单线铁路风积沙地层隧道开挖施工技术

沙漠在我国东北、华北、西北等地分布广泛。近年来，随着我国基础设施建设的大力发展，尤其是“一带一路”国家发展战咯的提出，沙漠区或近沙漠区工程建设数量越来越多。风积沙的工程地质水文地质也给工程顺利建设造成诸多技术难题。风积沙具有无粘性、粘聚力小甚至无粘聚力、抗剪强度低、透水性好、颗粒较细、含水量少、保水性差、毛细不发达等特点，在外力作用下极易松散和位移，导致围岩稳定性极差。因此，风积沙隧道施工过程中，面临着围岩自稳能力差、开挖后围岩失稳较快等风险。又因围岩承载力较低，跟进的初期支护沉降变形速率快，施工开挖存在很大安全隐患，加大了隧道支护难度，施工进度极慢。xx集团xx有限公司结合《长距离全断面穿越风积沙地层隧道修建关键技术》科研项目的实施，对穿越粉细风积沙地层隧道支护和洞身开挖关键技术开展了研究，依托xx铁路xx一号隧道和xx二号隧道，采取了水平旋喷桩+管棚+含水量调节+三台阶加临时横撑开挖工法施工，并开发了发明专利“一种提高风积沙地层隧道洞身开挖稳定性的方法ZL202010113921.4”，提高了超前支护质量，保证了开挖施工安全，取得了良好的经济效益、社会效益和节能环保效益。通过对科研成果和施工工艺、技术的总结归纳，形成本工法。2.1隧道风积沙地层范围采用水平旋喷桩+拱部管棚进行超前预加固支护，有效止水防止漏沙及砂体坍塌，限制地层及地表变形，并通过掌子面稳固桩、调整掌子面风积沙含水量和掌子面喷混凝土封闭等技术措施，地层稳定性得到加强和提高。2.2在超前预加固支护的保护下，采用三台阶加临时横撑开挖法有效。2.3采用水平旋喷桩+管棚+临时横撑分部开挖措施，辅以含水量控制，保证了隧道开挖施工和支护结构的安全，实现了风积沙隧道的安全、快速施工。本工法适用于拱部及中上部为风积沙地层、仰拱为基岩的单线铁路隧道开挖施工，也可用于公路及双线铁路隧道风积沙地层段开挖施工。4.1采用水平旋喷桩+管棚+含水量调节+三台阶加临时横撑开挖加强围岩稳定、控制变形。通过高压喷射流对土体的破坏、搅拌和浆液与土体之间的固化，形成一定直径的旋喷桩，环向相邻柱体之间相互咬合，在开挖面上方形成旋喷拱，并与管棚构成一个具有较好抗压弯性能的整体。4.2通过调节含水量增强围岩的稳定性，保障开挖过程的安全。利用风积沙最小干密度时对应的含水量高风积沙颗粒之间的各种阻力，达到提高干燥风积沙地层稳定性的目的。4.3采用三台阶加临时横撑法进行隧道开挖。每循环均需要施作临时支撑、预留核心土、对掌子面进行临时封闭，以确保地层稳固。5.1施工工艺流程图施工准备工艺性试验桩中上台阶周边水平旋喷桩掌子面稳固桩工艺性试验桩拱部管棚施工掌子面围岩含水量检测与调整中上台阶开挖、初期支护中上台阶开挖、初期支护掌子面喷混凝土封闭 下台阶周边水平旋喷桩及开挖、初期支护 下一循环施工图5-1风积沙隧道开挖施工工艺流程图5.2操作要点5.2.1施工准备1测量放线。依据施工工艺要求，测量组依据测量控制网进行水平旋喷桩桩位进行测量定点，并采用红油漆标注。桩位采用全站仪精确定点，桩位允许误差5mm，并准确测量孔外插角。2掌子面封闭采用φ8（20cm*20cm）钢筋网和C25喷射砼，挂网封闭掌子面，网喷厚度为30cm；同时平整场地，在掌子面后方设置泥浆沉淀池。3在风积沙段地表设置浆站及泵站，通过在已开挖段，在两端从地表各打设两个孔进入隧道内，将水泥浆液送至作业面，同时安装通信联络线。4工艺性试桩。按照设计进行成桩工艺性试验，在风积沙段地表施工4根工艺试验桩。以复核地质资料以及设备、工艺、是否适宜，开挖检查固结体尺寸及连续性，验证喷射注浆方法对地层的适应性和可靠性；取样制作标准试件进行各种力学物理性能试验，验证试验结果是否与理论配合比一致；最终通过试喷结果合理选择喷射技术参数，并报监理单位确认后，进行大面积施工。5.2.2中上台阶周边水平旋喷桩施工水平旋喷桩每循环施工15m，预留5m作为止浆岩盘，开挖完成10m后进行下一循环水平旋喷桩施工。1钻机就位。钻机作业平台平整完毕，钻机行驶到作业台平，接通风水电。2调整钻架角度。按设计要求放线定孔位，误差不大于2cm，并准确测量孔外插角，钻孔进行编号，摆动钻架至孔位，先调整与线路平行再调整外插角度。3钻机钻孔。将钻机移动至掌子面准备好的施工平台处，根据测量孔位调整钻机位置，利用边墙两侧定位控制点精准定位钻杆位置。连接管路，检查注浆（水）管是否通畅，检查完成后开始钻孔。钻进速度为1m/min～2m/min，注水压力为1～2Mpa。钻进过程中，须随时注意观察钻机的工作情况，钻孔外插角偏差控制在1%范围内。每钻进4m利用边墙控制点检查钻孔角度。必要时，钻孔采用比重为1.0～1.2的护壁泥浆，泥浆材料重量比为：水:膨润土=1:0.07～0.1。4制备浆液。在掌子面开始钻孔时，地表泵站开始制备浆液，并准确测量浆液比重。高喷灌浆采用P.O42.5的普通硅酸盐水泥，配比为W:C=1：1。5旋喷施工。钻机钻进至设计深度（15m）后，检测深度满足要求后，将旋喷喷射管下至孔底，沿顺时针方向开始旋喷。待浆液流出孔口后，即按5cm/8s的提升速度和20r/min的旋转速度，自内往外开始喷射、旋转、提升，到孔口1m左右停喷，过程中旋喷压力控制在40MPa，在靠近孔口2m左右旋喷压力控制在35MPa左右，并退出喷射管，利用土工布和方木及时堵塞孔口。同时更换钻机钻头进行下一孔施工。旋喷过程中应做好详细的施工记录，并对返浆量测定，确保注浆施工效果。水平旋喷注浆加固参数见下表5.2.2-1所示。旋喷成桩时，若出现异常情况产生停机，恢复施工时要进行补喷。待水泥浆凝固后，可用SM-14地质钻机取芯对旋喷桩进行检查。图5.2.2-1水平旋喷桩施工纵断面图图5.2.2-2水平旋喷桩开孔图图5.2.2-3水平旋喷桩10m终孔图图5.2.2-4循环段水平旋喷桩15m终孔图表5.2.2-1超前水平旋喷注浆加固参数表序号参数名称参数值1旋喷桩径500mm2桩间距3压力4序号参数名称参数值5水泥浆液流量150L/min6后退速度5cm/8s78长度9咬合厚度6水平旋喷桩成桩检查。水平旋喷桩的数量、桩长、桩径、桩间距及应符合设计要求，桩长、桩径、桩间距每循环检验3根；桩体的完整性、均匀性和旋喷效果应满足设计要求，每循环采用钻孔取芯方法检验3根。水平旋喷桩施工质量验收标准详见表5.2.2-2。表5.2.2-2水平旋喷桩质量验收标准序号检查项目验收标准频率1桩位偏差20mm全数检查2水平偏移全数检查3垂直下沉偏移全数检查4桩长不小于设计值每循环3根5桩径不小于设计值每循环3根6桩间距符合设计要求每循环3根5.2.3管棚施工拱部120°范围内周边桩初凝后，利用钻机在桩体中心沿桩身方向钻孔，孔深15m，钻孔完成后利用钻机向旋喷桩内顶入长15m的φ76钢管。钢管分节顶入，每节长3m，接头采用φ60镀锌钢管，长40cm，采取内套管，焊接接头形式连接。钢管顶入后，在管口设置法兰盘和止浆阀，利用地表泵站对管棚进行灌注浆，注浆压力为1～2Mpa，待孔口有浆液流出后即停止注浆并关闭止浆阀。图5.2.3水平旋喷桩管棚示意图5.2.4掌子面围岩含水量检测与调整1事先进行风积沙击实试验，获取最小干密度时的含水量ω1（0<ω1＜最大干密度时的含水量）和最大干密度时的含水量。当掌子面围岩含水量小于ω1时，根据注水湿润地层体积、含水量，计算注水量，打设带孔PVC注水管（管内灌沙）并分3～5次均匀向地层注水。当掌子面围岩含水量大于ω1时，可以考虑通过排水的方法来降低围岩的含水量。当含水量接近ω1时，可直接进行隧道洞身开挖。2PVC注水管打设。注水管采用φ20mmPVC管，采用煤电钻钻进成孔，钻头直径较注水管大5mm左右。为使下步管内注水能顺利渗入周边地层，孔身稍微下倾，下倾角为1°。为使注水较为均匀地渗入地层，采用硬质金属锥将管身周边每20cm刺穿；然后，在管内灌满干燥、松散的风积沙，避免下步管内注水时，水集中从距离管口较近的刺孔中遗漏，使水量在地层中的分部不均匀。掌子面喷射混凝土掌子面前方风积沙地层 管内灌沙 水锥刺小孔φ2mm 水锥刺小孔φ2mm图5.2.4注水管注水示意图3注水。根据注水湿润地层体积、含水量，计算注水量；然后分3～5次均匀向管内注水。5.2.5中上台阶开挖、初期支护1上台阶开挖每循环进尺为1榀拱架，每循环均需要施作临时支撑，并对掌子面进行临时封闭，确保沙层稳固。在掌子面封闭施工的同时临时横撑拱架与初期支护拱架一致，上台阶开挖5m左右后，喷射混凝土达到设计强度的70%以上再中台阶进行开挖施工，中台阶开挖并施作完临时横撑后，拆除上台阶临时支撑，临时横撑拆除必须在下一台阶封闭成环后才能拆除，否则不允许拆除。中台阶左右边墙钢架错开2～3榀（1.34m～2.0m确保施工安全。并在开挖完成后及时施做初期支护。2安装上台阶拱架后及时施作锁脚锚管，并同时安装临时横撑。安装临时横撑时测量组辅助定位，确保横撑的位置、标高正确。临时横撑脚板螺栓连接紧固，靠近初期支护的B节点采用无纺布包裹，防止混凝土掉入连接脚板处，增加脚板拆除难度。临时横撑安装完毕后上台阶复喷混凝土至设计厚度。临时横向支撑①42锁脚锚管，临时横向支撑①2根,每根长L=4m②临时横向支撑B节点 2根,每根长L=4m②临时横向支撑B节点A节点③图5.2.5-1三台阶加临时横撑工序断面示意图超前支护初喷混凝土①上台阶②中台阶12m③下台阶图5.2.5-2三台阶加临时横撑纵断面示意图3中台阶初期支护施工与上台阶初期支护距离控制在5m左右，中台阶边墙钢架安装完成后，及时施作锁脚锚管，并同时安装中台阶临时横撑。中台阶完成临时横撑安装后，拆除中台阶开挖范围内所对应的上台阶临时横撑。检查中台阶临时横撑脚板螺栓连接牢固，靠近初期支护的B节点采用无纺布包裹，防止混凝土掉入连接脚板处，增加脚板拆除难度。临时横撑安装完毕后中台阶复喷混凝土至设计厚度。5.2.6下台阶周边水平旋喷桩及开挖、初期支护1通过与前述类似的中上台阶周边水平旋喷桩施工后，进行下台阶周边水平旋喷桩施工及开挖，开挖完成后检查开挖断面净空尺寸。2下台阶初期支护施工与上台阶初期支护距离控制在5m以内，下台阶边墙钢架安装完成后，及时施作锁脚锚管。拆除下台阶开挖范围内所对应的中台阶临时横撑。下台阶不施作临时横撑，钢架及锚管安装完毕后复喷混凝土至设计厚度。3受喷面处理合格后初喷4cm厚砼，随即施作系统锚杆。上台阶拱部锚杆采用φ25组合中空锚杆，中、下台阶边墙锚杆采用HRB400φ22砂浆锚杆，长度均为3.0m，锚杆尾端均配有垫板和螺母。锚杆布置间距为1.2m*1.0m（环*纵）。4三台阶加临时横撑法中采用型钢作为横撑，临时横撑在钢构件加工厂分为A、B两单元预制成型，验收合格后放置加工厂成品区存放，使用前运输至施工现场，临时横撑考虑二次利用。临时横撑安装于正洞上、中台阶初支拱架拱脚以上30cm处，采用脚板、螺栓与正洞初支拱架连接为一个整体。正洞上、中、下台阶初支拱脚两侧均设置一组（2根）φ42长度L=4m的锁脚锚管。5临时横撑安装。临时横撑采用Ⅰ16工字钢，与洞身钢架采用钢板和螺栓连接，临时横撑钢架单元之间亦采用脚板及螺栓连接。临时横撑间距与洞身钢支撑间距一致，相邻横撑之间采用Φ22钢筋连接，环向间距1.0m，焊接于横撑内翼缘处，在安装时测量组辅助控制横撑安装位置及标高，确保横撑位置准确。6临时横撑拆除。临时横撑拆除根据三台阶法施工步骤及上、中、下台阶进尺逐一进行。临时横撑拆除前先采用风镐将洞身钢架和临时横撑连接处覆盖的喷射混凝土清除。拆除原先包好的无纺布，再拆除螺栓,利用机械配合钢丝绳，逐一拆除临时横撑。除后的临时横撑统一堆放整齐，以便二次利用。5.3劳动力组织主要配备水平旋喷桩、开挖、初期支护施工作业人员及管理人员，劳动力组织详见表5.3。表5.3劳动力组织表序号工序工种数量分工1水平旋喷桩工班长2负责劳动力安排2钻机手2负责钻机操作和地质记录3钻孔4配合钻机手及场地清理42负责泵站的操作和记录5制浆2负责配制浆液和记录6洞身开挖负责隧道开挖7喷浆支护负责立拱、喷浆出支护8管理人员2负责现场施工组织9技术员4负责现场技术指导6.1材料本工法所需建筑材料均为常规建筑材料，无需特殊说明。6.2设备本工法所需机械设备配置如下表所示。表6.2主要施工机械设备配备表序号设备名称规格型号单位数量备注1摇臂水平旋喷钻机MC-15台1119kw2高压泵站7T505J套13400台14防水板1.5mm厚EVA平米若干5泥浆泵BW-250台26搅拌桶个若干7.1根据工艺设计规定的点位进行放样定位，其中心允许误差不大于2cm。7.2钻机就位后，采用测距仪定孔位。同时，在钻孔钻进过程中对钻孔外插角进行检查；施工过程中成孔偏斜率控制在1%以内。7.3必须做好钻孔施工详细记录，以指导后期施工参数。7.4高压喷射注浆应自前往后、匀速后退，喷射过程中应达到:压力和浆量应符合施工设计要求，并确保管路系统的畅通和密封。7.5中间发生故障时，应停止后退和喷射以防桩体中断，同时立即进行检查排除故障，如发生浆液喷射不足，影响桩体的设计直径时，应进行复喷。7.6水泥浆液应进行严格的过滤，防止喷射作业时堵塞。7.7经常用比重计来测试水泥浆液密度，当施工中浆液密度超出此指标时，应立即停止喷注，并调整至设计范围后，方可继续喷射。7.8因故停喷后重新恢复施工前，应将喷头前移30cm，采取重迭搭接喷射处理后，方可继续后退及喷射注浆，并应记录中断深度和时间。停机超过2h时，应对泵体输浆管进行清洗后方可继续施7.9施工过程中，应经常检查高压泵的压力、浆液流量、钻机转速、后退速度及耗浆量；当冒浆量超过浆量20%时，应提高注浆压力或复喷进行处理。当不冒浆时，应通过减缓后退速度或加大浆量进行处理。7.10喷射作业完成后，应连续将管棚推入孔内并注浆填满为止。旋喷完毕后，泥浆泵和高压泵应用清水洗净，各管路内不得有残余浆液和其它杂物。管路拆下后采用清水冲洗，高压泵停止运转后，拆洗缸室及易堵部件。损坏部件及时修理和更换，运转部分要涂抹黄油以利润滑和防锈。8.1在每循环开挖结束后，对掌子面进行联合检查，在确认无异常情况的条件下，方能进行掌子面出碴作业。出碴结束后，同样要对掌子面进行联合检查，在确认无异常情况时，方可以进行支护等作业。在每循环开挖时，专职安全员要进行全过程的监查，并检查应急预案的实施情况，以便在紧急时立即启动。8.2施工现场必须配备足够的照明设备，保证作业现场通视条件良好。8.3浆液管路及连接件必须采用耐高压装置，当压力上升时，防止管路连接部位爆裂伤人。8.4注意机械使用、保养、维修，注意用电安全，经常进行检查杜绝漏电，并派专人操作和维修，非机电修理人员不得随意拆卸设备。8.5需高空作业时，应搭设稳固安全的脚手架和施工平台，防止机翻人伤事故发生。8.6各种制动器、离合器、方向和其它操作机构灵活可靠，润滑良好，油路系统液压油充足无渗漏。转动装置设置安全防护罩。8.7施工用电必须符合“三相五线”制,电源用配电箱与外界隔离,非专业电工不得开锁。使用发电机由专人看管。8.8在钻机移位时由专人指挥，其余人员撤离钻机，以免发生安全事故。8.9输浆管路必须沿边线铺设，穿过施工便道时必须防护以免车辆碾压。8.10加强施工监控量测信息反馈，为施工提供及时、准确的信息，及时对指导施工的技术方案进行调整，保证施工安全进行。8.11旋喷桩施工期间至少设两个量测断面，严格按隧道施工规范加强量测，根据监控量测数据指导下一步开挖施工。9.1施工现场设置醒目的安全警示标志、安全标语，作业场所有安全操作规章制度，现场的施工用电设施安装规范、安全、可靠、建设安全文明标准工地。9.2在有粉尘的作业环境中作业时，除洒水外，作业人员还必须配备劳保防护用品。对运输水泥及易飞扬物料须用帆布覆盖严密，并装载适中，不得超限运输。9.3合理安排施工作业时间，降低夜间车辆出入频率，夜间施工不得安排噪音大的机械。9.4施工机械排放的废油废水，采用隔油池等有效措施加以处理，不得超标排放。9.5报废材料运出现场并进行掩埋处理。对施工中废弃的零配件，边角料、水泥袋、包装箱等及时清理，以保护自然环境与景观不受破坏。9.6将工地生活区的生活垃圾、工程废料及废油分类存放，及时集运至当地环保部门指定的地点。施工产生的废弃土、砂、石料等，在施工期间和施工结束以后应及时清理，统一收集，妥善处理，以减少对环境的污染，防止对河道、溪流造成淤积。9.7旋喷桩施工时会产生大量返浆，必须及时进行废浆及时清理。以免影响场地整洁。9.8作业完工后，及时清理施工场地，周转材料及时返库，做到工完料净、场地清洁。工程完工后，作业队伍文明撤离。10.1技术效益通过旋喷桩施工工法，熟练并掌握了水平旋喷桩施工方法、工艺流程、技术参数、质量检测等作业要求，成型后的桩体结构尺寸、咬合度满足设计要求，确定了旋喷桩施工施工参数，达到了做首件工程的目的，为以后水平旋喷桩施工积累了经验。今后风积沙地层的施工，可借鉴本施工工法的成功经验确定的施工参数进行施工，确保施工段水平旋喷桩优质、优量地完成。10.2经济效益本工法得到了成功应用，增强了隧道超前支护结构强度，提高了施工效率，缩短了施工时间，减轻了工人劳动强度，节约了工程成本。本工法通过在xx一号隧道施工中成功应用，提前计划工期天/月=22.80万元本工法通过在xx二号隧道施工中成功应用，提前计划21天工期，节约成本42.14万元（其中，人工费：38人×0.9万元/人/月×21天万元/月×21天÷30天/月=5.60万元，现场管理费：18万元/月×21天÷30天/月=12.60万元）。共节约成本118.39万元，取得了良好的经济效益。采用粉细风积沙地层隧道水平旋喷桩施工工法，在保证质量、降低成本、节能环保等方面较为显著的优势，这也将成为后期风积沙地层隧道水平旋喷桩施工的主流施工工法。水平旋喷桩施工工法研究填补了施工领域的空白，本工法研究为我单位在粉细风积沙地层隧道施工领域的拓展树立了良好的信誉，对西部大开发及“一带一路”特殊地质区域隧道的建设具有一定的指导意义。11.1新建xx铁路xxxx标xx一号隧道xx一号隧道起讫里程为DK514+255～DK515+628.9