超前水平高压旋喷和超前帷幕注浆技术在引水隧洞土洞涌水砂层段的应用

刘 浩

（山西省小浪底引黄工程建设管理局 山西太原 030024）

0 引言

在隧洞施工中传统的超前预加固施工工艺已被广泛应用，如石钰锋等人分析了在浅覆盖、富水砂层的条件下开挖隧道，可采用水平旋喷与管棚注浆并结合台阶法开挖来规避风险的施工措施[1]；张宝永分析了胡麻岭隧道施工过程中的涌水、涌砂问题，采用水平旋喷加固施工措施，对拱顶及周边形成封闭，很好地解决了突涌水的问题[2]。山西省小浪底引黄工程2#隧洞土洞段（52+888～59+590），在承压含水砂层段的施工过程中发现，传统的管棚注浆等超前支护手段效果难以保证，根据现场实际情况并结合专家咨询会的建议和意见，决定采用“超前水平旋喷结合超前帷幕注浆”处理方式，其施工原理为：利用超前水平旋喷桩在开挖轮廓线周边形成止水帷幕墙，并对砂层起到刚性承载支护的作用，利用超前帷幕注浆对地层空隙进行填充止水及加固，并在掌子面前方形成止水帷幕。

1 塌方基本情况

小浪底引黄工程2#隧洞土洞段总长6.702 km，洞身横断面为城门洞形，顶拱、侧墙开挖面全部采用钢架挂网喷锚支护。共有三条支洞，分别为14#、16#、17#。17#支洞主洞控制段上游56+434自2016年9月6日遭遇突涌塌方以来，施工进度近乎停滞。该隧洞附近地层为粉细砂层，地层富水，在水的冲刷渗透下，粉细砂颗粒呈流塑状，含水率极高，具有流动性大，承载力小，稳定性差等特点，开挖时砂体呈流塑状，轻则泥沙溃流，重则发生突泥涌水流砂塌方（见图1、图 2）。

根据地质勘察报告中指出的砂层分布情况，17#支洞控制主洞段上游至16#支洞控制主洞段下游之间剩余隧洞开挖里程存在较长的涌水砂层段，该段水位高程在492～510 m，高于隧洞洞顶9～26 m，地下水位较高，水量较大，尤其是砂层分布于隧洞拱部、砂层较厚时，对围岩稳定及施工开挖影响极大，施工开挖存在涌水、涌砂、突泥等问题。

2 施工工艺

为提高施工效率，减少输浆距离，降低材料损耗，于掌子面附近地表处组建自动化制浆站一处，主要设备为意大利SGM45搅拌机以及7T600J高压泵站。同时为减少冒浆量及弱化高压冲击造成的影响，每循环施工前在掌子面施做C20混凝土止浆墙[3]，喷射厚度不小于50 cm。止浆墙施工前，为减少掌子面出水量对施工造成影响，采用Φ108 mm钢管集中引排。在止浆墙后设置钻机操作平台，长9 m，平台顶面距拱顶5 m，基底采用片石压密，面层采用C25混凝土浇筑，浇筑厚度20 cm，平台右侧可留50 cm不浇筑，作为临时排水沟，平台后方需修建泥浆沉淀池，用于存放旋喷返回浆液，便于出渣。

图1 突涌塌方

1）超前水平高压旋喷

超前水平旋喷桩主要布置在掌子面及开挖轮廓线周边部位，每循环施工长度为15 m，开挖长度10～11 m，预留4～5 m作为搭接（参考施工规范管棚搭接长度不小于3 m，并结合本工程涌水砂层特殊地层考虑）。根据目前56+421.5掌子面砂层现状，共布设111根旋喷桩，其中施工洞身周边100根，掌子面11根。周边水平旋喷桩共布设三环，其中外环及内环旋喷桩在拱部180°范围打设，中环旋喷桩沿开挖面周边全环布设。周边水平旋喷桩在初支内侧向内5 cm进行开孔，桩径 500 mm，外环旋喷桩外插角 5°25′37″，中环旋喷桩外插角 4°17′21″，内环旋喷桩外插角 3°8′53″，外环旋喷桩开孔环向间距为29 cm，中环为28 cm，内环为27 cm，水平旋喷10 m断面处中环拱部旋喷桩环向间距37 cm，咬合13 cm。

在外环拱部180°范围内，待旋喷桩旋喷结束且凝固之后，在旋喷桩内钻孔下Φ76管棚，增强旋喷桩的抗剪能力，同时对Φ76管棚注双液浆进行止水加固，浆液配比：W∶C=（0.8～1）∶1，C∶S=1∶1，注浆压力 1～2MPa；掌子面布设11根Φ500稳定桩，外插角0°，增强开挖面整体稳定性；旋喷体设计抗压强度不小于3 MPa。

图2 泥沙溃流

图3 超前水平旋喷纵剖面图

超前水平旋喷纵剖面图、开孔示意图、断面图分别见图 3、图 4、图 5。

图4 水平旋喷开孔示意图

2）超前帷幕注浆

超前帷幕注浆采用“钻杆后退式分段注浆+集束TSS管注浆工艺”相结合的施工方法，在钻杆后退式分段注浆施工时，采用多功能地质钻机开Φ130 mm孔，钻至设计位置后下入Φ57小钻杆进行后退式注浆，分段长度1 m，后退至设计位置后完成单孔注浆。集束TSS管注浆为先钻设Φ130 mm孔直至终孔，然后下入2～3根Φ42 mmTSS管，通过TSS管进行注浆。根据地质勘察报告，考虑到掌子面前方围岩砂层较多，且地下水丰富，首先在掌子面上台阶部位进行注浆堵水加固，注浆孔布置10个，注浆长度为15 m，相关参数可根据实际情况微调。参考类似涌水涌砂隧道工程，并结合本工程隧洞为土洞的实际情况，采用水泥水玻璃双液浆注浆，双液浆能有效控制注浆范围，减少无效注浆，必要时采用TGRM超细水泥浆液配置或其他化学材料，该浆材具有粒度细，抗分散等特点。浆液配比为 W∶C=（0.8～1）∶1，C∶S=1∶1。注浆结束标准可视实际情况控制，注浆终压为5～8 MPa（由于富水粉细砂层段注浆施工难度大，本方案采用高压注浆施工工艺）。同时，完成注浆后，如发现注浆效果不理想，可补充注浆。

超前帷幕注浆开孔及断面图见图6。

图5 水平旋喷10 m、15 m断面图

图6 超前帷幕注浆开孔及断面图

3）开挖初支

超前水平高压旋喷及超前帷幕注浆施工结束后，采用台阶法并预留核心土进行人工开挖[4]，根据开挖时围岩稳定情况，开挖后可对开挖面进行喷射混凝土支护，厚度5 cm。

由于该洞段为粉细砂软弱地层，需在原初支参数的基础上进行加强，由初期支护的I16型钢拱架间距100 cm调整为50 cm；参考原初支参数，每榀钢架设置8根长3 m的Φ25锁脚锚杆，同时设置Φ8双层钢筋网片，网格间距为15 cm×15 cm；纵向采用Φ25连接筋连接钢架，环向间距调整为0.5 m，喷射厚度为15cm的C20混凝土。为防止钢架收敛变形，底板扩挖20 cm，底板钢支撑及时封闭成环，并浇筑C25混凝土，浇筑厚度20 cm。

土洞段土层较为软弱，易出现初支围岩变形，所以预留10 cm的钢架变形量；为确保开挖施工过程中的安全，上台阶钢架设临时横撑，待下台阶钢架落底成环后再进行拆除。开挖过程中如遇注浆效果薄弱部位，可辅以4.5 m的Ф42超前小导管对拱部软弱部位进行注浆加固。

3 结论

采用超期水平高压旋喷和超前帷幕注浆相结合的施工方法，对土洞段涌水、涌砂、突泥的治理效果明显，很大幅度地提高了围岩承载力，能很好地保证施工质量与施工安全，既对砂层起到刚性承载支护的作用[5]，又起到了较好的止水及加固效果，开挖过程中掌子面渗流量明显减少，周边围岩基本处于干燥状态，局部稍有渗水不影响施工，对类似工程涌水、涌砂、突泥等不良地质段的处理有一定的参考价值。

参考文献：

［1］石钰锋，阳军生，等.超浅覆大断面暗挖隧道下穿富水河道施工风险分析与控制研究［J］.岩土力学，2012，33（增刊 2）：229-234.

［2］张宝永.胡麻岭隧道斜井突水涌砂治理措施研究［J］.兰州交通大学学报，2015，34（1）：23-27.

［3］陈 栋.隧道帷幕注浆堵水加固基岩的施工技术［J］.黑龙江交通科技，2012（7）：90.

［4］孙国庆，殷九荣.水平旋喷加固在富水未成岩粉细砂层中的应用［J］.隧道建设，2012，32（2）：213－217.

［5］林安宁.水平旋喷超前预加固新技术在处理隧道坍塌方中的应用［J］.兰州交通大学学报，2014，33（1）：44－48.