隧道下穿暗河施工技术

1、隧道下穿暗河施工技术2007年7月第7期(总106)铁道工程JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYJul20o7NO.7(Ser.106)文章编号:10062106(2007)07007105隧道下穿暗河施工技术魏家君¨(中铁三局集团有限公司,太原030001)摘要:研究目的:通过对五爪观暗河的处理,总结出一套经济合理,安全可行的隧道下穿暗河的施工方法,确保隧道施工及运营安全,为类似工程积累经验.研究方法:工程类比和现场试验.研究结果:通过采用上游注浆截流堵水使地下暗流走行于隧道之上,岩堆体内深孔注浆堵水加固相结合治理暗河方案,以及洞外堆积体内动水注浆,

2、洞内小导管注浆,台阶法开挖,强支护,隧底钢管桩注浆加固等一系列工程措施,五爪观隧道成功下穿暗河.研究结论:在岩堆体敞开式边界条件及高富流动水状态下,根据暗河工程地质和水文地质条件,采用”分区分序,多泵联合,多浆组合,快凝早强”等关键技术,可有效解决注浆截流,抬高地下水位,隧道下穿暗河堆积体开挖支护的施工难题.关键词:隧道;下穿;暗河;施工;动水状态;注浆中图分类号:U455文献标识码:AConstructionTechnologyforTunnelUnerpassedUndergroundRiverWEIJiajun(TheThirdEnneeringGroupCo.Abstract:Rese

3、archpurposes:By,Ltd.ofChinaRailway,Taiyuan,Shanxi030001,China)makingtreatmentofundergroundfiveratWuzhaoguan,asetofeconomic,safeandfeasibleconstructionmethodsoftunnelexcavatedbelowthroughundergroundriverweresummarizedSOastoguaranteethesafetyofconstructionandoperation,whichprovidedexperienceforsimilar

4、construction.Researchmethods:Theenneeringcomparisonandsiteexperienceweremade.Researchresults:WuzhaoguanTunnelwerepasedbelowthroughundergroundfiversuccessfully,byadoptingtheschemeofgroutinginterceptionandpondingtomakeundercurrentflowabovethetunnelandbydeepholegroutingtostrengthentheaccumulationbody.A

5、seriousofengineeringmeasureswereused,suchasgroutingatmovingwaterstateintheaccumulationbody,smallpipeproofprotection,powerfulsupport,shortbenchcutmethod,tunnelfoundationrootbysteelpipepilegrouting,etc.Researchconclusions:Accordingtoundergroundriverengineeringgeologicalandhydrogeologicalconditions,thi

6、spaperadoptedthekeytechnologiesof”partitionandsequence,multijointpump,moreslurrymix,rapidsolidificationandearlystrength”,effectivelyresolvetheproblemsofthegroutingclosureandraisinggroundwaterlevelsandtunnelexcavationbeneaththeundergroundriveraccumulationintherockopenboundaryconditionsandhighwaterflo

7、wsrichstate.Keywords:tunnel;underpass;undergroundriver;construction;movingwaterstate;grouting收稿日期:20070423作者简介:魏家君,1959年出生,男,高级工程师,宜万铁路中铁三局指挥部总工程师.72铁道工程2007年7月1概述1.1工程概况宜万铁路五爪观隧道全长3531m,进口里程DK48+856,路肩标高为535.43m,出口里程DK52+387,隧道位于长阳县境内,南起分香溪,北至马虎溪.隧道为单线隧道单面上坡,坡度分别为15.8%0.五爪观隧道进出口地形陡峻,施工场地狭小,为合理安排施工,

8、在隧道洞身左侧设置横洞一处,横洞与隧道相交于DK50+783.28,长531m,纵坡3%0.根据原地质勘察资料,五爪观隧道下穿五爪观暗河段(DK49+296.6+337.2),为进一步勘察暗河工程地质和水文地质情况,并清除暗河堆积物,进行溶洞大厅内暗河处理,在隧道进口左侧约3055m处设置横洞进入溶洞大厅,横洞全长293m,纵坡为l0.33%.1.2五爪观暗河概况隧道进口附近向南发育五爪观暗河,与五爪观暗河出口段相连的干溶洞进口位于五爪观主峰西侧200m处的陡壁上,标高560.63m,五爪观暗河出口位于五爪观南侧470m处的陡崖,以悬挂泉(当地称为”五爪水泉”)的形式溢出,标高489.1348

9、9.77m,为景区主要景点之一.五爪观暗河长大于1000m,总体呈NW向展布,较顺直,基本属直线状倾斜厅一廊组合型.自洞口向SW长约187m为干洞,之后为一分叉口,见暗河出现.暗河断面形态多变,不规则,洞内沉积有砂卵石,黏土等,洞顶坍塌多见,岩堆高耸,发育有石笋,钟乳石等岩溶景观.暗河水流湍急,河床见有砾卵石堆积,磨圆度好,可见该暗河流经距离之远长,局部地段在洞壁处还堆积了数米厚的粘土,粉土等地下暗河洪峰时的堆积产物.五爪观隧道暗河地下水以碳酸盐岩溶水为主,赋存于奥陶纪地层的岩溶裂隙中,含水量贫富不均,补给源为大气降水,以暗河及泉的形式排泄,旱季流量0.6m/s(五爪水泉),雨季流量很大(五爪

10、观电站调查大于10m/s,实测最大3.75m/s).测区内的地下水补给来源为大气降水.1.3隧道通过暗河地段原设计概况原设计隧道从DK49+296+337段五爪观暗河下部穿越,长41m左右,暗河床底部堆积体为洞顶坍塌而堆积的大块体和暗河冲洪积的块石,卵石,厚约25m左右.隧道穿越暗河段原设计将堆积体全部清除至暗河底板后,采用0.5m厚C30防水钢筋混凝土作底板一耋在线路右侧约21m发育一裂隙,从其下可见暗河流水通道,距线路约25m,上游水深约0.6m,河床宽约2.0m,水流较急,在此处发育一积水潭;水深约1.6m,下游河床未探明(a)暗河平面图多2:坠年3月24日实测水面标高/552.585(

11、2005年3月04星/.mm一/._一:墅堡星,l544_3/隧道拱轨3/顶开挖线宜昌暑H538.53537.53524_23/35-7-(b)暗河纵面图图1暗河平面纵面图(单位:m)夏第7期魏家君:隧道下穿暗河施工技术73设计方案调整为:在原设计浇注钢筋混凝土底板基础上采取上游注浆截流,岩堆体内深孔注浆堵水相结合治理暗河方案.2暗河处理2.1水量调查经对五爪观暗河明流潜流的流量进行现场量测调查发现,五爪观暗河水流外泄点共有4处(其中Q为五爪水泉,Q为五爪观景区土家竹楼靠山侧陡壁岩溶裂缝处,为五爪观景区土家竹楼靠山侧溶洞,Q为分香溪右侧岩溶裂缝).实测流量分别为:Q约为1.4m/s;Q2约为0

12、.2m/s;Q3约为0.5m/s;Q4约为0.3Ill/s,暗河内渡槽明水流量Q约为1.5m/s.流经暗河的水全部通过上述排泄点外泄,根据实测资料测得暗河总流量为:Q=Q.+Q+Q+Q=2.4m/s,暗河大厅渡槽内明水流量为Q=1.5m/s,则推测暗河大厅底板下堆积体的潜伏流量为QQ=0.9m/s,潜伏流量占总流量的37.5%.2.2暗河下堆积体注浆根据清理后揭示的暗河溶洞形态,结合地质补勘资料及暗河明流潜流的流量现场量测调查,得到暗河处理方法如下:注浆采取分区,分序进行,每区采取由外到内的顺序.分区为:截流区,导流区,大里程端区,小里程端区.总体施工顺序:清除堆积物-÷施做大里程区

13、底板及水渠-÷分段施做截流区挡水坝及注浆-÷导流区钻孔注浆-÷大里程区钻孔注浆,小里程区底板-+小里程区钻孔注浆.2.2.1清理暗河堆物到设计标高后,将暗河水流导向隧道进口端(小里程区),然后施做出口端(大里程区)钢筋混凝土底板,底板厚50cm,底板向暗河下游做成1.5%的引水纵坡,在钢筋混凝土底板上预留注浆孔(108mm),范围为暗河上游12m,下游10m,注浆孔间距2.0m.在钢筋混凝土底板上顺暗河上游出水口和下游排水口方向预埋排水渠侧墙钢筋,浇注钢筋混凝土过水明渠,水渠宽5m,高1.5m,墙厚0.4m.2.2.2在暗河上游狭窄处(距线路中心40m的截水区)修

14、建挡水坝,挡水坝嵌入岩壁0.5m.在挡水坝5m范围基底采取注浆堵水,注浆孔深1022m(到达基岩面1.0m以下),注浆孔间距1.5m,注浆材料采用水泥一水玻璃双液注浆材料,注浆方式采用前进式,每次注浆长度控制在3m左右,注浆顺序先外排,后中间,跳孔分序.通过试验确定浆液配比,控制浆液凝胶时间,以保证截水区注浆止水效果.2.2.3对排水渠下堆积体进行注浆,注浆完成后,将分散漫流的暗河水流导人排水渠.2.2.4施做大厅内进口端(小里程区)钢筋混凝土底板,对溶洞壁裂隙,主河道采取C20混凝土回填密实,同时进行大里程区钻孔注浆加固,止水帷幕施工.小里程区钢筋混凝土底板达到设计强度后即可进行注浆.注浆孔

15、深1022m(到达基岩面1.0m以下),暗河上下游端(隧道两侧)2排注浆孔压注水泥一水玻璃双液浆,余孔压注水泥浆液.对与隧道相交的两端暗河溶腔壁进行钻探,发现岩壁下仍为松散堆积物,采取打斜孔进行注浆.2.2.5对距隧道中线4.4m,两侧各一排孔插入108mm钢管,纵向间距1m,深度15m,丝扣连接(丝扣不小于6cm),钢管预留孔10mm间距30cm梅花状布孔.进行全孔注浆,浆液采用水泥浆,注浆压力0.5MPa,保证隧道开挖时边墙的稳定.2.3注浆工艺2.3.1注浆参数浆液扩散半径:1.5m;堆积体孔隙率:30%45%;浆液填充系数:90%;浆液损失率:20%;注浆终压:0.51MPa.2.3.

16、2注浆材料及配比注浆材料:挡水坝下采用水泥一水玻璃双液浆,暗河上下游2排孔采用水泥一水玻璃双液浆,其余地段采用普通水泥单液浆.水泥采用P.042.5早强水泥,水玻璃3040玻美度,模数2.4;水泥浆水灰比0.8:11:1;双液浆水泥一水玻璃体积比1:0.30.4,凝结时间为3060s.2.3.3注浆工艺要求采用分区分序.一序孔采用前进式分段注浆方式进行钻孔注浆施工,防止浆液流失严重,定量控制为主,压力控制为辅,每延米注浆量6In.二序孔采用全孔式注浆,如成孔困难采用前进式注浆,定压控制,终压0.51MPa;孔口位置准确定位,每钻进一段,检查一段,及时纠偏;钻孔与注浆顺序由外向内,间隔施工,采用

17、大流量注浆泵(或用3台注浆泵同注一孔),每孔注浆完第一循环进尺后跳孔转人另外注浆孔,待该孔的浆液胶结体达到一定强度后(3天左右)再钻下一循环段注浆;在钻孔过程中遇到卡钻时,立即停止钻孔进行74铁道工程2007年7月注浆;一个孔段的注浆作业连续进行直到结束,不宜中断,尽量避免因机械故障,停电,停水,器材等问题造成的被迫中断.对于因实行间歇注浆,制止串浆冒浆等而有意中断,则应先扫孔至原设计深度以后进行复注.2.3.4注浆效果检查评定方法及要求检查孔法:检查孔应根据现场情况随机抽取,但必须重新成孔,不可利用既有注浆孔,检查孔抽查率按总注浆孔的5%10%抽取;检查孔涌水量小于0.211(m?min);

18、对检查孔进行注浆,压力应很快上升,且进浆量很小;采用地质雷达结合抽样钻探检验注浆质量,达不到设计要求的应进行方案调整,补孔注浆.2.4注浆效果进口正洞上台阶距暗河大厅3m,2个检查孔孔深分别为17m,19m,涌水量分别为0.011L/m?min,0.12L/m?min.小于0.2L/m?min.暗河截流区注浆压力设计0.5MPa,实测最大2,3孔为0.9MPa,最小1,10孔为0.2MPa,其余孔为0.5MPa.2006年2月20日进行了地质雷达检测,对暗河截水区,隧道轴线注浆区进行了注浆检查,结果如下:从DK49+275+300一带采集的数据图像中看不到界线清晰的混凝土注浆与岩层的分界面.但

19、测区内注浆范围图像显示为密实,有2处存在空洞;从+302+331一带采集数据图形中可以比较清晰地看到67m的混凝土注浆,下部显示为密实;在截水区附近采集的数据图形中可以清晰地看到25m的混凝土注浆,下部为密实区.雷达检测密实,检查孔渗水量小于设计要求,注浆成功.3下穿暗河隧道施工暗河处理完毕后,进行洞内开挖衬砌.暗挖隧道通过暗河堆积体段时,采用台阶法开挖,(b42mm管棚注浆超前支护,初期支护采用工18钢架加强,基底采用76mm钢管桩注浆加固,二次衬砌采用C30钢筋防水混凝土衬砌,防水采用全封闭铺设防水板.具体步骤为:隧道中线左右两侧施工钢管桩一地质综合超前预测预报42mm注浆小导管超前支护一

20、开挖上台阶(放射状超长探测炮眼5个)一初期支护工18钢架加强一临时仰拱紧跟一拱部初期支护背后注浆一开挖下台阶一边墙初期支护工18钢架加强一初期支护仰拱封闭成环一开挖过程中视渗漏水情况可采用5m径向注浆加固止水一基底76mm钢管桩注浆加固一铺设底部防水板一仰拱及填充一拆除临时钢支撑(每环衬砌长度)一二次衬砌采用C30钢筋防水混凝土衬砌.3.1地质综合超前预测预报上台阶施做超前水平地质钻孔,拱顶及左右拱脚各1个.下台阶左右各1个.水平地质钻孔深度30m,暗河段每循环搭接长度不得小于6m.做好现场记录并及时整理造册(起讫作业时间,起讫里程,每米钻进起讫时间,卡钻情况,出水点位置,水量描述,出泥情况描

21、述,空洞描述),现场监理签认.物探采用地质雷达,红外探水仪.每循环开挖前,掌子面增加放射状超长探测炮眼5个.孔深4m.3.2开挖支护3.2.1上台阶开挖支护先进行拱部42mm超前小导管注浆支护,L=4m,=30cm,外插角=8.,每2.5m一环;人工开挖,进尺0.5m,遇孤石可弱爆破,预留核心土,工18工字钢间距为0.5m一榀;喷射混凝土厚度20cIn;工18T字钢临时仰拱间距1.0m,喷射混凝土,紧跟核心土,拱脚处焊接牢固.3.2.2下台阶开挖支护石质地段左右错台跟进,每侧跟进循环进尺按2榀格栅间距掘进,及时进行初期支护.软泥及粘泥类石块地段掘进,要预留核心土,进尺0.5m.下台阶落底时,采

22、用混凝土垫块作为工字钢底部基础,加大工字钢底坐受力面积.隧底的初期支护随边墙一起封闭.3.2.3初期支护背后注浆下台阶开挖之前对拱部初期支护背后注浆.拱部及边墙初期支护每施做23m时立即进行背后注浆.3.2.4隧道底部处理采用76mm钢管桩进行注浆(单液浆)加固,纵横间距80cm,梅花型布置.钢管桩嵌入基岩1.0In,注浆压力0.51MPa.3.3衬砌施工二次衬砌拱部,边墙,底板C30钢筋混凝土,底部填充C25混凝土.隧底钢管桩注浆后基面处理铺设隧底防水层一绑扎隧底钢筋一浇注隧底钢筋混凝土一拆除10m水平临时仰拱铺设边墙拱部防水层及透水管一绑扎边墙拱部钢筋一调整台车一安装止水带堵头模板一浇注钢

23、筋混凝土一下一循环.第7期魏家君:隧道下穿暗河施工技术754结论4.1因暗河下游五爪观发电站完全使用暗河之水,所以,不能采用泄水洞排水方案.4.2采取堆积体内动水状态下注浆加固止水时,应根据地下水的流速,通过试验确定合理的注浆参数及注浆工艺,并根据注浆情况及时调整,注浆后必须进行注浆效果检查,合格后才能开挖,防止出现灾难事故.4.3实践证明”单孔多机同注,水泥浆一水玻璃浆液快凝早强”岩堆体内动水注浆止水是可行的.开挖过程中未有发生突泥突水,71m下穿段的初期支护没有渗水现象.(上接第7O页)渗透系数逐渐减小,隧道涌水量增大和水压折减系数相应增大所导致的,说明由围岩与衬砌的渗透系数函数确定隧道涌

24、水量及水压大小的计算公式可以解释这一现象.(2)编号1,2,3工况衬砌的弯矩和轴力最不利位置大致相同,计算得到的偏心矩均小于相应截面厚度的0.45倍,根据偏心影响系数计算得到的安全系数也符合规范的要求.依据受压构件承载力验算公式得出的结果证实了各工况断面设计合理性,说明以过渡圆弧连接仰拱与曲边墙的衬砌设计方法是妥当,可行的.3结论通过计算施加在衬砌结构上的水荷载,采用有限元方法分析了,V,级围岩衬砌结构在相应围岩级别下的受力特征,可以得到以下结论:(1)在全断面封闭排水的衬砌结构设计中,应着重考虑发挥混凝土的抗压性能.例如,隧道轨上断面采用单心圆型式能较好地适应承受水荷载.在衬砌受力最不利位置,即曲边墙与仰拱连接部位,还应通过适当加大配筋率,增加混凝土厚度的方法进行设计.(2)根据水荷载计算公式