在10-5,洞內(nèi)降水疏干是否困難；埋深大，地面井點(diǎn)降水不僅成本高，而且降水也十分困難。因此，出現(xiàn)了洞內(nèi)外各種降水方式。四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)2.洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干技術(shù)臺(tái)CRD法斜向和水平真空降水管CRD法斜向和水平真空降水管四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)

3.洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干技術(shù)這是洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干實(shí)際情況。四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)3.洞內(nèi)降水短距離圍巖疏干技術(shù)這四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)

4.低滲透性地層地表深井降水只有地表井點(diǎn)降水可超前量大，達(dá)到長(zhǎng)距離提前疏干地層地下水的目的。常用地表井點(diǎn)井深在幾十米，低滲透性地層井點(diǎn)間距小，降水成本高?？紤]到該種地層隧道施工的難度，第三系富水粉細(xì)砂地層100m以?xún)?nèi)也應(yīng)是降水方式的首選。四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)4.低滲透性地層地表深井降水四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)

4.低滲透性地層地表深井降水在低滲透性地層中，本成果成功實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)區(qū)段、大比量的超深井降水，地表超深井布置在7號(hào)豎井蘭州端與5號(hào)斜井重慶端之間的嶺脊區(qū)，共設(shè)超深井112口，其中孔深100~179的69口、孔深180~179m的41口、孔深大于200m的2口，最深井208m。相對(duì)于洞內(nèi)各種降水方式，降水效果好、施工綜合成本低，在井點(diǎn)施工技術(shù)許可的條件下，特別是遇水囊、溶腔、巖溶通道或地下河時(shí)，優(yōu)先選用地表超深井井點(diǎn)降水。四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)4.低滲透性地層地表深井降水四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)

4.低滲透性地層地表深井降水洞內(nèi)綜合降水是短距離疏干地下水的易操作方法。由于開(kāi)挖掌子面自身的滲流作用，上臺(tái)階開(kāi)挖后，下臺(tái)階會(huì)滲水、隧底會(huì)積水，在無(wú)地表降水或地表降水效果不好時(shí)，洞內(nèi)降水疏干是必要的。因粉細(xì)砂地層中的粉粒易堵塞孔眼，降水管時(shí)效段，長(zhǎng)距離超前降水也是困難的。因此，本工程總結(jié)形成了：洞內(nèi)臺(tái)階斜向輕型井點(diǎn)、掌子面超前水平短管真空降水和隧底重力深井負(fù)壓降水技術(shù)。因地層滲透性極低，洞內(nèi)綜合降水應(yīng)在開(kāi)挖前3d進(jìn)行；洞外地表重力式深井降水應(yīng)超前15d進(jìn)行，方達(dá)到預(yù)期降水效果。四、洞內(nèi)外施工降水技術(shù)4.低滲透性地層地表深井降水五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)上半斷面水平旋噴加固

1.超前水平旋噴高壓注漿加固施工技術(shù)采用樁徑為60cm，樁間距為40cm水平旋噴樁進(jìn)行預(yù)加固，樁長(zhǎng)18m，搭接長(zhǎng)度5m，旋噴樁內(nèi)置φ89鋼管，外插角7°，旋噴樁開(kāi)孔位置距離初支外輪廓30cm。五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)上半斷面水平旋噴加固1.超前水平五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)1.超前水平旋噴高壓注漿加固施工技術(shù)這是一套非常先進(jìn)的水平旋噴裝備。五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)1.超前水平旋噴高壓注漿加固施工技五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)全斷面水平旋噴加固

1.超前水平旋噴高壓注漿加固施工技術(shù)這種全斷面水平旋噴加固，掌子面任何部位都可以失穩(wěn)，甚至隧道也需要加固，止水并加固圍巖。加固工程量大，作業(yè)時(shí)間非常長(zhǎng)。五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)全斷面水平旋噴加固1.超前水平旋噴五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)周邊水平旋噴和掌子面注漿加固

2.超前水平旋噴注漿和掌子面注漿聯(lián)合加固施工技術(shù)五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)周邊水平旋噴和掌子面注漿加固2.五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)上半斷面超前帷幕注漿

3.超前帷幕注漿加固技術(shù)循環(huán)長(zhǎng)20m，開(kāi)挖預(yù)留6m止?jié){巖盤(pán)，注漿固結(jié)半徑為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5m；注漿終壓2.5MPa，擬定注漿擴(kuò)散半徑1.2米，注漿孔環(huán)向放射狀布置，即起始端上半斷面按5環(huán)間距0.5米布孔，終端孔間距2.0m。注漿采用水泥單液漿，水灰比（0.8～1）:1；設(shè)計(jì)注漿量22.90m3～57.27m3/延米，實(shí)際注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終確定。五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)上半斷面超前帷幕注漿3.超前帷幕五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)全斷面超前帷幕注漿

3.超前帷幕注漿加固技術(shù)循環(huán)長(zhǎng)20m，開(kāi)挖預(yù)留6m止?jié){巖盤(pán)，注漿固結(jié)半徑為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5m；注漿終壓2.5MPa，擬定注漿擴(kuò)散半徑1.2米，注漿孔環(huán)向放射狀布置。注漿采用水泥單液漿，水灰比（0.8～1）:1；設(shè)計(jì)注漿量45.80m3～116.54m3/延米，實(shí)際注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終確定。五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)全斷面超前帷幕注漿3.超前帷幕注五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)全斷面超前帷幕注漿

3.超前帷幕注漿加固技術(shù)五、超前圍巖加固關(guān)鍵技術(shù)全斷面超前帷幕注漿3.超前帷幕注1.洞內(nèi)綜合降水是短距離疏干地下水的易操作方法。由于開(kāi)挖掌子面自身的滲流