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1、风积砂及含水砂层隧道施工技术1 前言1.1 风积砂及含水砂层隧道特点经过多年风砂积累，山体表面形成一定厚度的风积砂层，主要为细砂层（Q4eol4）：浅黄色、砂质纯净，颗粒均匀、松散。当砂层表面遇水或自稳坡度遭破坏时，砂层会自然流动，稳定性极差。1.2 风积砂及含水砂层隧道施工的基本要求由于风积砂、含水砂层的特殊性，在实施类似的隧道开挖前，必须采取超前支护、洞口加固等特殊措施，且在隧道开挖过程中要严格按预留台阶核心土的施工方法来施工，施工中严格控制开挖步序、开挖进程，以保证隧道开挖的安全性。2 工艺流程及操作要点2.1 施工准备严格按照环保要求布置施工场地，作好施工便道、风、水、电管路等一切施工
2、准备工作。为了保证砂层稳定，以利于边、仰坡开挖，在开挖前，首先对地表进行洒水，使砂粒之间有一定的粘结力；其次对洞口边、仰坡进行挂网、喷射混凝土封闭，喷射混凝土厚度一般为10cm；最后开挖洞口，喷射混凝土封闭掌子面(注浆止浆墙)。并设位移观测点,以便施工时适时观测、对比、分析，确保施工安全和测定孔位。2.2 施工方案 该类地层隧道施工采用拱部超前大管棚注浆支护形成伞棚。 棚管间超前辅以自进式中空注浆锚杆固砂；三级台阶式预留核心土插板开挖；锚喷网钢架联合支护；衬砌紧跟的方案施工。2.3 施工工艺流程图风积砂及含水砂层隧道施工工艺流程图见图2-1图2-1 风积沙层施工工艺流程图2.4施工工艺2.4.
3、1长管棚施工（1）管棚参数。根据风积砂及含水地层的地质特征，管棚施工前先做管棚试验，以便确定管棚的各种施工参数，包括管棚设计长度、管径、管间距等，以保证隧道管棚支护的效果。（2）工艺流程长管棚跟管钻进施工工艺流程图：不合格不合格图2-2：长管棚施工流程图（3）搭设钻孔平台、安装钻机、测定孔位钻机平台应一次性搭好，平台长度根据每打一根钢管长度和钻机长度而定，一般平台高度以拱顶线下2.0m为宜，以最低孔下1.0m为准，平台紧靠开挖面，以便接管。钻孔顺序由拱顶孔位向边墙孔位进行，这样可缩短钻机与搭设平台时间，以便钻机定位、定向。必要时可两台钻机平行作业，互不干扰。安装钻机进钻前,用经纬仪以坐标法在掌
4、子面标定管棚孔位。钻孔平台要稳固，钻机安装要牢固，防止施钻时钻机不均匀下沉、摆动、偏移、倾斜而影响钻孔质量。钻机定位钻孔方案要求与线路中线平行,因此必须精确核定钻机的位置。架立钻机时，可用手罗盘、经纬仪、挂线相结合的方法，确保钻杆轴线与管棚轴线相吻合。钻机定位时，根据钻孔深度、钻杆轴线与管棚轴线要有一定数值的仰角，以抵消钻进后因锚杆和钢管自重增加所产生的下垂。（4）跟管钻进跟管钻进时，由于钻杆和钢管的自重会使锚杆产生一定的挠度，从而会使跟管钻进后侵入隧道衬砌断面，影响隧道的衬砌质量。故需架立钻孔导向架，导向架用型钢钢架组成，与型钢梁连接成一体，掌子面设置1榀型钢钢架并同导向架连成一体，在型钢钢
5、架外缘焊不小于0.3m的钢管为导向筒，导向筒与导向筒之间间距宜控制在0.4m左右,以固定钻杆摆动过大而影响钻孔精度。导向筒以标高控制其仰角(外插角)，导向筒与管棚位置编号一一对应，跟管钻进开孔时要低速低压，钻进深度不小于2.0m后，根据地质情况把压力调整到最佳钻进位置，钻进时每根管尾部应预留0.40.5m暂不打入，以便连接后面钢管。钻进时遇到排碴直径大于5mm或排碴较少钻杆抖动较大时应立即采用低钻速钻进，并反复反转来回拖动钻杆排出钢管里的粗碴。当发现无碴排除、粉尘较多且5-10min都无法前进1-2cm时，表明遇到孤石，此时应停钻退出钻杆，换上直钻头打穿孤石，再采用偏心钻跟管钻进，直达设计位置
6、。排碴表明地层为砂类土、钻进速度较快时，钻机压力应保持0.8-1.0MPa，风压应保持0.6 Mpa为宜。（5）安装管棚钢筋笼为了增强管棚的刚度，可向管棚内置入制作好的钢筋笼。钢筋笼长度根据设计管长而定，长钢筋笼可分节制作，在工作面逐节焊接起来，直至与钢管同长，施工时注意使它保证在跟管中心位置以及钢筋笼焊接头与钢管焊接头不重合。（6）配置化学浆液风积砂及含水砂层地段宜选用水玻璃氯化钙双液浆对其进行加固，防止砂层流失。基本原理。利用水玻璃与氯化钙发生化学反应生成Ca（OH）2等难溶物质及胶结物质，挤出砂层中的水分及空气，将松散砂层固结形成具有一定强度的整体，然后在超前支护的情况下进行隧道开挖。水
7、玻璃氯化钙反应方程式：NaOnSiO2+CaCl2+mH2OnSiO2（m-I）H2O+Ca（OH）2+2NaCI水玻璃氯化钙双液浆配合比，一般情况下：水玻璃浓度：50%60%Be稀释后浓度：30%35%Be；氯化钙稀释浓度：25%30%；水玻璃氯化钙浆液试验室配合比：9%水玻璃溶液：6%氯化钙溶液（重量比）；PH值测试宜控制在810左右；胶凝时间：胶凝时间一般控制在5min7min为宜；固化时间：固化时间一般控制在1.52.0天为宜。(7)注浆工艺注浆参数注浆前先进行浆液配比试验，包括测定浆液的扩散半径、胶凝时间，注浆压力等。并严格按照试验配比来对浆液进行配制。注浆工艺。注浆顺序由最低位向最
8、高孔位进行。当采用双液注浆泵压注化学浆液时，注浆压力由小到大缓慢升高，在注浆压力达到终压后停留22.5min，然后逐渐减压，最后同时保证管棚内注浆饱满及达到浆液扩散范围。实际施工时，由于施工需要，为了提前浆液的固化时间，在注浆时，按一定比例在水玻璃浆中加入少量水泥浆，实验表明，水玻璃氯化钙浆液的固化时间能提前0.5天左右。单根管棚注浆量按下式计算确定：Q=2L+R2Ln式中：Q单根管棚注浆量；R浆液扩散半径； 钢管半径；n地层空隙率(风积砂层一般取4%)； 浆液有效填充率；浆液损耗系数(通常取1.15)。2.4.2自进式中空锚杆施工(1)施工工艺流程见图2-3 图2-3 中空锚杆施工工艺流程图
9、（2）加固原理及水玻璃氯化钙双液浆配合比同上述原理相同（3）迈式锚杆打入施工自进式中空锚杆本身带有钻头，是集钻进、注浆、锚固为一体的一种锚杆。其外表面带有均匀螺纹，可以根据需要任意切割连接，与普通锚杆相比，具有更大的粘结力及锚固力，由于自进式中空锚杆本身的这种特点，打入施工比较简单。根据设计长度加工制作锚杆，装上钻头及止浆塞，加工与锚杆相匹配的钻杆钎尾，取出凿岩台车钻杆，将带有钻头的锚杆装入钎套，启动凿岩台车直接施钻至设计深度，然后退出钎套，锚杆即留在孔内。3)注浆注浆机具：一般采用双液注浆泵注浆压力：根据现场注浆实验，测定注浆压力由小逐渐升至为最佳注浆压力为止，当压力继续升高时在砂层中就会出
10、现鼓包，通常取0.5Mpa的压力，并持续22.5min后，浆液渗透范围可达到锚杆周围0.4m范围内，起到固结砂层作用。注浆：将锚杆连接套与注浆橡胶管连接，接到锚杆尾部，然后注浆机开始压浆，注浆压力由小到大缓慢升高。在注浆压力达到实验确定最大压力后停留22.5min，然后逐渐减压。最后同时保证锚杆孔内注浆饱满及达到浆液扩散范围。2.4.3 三级台阶式插板开挖鉴于风积砂及含水砂层隧道地质的特殊性，在开挖过程中采用三级台阶式插板开挖，在全断面长大管棚施作注浆完毕后，施作中空锚杆，在管棚与锚杆的共同支护下开始进行上部开挖和下部锚杆施工注浆。开挖分上、中、下三台阶，主要以人工配合风铲开挖，见图2-4。上
11、台阶开挖：一般采用沿周边开挖预留核心土法施工。核心土高度可根据开挖面来具体确定，以下图三所示三级台阶开挖示意图来具体说明该开挖方式：核心土高宜为12.0m，宽24.0m（中线两侧均匀分配）。周边土体每开挖到设计进尺时，立即在临空面施作自进式锚杆，间距按设计形式布置，并挂网喷射设计厚度砼，同时架设型钢钢架。上台阶超前大于5.0m后，即清除预留核心土，在上台阶底面中台阶核心土范围垂直打入自进式锚杆，按设计间距布置。中台阶开挖：中台阶预留矩形核心土。先开挖两侧土体，施作自进式锚杆，挂网初喷砼，连接型钢钢架，再复喷砼至设计厚度，中台阶超前大于5.0m后，清除核心土，在上台阶底面中台阶核心土范围垂直打入
12、自进式锚杆。下台阶开挖：下台阶预留矩形核心土，清除核心土至仰拱位置，连接型钢钢架至拱脚，进行喷混凝土封闭钢架，施作边墙脚和隧底自进式锚杆，并在型钢钢架底部施作锁脚锚杆。图2-4 三台阶开挖示意图2.5初期支护由于风积砂及含水砂层的极不稳定性，施工中采取边挖边支护的措施，以保证隧道的安全，开挖过程中遇缝必堵，严防砂粒从支护缝隙中漏出。1初期支护施工工艺框图见图25图25 初期支护施工工艺框1）型钢钢架钢架在钢筋加工棚设置的11制作样台上，采用冷弯、分段制作，按单元拼焊及试拼装后，运至现场安装。其制作要求如下：加工做到尺寸准确、弧形圆顺；钢筋焊接（或搭接）长度满足设计要求，焊接成型时，沿钢架两侧对
13、称进行，钢架主筋中心与轴线重合，接头处相邻两节圆心重合，连接孔位准确。加工后先试拼，检查有无扭曲现象，接头连接每榀可以互换，沿隧道周边轮廓误差小于3cm。钢架运至现场拼装，安设前进行断面尺寸检查，及时处理欠挖部分，首先测定出线路中线，安装时先确定高程，然后再测定其横向位置。保证钢架正确安设，钢架外侧要留有大于5cm、内侧留有大于3cm的喷射混凝土保护层；安设拱脚或墙脚前清除垫板下的松碴，将钢架置于原状土体上，在软弱地段，采用拱脚下垫钢板的方法。钢架与封闭混凝土之间紧贴，在安设过程中，当钢架与土体间有较大间隙时安设垫块，两榀钢架间沿周边设纵向连接筋，形成纵向连接体系，拱脚高度不够时设置钢板调整，
14、安设到位后再采用锁脚锚管对钢架进行固定，锚管尾部与钢架焊接在一起。2）喷射砼喷射混凝土施工工艺见图26。隧道临时支护和初期支护一般采用喷射砼，施工时均采用湿喷工艺，以减少回弹及粉尘。分二次喷射，以达到设计厚度；初喷厚度35cm，复喷在完成锚杆、钢筋网、型钢钢架安装后进行，一次达到设计厚度。喷射用砼采用带自动计量装置的拌合站拌合，用运料车运至喷射工作面进行喷射。3）钢筋网钢筋网的铺设，在锚杆安装好后进行，铺设质量要求：钢筋网使用前清除锈蚀。钢筋网随受喷面的起伏铺设，与受喷面的间隙为3cm左右。钢筋网的喷砼保护层厚度不小于2cm。钢筋网与锚杆或其他固定装置连接牢固，在喷射砼时钢筋不得晃动。2.6
15、二次衬砌风积砂和含水砂层隧道的二次衬砌宜采用仰拱先行，当条件不具备时，仰拱应及时紧跟，形成封闭的结构体系。待防水层铺设好以后，先施作隧道两侧矮边墙，然后进行拱墙衬砌施工（钢筋砼段按设计要求布置钢筋）。衬砌采用宜全液压衬砌台车进行施工。仰拱及填充正洞仰拱（填充）采用搭设移动式栈桥进行跳槽施工，一次施工长度宜控制在46m。具体操作：先使用挖机清理施工段的大部分底碴，搭设栈桥，栈桥底面高度比已施工的仰拱填充面高20cm左右，然后人工清理隧底、检查断面尺寸及标高合格后及时施作底部自进式中空锚杆，同时安装栈桥的支承墩和仰拱填充砼的端头模板，模板采用钢模，灌筑混凝土。砼集中拌合，泵送砼入模。仰拱全断面一次
16、浇灌完成后，填充砼采取罐车直接运到施工地点卸料浇注，插入式捣固棒进行捣固。拱墙衬砌采用全液压衬砌模板台车。混凝土采用砼罐车运输，输送泵泵送入模，插入式捣固棒进行捣固。二次衬砌施工工艺见图27图27二次衬砌施工工艺框图2.7 监控量测1、监测内容：监测内容包括地表下沉、地层水平位移、隧道拱顶下沉及周边收敛。2、量测频率(1) 地表下沉、地层水平位移、建筑物沉降、倾斜、开裂的量测频率见下表。 地表下沉、地层水平位移量测频率表距掌子面距离5D至变形稳定量测频率1次/天1次/2天2次/周 注：上表中D为隧道开挖宽度。(2) 隧道拱顶下沉及周边收敛的量测频率见下表。 隧道拱顶下沉及周边收敛量测频率表时间
17、15天1530天3090天(至稳定)量测频率1次/天1次/2天2次/周3、监测数据分析处理 监测预报及信息反馈是施工动态管理的核心内容，施工中由专人负责并定期上报，作为指导施工的依据。量测结果：地表最大下沉值2mm，拱顶下沉6mm，收敛值0.20.6mm，均在允许范围内。说明采取的施工方法及辅助措施是恰当的。3 劳动力组织人力配备见表3-1表3-1 主要施工人员表序号工种人数分工1技术员1技术指导2钻工4钻孔作业3领工员1协调工人4专业注浆员2注浆5安全员1安全工作6试验员1试验工作7修理工1机械修理8汽车司机2运土9电焊工2焊接工作10空压机司机1启动、保养空压机11装载机司机2装土4 机具
18、设备配置机械配备见表4-1表4-1 主要机具设备一览表序号机具名称规格或型号单 位数 量1钻孔台车汤姆洛克台12潜孔冲击式钻机MGJ50台13冲击钻机7655台64挖掘机CAT台15装载机侧卸式ZL40台16湿喷机TK961台17搅拌机JZC350台28自卸汽车东风康明斯台59双液注浆泵台210切割机J1G350台211电焊机8X1315台312空压机寿力21m3台113浆液稀释桶0.6m3(自制)个105质量控制要点5.2钻孔布设（1）开钻前，严格按照施工布置图，布好孔位。钻机定位、钻杆角度要准确，开钻前的钻头点位与布孔点之距相差不得大于2cm，钻杆度不得大于1。（2）钢管棚不得侵入隧道开挖
19、线内，相邻钢管不得相撞或交叉；（3）钻进过程中要适时测量斜度，发现误差超限及时进行纠偏，至终孔仍超限者，应退出重钻。5.2管棚安装（1）管棚所用钢管的品种、级别、规格和数量必须符合设计要求。（2）钢管采用丝扣连接，钢管与钢箍丝应上满周围并焊接。隧道同一断面处接头数不大于50，相邻钢管接头至少应错开1m。（3）纵向两组管棚间应有不小于3.0m的水平搭接长度。（4）纵向两组小导管间应有不小于1.0m的水平搭接长度。5.3浆液配合比的控制在施工中要保证浆液原材料的质量，采用准确的计量工具，严格按照设计配方配料施工，需要调整时必须通过试验部门进行优化。压浆时浆液浓度、凝胶时间应符合设计要求，不得随意变
20、更，且配置的水泥浆液应在规定的时间内注完。5.4注浆压力和压注流量的控制注浆压力一定要严格控制，专人操作。每段注浆流量应严格按设计进行，跑浆时，应采取间隔注浆或间歇注浆等措施确保注浆量满足设计要求。5.5三台阶开挖隧道开挖断面的尺寸要符合设计的要求，在围岩较软且围岩压力较大的情况下，围岩变形较大，应根据计算及实测施工数据预留变形量及支撑沉降量，防止出现净空不够的现象。评定标准根据围岩情况和部位确定不同的超、欠挖规定值及允许偏差。在实际施工中，对超、欠挖的检测除了用水准仪、断面仪测量或尺量以外，还可通过比较实际出渣量与设计出渣量、实际衬砌混凝土量与设计衬砌混凝土量的方法来测定，如发现问题，及时查
21、找原因并予以解决。对于超挖地段可用片石填筑并加预注浆管来处理。6安全注意事项6.1钻孔作业施工安全 操作平台搭设和钻机安装要牢固可靠。 掌握好开孔与正常钻进的压力和速度，防止断杆事故。 钻孔中如发生卡钻、斜孔、坍孔等故障，应及时采取措施处理。 进行钻杆装卸时注意与钻机操作手的配合，避免钻杆未装好前启动钻机导致人员受伤。 注意用电安全，安装漏电保护装置。6.2 安装钢管施工安全 安装钢管时,相应工作人员应精力集中,防止钻杆、钢管失手扎伤手脚。 安装钢管时，钻机操作人员和钢管连接人员要保持联系，钢管连接完毕后才通知钻机操作人员启动钻机。6.3浆液的腐蚀性由于水玻璃浆液具有化学腐蚀性，注浆现场操作人
22、员必须佩戴安全帽、防护眼镜、口罩和手套等劳保用品，方可进行注浆施工，防止损伤皮肤与眼睛。6.4注浆压力控制每次注浆前，要认真检查安全阀、压力表的灵敏度，并调整到规定注浆压力位置；安装高压管路和泵头各部件时，各丝扣的联接必须拧紧，确保联接完好；钻机注浆泵及高压管路必须试运转，确认机械性能和各种阀门管路、压力表完好后，方准施工。注浆过程中，禁止现场人员在注浆孔附近停留或正对注浆口，防止密封胶冲式阀门破裂伤人。6.5三台阶开挖 严格按照三台阶施工步序施工，严禁擅自加长台阶长度和宽度，不得随意取消核心土，上一支护未完成，严禁下一步开挖，禁止放炮扰动围岩。 施工过程中每班都必须对强支护体系进行巡查，发现
23、支护变形或损坏，即时整修并报告相关领导。如果险情危急，应果断撤离人员。 火工产品必须专人护送，且在出库、运输、装药和退库过程中专人全过程清点和监护。7 工程实例7.1 工程简介柳梧隧道进口DK2002+602+643段共计41m风积砂地段（其中8米明洞）。隧道地处高原高寒缺氧地区，温差变化较大，常年风砂极大，经过多年积累，山体表面形成风积砂层，厚度为817m，主要为细砂层：（Q4eol4）：浅黄色、砂质纯净，颗粒均匀、松散，自稳坡度1:2.5。风积砂层自稳能力极差，当砂层表面遇水或自稳坡度遭破坏时，砂层会自然流动形成坍塌。施工中综合采用大管棚和锚杆对围岩进行了预加固，有效地防止了围岩的坍塌和沉
24、降。采用短台阶法，预留核心土开挖与支护紧跟的施工方案进行隧道开挖施工。7.2 施工情况7.2.1长大管棚施工管棚施工采用偏心钻具扩孔同步跟管钻进技术。跟管为127450无缝钢管，采用孔径为130的偏心钻具钻进。管棚在工作室分段加工制作，每段150200不等，以便调整接头位置，接头采用螺纹丝口（连接套管）连接，丝口长78cm，为保证接头处的抗弯刚度和抗扭强度，在跟管顶部及底部分别绑焊等强度钢板。7.2.2中空锚杆施工：水平锚杆采用单臂凿岩台车钻进施工。垂直锚杆采用7655型冲击钻机配以活动升降台架钻进施工。7.2.3开挖采用短台阶法开挖，具体分三台阶预留核心土开挖。施工支护采用25自进式中空锚杆
25、超前支护；并配以127mm长管棚支护，管长20m，搭接5m，环向间距0.3m；同时采用16型钢2榀/米及喷射砼进行联合支护。7.3 工程经验（1）由于本地区气候干燥寒冷、温差大，风积砂无稳定性，表面撒水易在夜间结冰。因此，在长大管棚施工前如何很好的封闭工作面，减少喷射砼回弹率，养护喷射砼仍然是今后值得探讨的问题。（2）施工机械选择问题，高原低压缺氧，燃油机械油料燃烧不充分，在条件许可时，应尽量选用电动式机械设备，将会在施工效率上有较大的提高。（3）在施工时，曾有钻头脱落、跟管接管断裂现象。因此，在风积砂地层中施工长大管棚应采用什么样的接管方法，以保证接管具有足够的抗扭和抗弯刚度，是今后仍将探讨的问题。7.4 施工效果施工过程中虽然有过钻头脱落、跟管接管断裂等现象，但总体上讲，由于施工方案可行和措施得力，管棚施工从开钻到全部结束仅用了15天，比原定工期提前近1个月。锚杆注浆固砂效果较好，在施工中取消了原设计的开挖插板，节约了工期和成本。加快了隧道风积砂地段的施工进度，获得了良好的经济和社会效益。锚杆施工图片 大管棚施工图片