CN112392487A - 用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻设灌浆孔，通过灌浆孔对顶拱土层以上的强透水岩层内的渗（涌）水通道灌注水泥浆形成不透水层，达到堵水目的；在洞身两侧打高压旋喷桩，使饱和含水砂土洞壁稳定。具体包括以下步骤：1）在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻灌浆孔并灌注水泥浆，封堵岩层内的渗（涌）水通道；2）对岩层下洞身两侧自稳性差的饱和含水砂土采用高压旋喷桩进行稳固；3）在掌子面顶拱开挖轮廓线外的砂土层内打入密排小导管进行超前支护；4）进行洞挖作业。本发明采用上述方法，针对在强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工提供了一种更加可行、安全可靠、经济合理的施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及恶劣水文地质条件下隧洞施工技术领域，具体的是一种带有掺拌功能的细骨料输送装置。
背景技术
洞挖施工过程中，当隧洞位于地下水位线以下，地下水丰富且具弱承压性，洞顶位于强透水岩层内或附近，洞挖后容易发生地下水瞬间大量涌出淹没隧洞问题；而洞身及底板位于饱和含砂粉质粘土层中，开挖后洞壁自稳性差，导致顶拱遗留薄土层及两侧饱和含砂粉质粘土自动滑塌涌出，形成较大的空腔。由于饱和含砂粉质粘土层的水泥浆可灌性差，且打钻无法成孔，不能采取水泥固结灌浆法处理。无论是地下水瞬间大量涌出，还是饱和含砂粉质粘土自动滑塌涌出，洞挖施工均无法正常进行。另一方面，当隧洞完全位于饱和含水砂土内，洞挖后洞顶遗留土层在自重作用下，自身不稳定而塌落，两侧饱和含砂粉质粘土自动滑塌涌出，进而导致突泥涌水问题。
目前国内外关于隧洞掘进的方法，除钻爆法外，尚有旋挖机掘进、盾构机掘进、TBM掘进、顶管掘进、冷冻后爆破掘进，对于纯土洞段采用洞内水平旋喷桩超前支护后开挖掘进等，其中，旋挖机不适于在地下水丰富环境和粘性土层施工，且对于强度超过100MPa的弱风化玄武岩掘进速度非常缓慢；TBM和盾构机不适于在地质水文复杂多变、围岩软硬频繁转换、坍塌涌水经常发生的环境内施工；顶管遇坚硬岩层及不能提供稳定坚固的后背墙等而不便采用；冷冻法也因农网供电不稳定、洞段过长、衬砌后隧洞断面进一步缩小导致洞挖支护设备无法通行、在狭小空间使用液氮易造成人员冻伤、冷冻后仍然需采用钻爆法掘进等原因，而不具备优势。
对于纯土洞段采用洞内水平旋喷桩超前支护技术，目前国内没有现成的适用于小洞径断面的水平旋喷桩机，若申请定制，在工期和费用上均难于接受。因此先进的设备和工艺在适应性、效率或费用上无明显优势，不是最合适有效的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，能够针对于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工提供一种更加可行、安全可靠、经济合理的施工方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻设灌浆孔，并通过灌浆孔对顶拱土层以上的强透水岩层内的渗涌水通道灌注水泥浆，形成不透水层，达到堵水目的；在洞身两侧打高压旋喷桩，使饱和含水砂土洞壁稳定。
施工方法具体包括以下步骤：
1）在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻灌浆孔，并通过灌浆孔灌注水泥浆，封堵岩层内的渗涌水通道；
2）对岩层下洞身两侧自稳性差的饱和含水砂土采用高压旋喷桩进行稳固；
3）在掌子面顶拱开挖轮廓线外的砂土层内打入密排小导管进行超前支护；
4）进行洞挖作业。
优选的方案中，所述的步骤1）中，灌浆孔平行洞轴线共布置五排，孔位呈梅花型布置，其中洞轴线上及轴线两侧2m处各一排，两侧洞挖轮廓线外2.5m处各一排。
优选的方案中，所述的步骤1）中，灌浆孔钻孔自地表开钻，孔底高程深入隧洞顶拱之上土层1-2m。
优选的方案中，所述的步骤1）中，灌浆孔采用一次成孔，孔内卡塞，按分排、分序加密原则，采取纯压式灌注，洞轴线上及轴线两侧2m处共三排；
灌浆顶高程按深入土石分界以上岩层2米控制，灌浆底高程以深入土层控制；
灌浆段顶部高于地下水位，底高程以深入土层控制。
优选的方案中，所述的步骤2）中，旋喷桩在洞身外两侧洞挖设计轮廓线外，平行洞轴线各布置一排，钻孔深度自地表至深入隧洞开挖底板下。
优选的方案中，所述的步骤2）中，上部岩层段采用履带式冲击钻造孔，下部砂土段采用高压旋喷机自行造孔并下入高喷管，按分序加密原则进行高压旋喷施工。
优选的方案中，所述的步骤2）中，旋喷桩桩顶部进入土石分界线以上岩层内，桩底部深入隧洞开挖底板下1-2m。
优选的方案中，所述的步骤3）中，密排小导管采用φ50钢管制作，环向紧密排列，纵向搭接，在该洞段开挖前，预先按小角度打入设计开挖轮廓线外。
优选的方案中，所述的步骤4）中，洞挖施工时，在掌子面中下部预留核心土，分区分序开挖并喷射混凝土快速封闭掌子面，最后对洞挖轮廓面及时架立钢拱架、挂网钢筋并喷混凝土层进行支护。
优选的方案中，所述的钢拱架之间通过连接钢筋连接，钢拱架两侧对称布置有多根钢拱架锁脚锚杆，钢拱架锁脚锚杆插入围岩内，通过锚固剂锚固并与钢拱架之间焊接。
本发明所提供的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，通过采用上述方法,具有以下有益效果：
（1）解决了饱和含砂粉质粘土层的水泥浆可灌性差，且打钻无法成孔，不能采取水泥固结灌浆法处理的问题；
（2）解决了由于隧洞完全位于饱和含水砂土内，洞挖后洞顶遗留土层在自重作用下，自身不稳定而塌落，两侧饱和含砂粉质粘土自动滑塌涌出，进而导致突泥涌水的问题；
（3）针对特殊恶劣水文地质条件，实现了更加具有针对性、更加安全可靠、更经济的洞挖施工方法。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的灌浆孔平面布置图。
图2为本发明的灌浆孔布置剖面图。
图3为本发明的旋喷桩平面布置图。
图4为本发明的旋喷桩布置剖面图。
图5为本发明的洞挖轮廓面密排小导管及钢拱架支护布置横剖面图。
图6为本发明的洞挖轮廓面密排小导管及钢拱架支护布置纵剖面图。
图中：灌浆孔1，旋喷桩2，密排小导管3，钢拱架4，连接钢筋5，钢拱架锁脚锚杆6，挂网钢筋7，混凝土层8。
具体实施方式
实施例1：
如图1-6中，一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，通过在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻设灌浆孔1，并通过灌浆孔1对顶拱土层以上的强透水岩层内的渗涌水通道灌注水泥浆，形成不透水层，达到堵水目的；在洞身两侧打高压旋喷桩，使饱和含水砂土洞壁稳定。
施工方法具体包括以下步骤：
1）在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻设灌浆孔1，并通过灌浆孔1灌注水泥浆，封堵水岩层内的渗涌水通道；
2）对岩层下洞身两侧自稳性差的饱和含水砂土采用高压旋喷桩2进行稳固；
3）在掌子面顶拱开挖轮廓线外的砂土层内打入密排小导管3，对洞顶土层进行超前支护；
4）进行洞挖作业。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述的步骤1）中，灌浆孔1平行洞轴线共布置五排，孔位呈梅花型布置，其中洞轴线上及轴线两侧2m处各一排，两侧洞挖轮廓线外2.5m处各一排。
优选的方案中，所述的步骤1）中，灌浆孔1钻孔自地表开钻，孔底高程深入隧洞顶拱之上土层1-2m。
优选的方案中，所述的步骤1）中，灌浆孔1采用一次成孔，孔内卡塞，按分排、分序加密原则，采取纯压式灌注，洞轴线上及轴线两侧2m处共三排；
灌浆顶高程按深入土石分界以上岩层2米控制，灌浆底高程以深入土层一定深度控制；
灌浆段顶部高于地下水位，底高程以深入土层控制。
灌浆孔1根据现场实际情况，钻孔间排距为2.0m×2.0~2.5m，开孔孔径为φ105mm，当隧洞拱顶处为岩层时，孔底部按拱顶高程控制；当拱顶上部为土层时，孔底高程按深入土层1-2m控制。
洞轴线上和轴线两侧的三排孔灌浆段长度，自顶部的深入土石分界线上岩层内2m处至深入下部土层1m处的孔底高程间的段长；
两侧洞挖轮廓线外的2排孔灌浆段长度，自顶部的高于地下水位0.5m处至深入下部土层2m处的孔底高程间段长。
实施例3：
在实施例1的基础上，所述的步骤2）中，旋喷桩2在洞身外两侧洞挖设计轮廓线外，平行洞轴线各布置一排，钻孔深度自地表至深入隧洞开挖底板下。
优选的方案中，所述的步骤2）中，上部岩层段采用履带式冲击钻造孔，下部砂土段采用高压旋喷机自行造孔并下入高喷管，按分序加密原则进行高压旋喷施工。
优选的方案中，所述的步骤2）中，旋喷桩2桩顶部进入土石分界线以上岩层内，桩底部深入隧洞开挖底板下1-2m。
高压旋喷桩在洞身外两侧距洞挖设计轮廓线0.6m处各布置一排，孔距0.8m，钻孔孔径91mm，设计桩径600mm，钻孔深度以自地表至深入隧洞开挖底板下1m控制，按分序加密原则分2序进行高压旋喷施工。
高压旋喷桩长度以桩顶部进入土石分界线上岩层内1m，桩底部深入隧洞开挖底板下1-2m的区间为喷桩长度范围，具体喷桩长度按照施工现场实际情况确定。
按照施工现场实际情况，采取2管法或3管法自下而上进行喷射注浆。
在喷射压力达到预定值并旋喷30秒，在水泥浆与桩端土充分搅拌并返浆正常后，再边喷浆边按10cm/min的速度匀速旋转提升注浆管，直至距桩顶1米时，放慢搅拌速度和提升速度，保证桩顶密实均匀。喷桩完成后，对于上部空桩部分需及时进行静压充填灌浆，直到浆面不再下沉为止。
实施例4：
在实施例1的基础上，所述的步骤3）中，密排小导管3采用φ50钢管制作，环向紧密排列，纵向搭接，在该洞段开挖前，预先按小角度打入设计开挖轮廓线外。
密排小导管布置在掌子面顶拱开挖轮廓线处，采用φ50壁厚4mm的无缝钢管制作，单根长4.5m，环向紧密排列（间距10-15cm），纵向搭接长度≥2m，前端做成长约10cm的圆锥状，施工时上仰角5º（软土洞段预留15cm沉降和收敛余量，以保证后期混凝土衬砌结构厚度）。
在隧洞开挖前，对在自重力的作用下易坍塌的洞顶砂土层，采用提前打入密排小导管进行超前支护，使其在保证排水通畅的同时起到拦砂稳定洞壁的作用。
实施例5：
在实施例1的基础上，所述的步骤4）中，洞挖施工时，在掌子面中下部预留核心土，分区分序开挖并喷射混凝土快速封闭掌子面，最后对洞挖轮廓面及时架立钢拱架4、挂网钢筋7并喷混凝土层8进行支护。
优选的方案中，所述的钢拱架4之间通过连接钢筋5连接，钢拱架4两侧对称布置有多根钢拱架锁脚锚杆6，钢拱架锁脚锚杆6插入围岩内，通过锚固剂锚固并与钢拱架4之间焊接。
钢拱架采用I16工字钢制作，安装间距500-1000mm（视围岩情况选用）；拱架间连接钢筋5为直径22mm的HRB400钢筋，安装间距1200mm；钢拱架锁脚锚杆为φ50钢管，单根长2.5m，分左右两侧对称共布置8根；
拱架外布置挂网钢筋为φ8@200×200；
一期支护喷混凝土强度等级为C25，采用拌和机集中拌制，现场采用混凝土喷射机按20cm厚度喷护。
Claims (10)
1.一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻设灌浆孔（1），并通过灌浆孔（1）对顶拱土层以上的强透水岩层内的渗涌水通道灌注水泥浆，形成不透水层，达到堵水目的；在洞身两侧打高压旋喷桩（2），使饱和含水砂土洞壁稳定；
施工方法具体包括以下步骤：
1）在隧洞顶拱之上强透水岩层内钻设灌浆孔（1），并通过灌浆孔（1）灌注水泥浆，封堵岩层内的渗涌水通道；
2）对岩层下洞身两侧自稳性差的饱和含水砂土采用高压旋喷桩（2）进行稳固；
3）在掌子面顶拱开挖轮廓线外的砂土层内打入密排小导管（3），对洞顶土层进行超前支护；
4）进行洞挖作业。
2.根据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤1）中，灌浆孔（1）平行洞轴线共布置五排，孔位呈梅花型布置，其中洞轴线上及轴线两侧2m处各一排，两侧洞挖轮廓线外2.5m处各一排。
3.根据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤1）中，灌浆孔（1）钻孔自地表开钻，孔底高程深入隧洞顶拱之上土层1-2m。
4.根据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤1）中，灌浆孔（1）采用一次成孔，孔内卡塞，按分排、分序加密原则，采取纯压式灌注，洞轴线上及轴线两侧2m处共三排；
灌浆顶高程按深入土石分界以上岩层2米控制，灌浆底高程以深入土层控制；
灌浆段顶部高于地下水位，底高程以深入土层控制。
5.根据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤2）中，旋喷桩（2）在洞身外两侧洞挖设计轮廓线外，平行洞轴线各布置一排，钻孔深度自地表至深入隧洞开挖底板下。
6.据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤2）中，上部岩层段采用履带式冲击钻造孔，下部砂土段采用高压旋喷机自行造孔并下入高喷管，按分序加密原则进行高压旋喷施工。
7.据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤2）中，旋喷桩（2）桩顶部进入土石分界线以上岩层内，桩底部深入隧洞开挖底板下1-2m。
8.据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤3）中，密排小导管（3）采用φ50钢管制作，环向紧密排列，纵向搭接，在该洞段开挖前，预先按小角度打入设计开挖轮廓线外。
9.据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的步骤4）中，洞挖施工时，在掌子面中下部预留核心土，分区分序开挖并喷射混凝土快速封闭掌子面，最后对洞挖轮廓面及时架立钢拱架（4）、挂网钢筋（7）并喷混凝土层（8）进行支护。
10.据权利要求1所述的一种用于强透水岩体下饱和含水砂土层中的洞挖施工方法，其特征在于：所述的钢拱架（4）之间通过连接钢筋（5）连接，钢拱架（4）两侧对称布置有多根钢拱架锁脚锚杆（6），钢拱架锁脚锚杆（6）插入围岩内，通过锚固剂锚固并与钢拱架（4）之间焊接。
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