砂质地层斜井进正洞施工技术

申慧涛

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032)



砂质地层斜井进正洞施工技术

申慧涛

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032)

随着长大隧道修建的越来越多，复杂地质条件下斜井施工成为隧道施工必须解决的关键技术问题。万荣隧道2#斜井和正洞交叉处全断面位于厚砂层、自稳性差，根据地质条件，挑顶段分五阶段进行施工，采用水平旋喷桩加固地层，并分别辅以内插无缝钢管、异形拱架支护、增设超前小导管支护等措施，安全、顺利、快速地完成挑顶施工。详细介绍了水平旋喷桩在隧道斜井砂质地层挑顶施工中的应用，为解决复杂地质条件下斜井施工积累了相关经验。

水平旋喷桩；隧道斜井；砂质地层；挑顶施工

1 工程概况

万荣隧道位于山西省运城市万荣县境内，隧道起讫里程为DK555+117～DK562+800，全长7 683 m，为单洞双线隧道，最大埋深约为90.25 m。隧道设5座无轨运输斜井， 2#斜井设计为单车道斜井，位于峨眉台地，地形起伏较大；斜井与正洞左线相交于DK557+150，最大坡度10.5%，承担自身562 m施工任务及正洞735 m施工任务。

1.1 地质情况

2号斜井掌子面地层为浅黄色粉砂，浅黄色粉砂层位较稳定，厚度大，粘粒含量小且未胶结，密实，稍湿，开挖后自稳性差。砂层含水率4.6%，含泥量2.2%，孔隙率为37%。根据超前地质预报资料，斜井和正洞交叉处全断面为砂层，拱顶开挖线上部有至少3 m厚砂层。

1.2 施工情况

2号斜井从 2斜0+65开始全断面均为砂层，针对砂层自稳性差，经四方会商进行了变更，变更参数为：

(1)采用H150格栅与I16型钢钢架交替架设，钢架间距由1 m调整为0.8 m。

(2)拱部、边墙采用∅42 mm超前密排小导管，长度4.0 m，间距20 cm，每两榀施作一环，于型钢钢架处打设。

(3)初支背后空洞及不密实部位及时进行充填注浆。

采用上述变更措施后，超前密排小导管对稳定拱部起到了一定的作用，但因掌子面上无加固措施，稍有扰动，核心土难以保留，仍存在掌子面溜坍和漏砂现象。在此情况下，施工过程中通过在掌子面上打设长4 m的∅42 mm超前小导管和周边间距5 cm、长3.5 m的密排小导管(每榀架施作)，以及在上中台阶拱脚上方30 cm高度位置按纵向间距10 cm打设径向小导管(L=4 m)。通过增加以上措施，有效的控制了掌子面砂层溜坍，确保了施工安全。

2 斜井砂质地层挑顶施工技术

2.1 施工方案

根据实际揭示地质情况，为确保安全，采用水平旋喷桩加固地层后进行挑顶施工。挑顶采用横向爬坡导洞法，爬坡起点为2斜0+18处，至交叉口时斜井拱顶标高与正洞拱顶标高一致，导洞采用交叉口断面宽度。挑顶段施工分五阶段进行,见图1所示。

图1 斜井挑顶步骤示意图(单位：cm)

2.2 施工方法

2.2.1 第一阶段施工(2斜0+18～2斜0+09)

本段位于挑顶过渡段中，施工坡度33.7%，为确保施工安全，采用水平旋喷桩预加固。施工前，先将中台阶与上台阶基本平齐(跟至1～2榀拱架)。旋喷范围：上、中台阶周边及掌子面正面，纵向长10 m，见图2。

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图2 第一阶段旋喷加固(单位：cm)

旋喷施工采用TY400T多功能钻机，周边桩桩径600 mm，桩间距400 mm，外插角结合坡度设置，一般为9～11°。为提高水平旋喷桩抗剪强度，拱部范围旋喷桩内插∅89 mm无缝钢管进行超前预加固，∅89 mm无缝钢管环向间距80 cm，长度同旋喷桩长。水平旋喷桩加固地层，环形布置，间距1.2 m。旋喷按照“先周边，后掌子面”顺序进行加固，周边按照每次间隔1个孔位从下到上或左右交替进行跳跃式成桩。开挖长度9 m，开挖范围为2斜0+18～2斜0+09，开挖方法采用三台阶法，上、中台阶尽量紧跟，下台阶可适当拉开，便于湿喷机械手作业。支护参数：①采用I16型钢钢架，钢架间距由1 m调整为0.8 m。②拱部、边墙采用∅42 mm超前小导管，长度4.0 m，间距10 cm，每两榀施作一环，于型钢钢架处打设。③初支背后空洞及不密实部位及时进行充填注浆[1-3]。

2.2.2 第二阶段施工(2斜0+09～与正洞交叉口处)

继续以33.7%的坡度向交叉口处爬坡施工，施工前先对交叉口部位进行旋喷加固。本段加固范围为不规则体，旋喷加固角度较难控制，特别是正洞小里程侧控制尤为困难。针对此种情况，靠正洞小里程侧加固时，桩间距适当调小，避免因角度发散造成的桩体不咬合。旋喷范围：上、中台阶周边及掌子面正面，纵向加固长度9.54 m，线左9.8 m向线右11 m。具体加固范围见图3、图4。

图3 第二阶段旋喷加固范围(单位：cm)

图4 第二阶段旋喷加固(单位：cm)

根据本次加固范围呈发散性的情况，为保证终孔位置旋喷桩能够咬合，周边桩间距线左采用400 mm、线右采用300 mm，桩径600 mm，外插角结合坡度设置，一般为9～13°；为提高水平旋喷桩抗剪强度，拱部范围旋喷桩内插∅89 mm无缝钢管。本次开挖至于正洞相交处，采用异形断面，断面逐渐加大、加高至交叉口处断面。开挖方法采用三台阶法，上、中台阶尽量紧跟，下台阶可适当拉开，便于湿喷机械手作业。

支护参数：①采用I20异型钢钢架架设，钢架间距线左80 cm，线右40 cm，共设置异形钢架10榀。②拱部、边墙采用∅42 mm超前密排小导管，长度3 m，间距10 cm，每榀施作。异形拱架如图5所示。

2.2.3 第三阶段施工(正洞导洞、加强环施工)。

采用交叉口断面以22.7%的坡度垂直正洞施工。施工前通过交叉口对正洞需开棚洞部位进行水平旋喷加固。旋喷范围：上、中台阶周边及交叉口正面，纵向14 m，加固宽度14.1 m，加固高度超出正洞拱顶1 m。旋喷加固横、纵断面见图6。

图5 第二阶段异形拱架(单位：cm)

图6 第三阶段旋喷加固横、纵断面示意图(单位：cm)

加固完成后，采用横向爬坡导洞法施工，垂直正洞线路方向向正洞拱顶爬坡施工，爬坡至正洞中线时，拱顶标高超出正洞拱顶设计标高1 m，然后平坡施工导洞至正洞右边墙位置，见图7。

图7 第三阶段横向导洞横、纵断面示意图(单位：cm)

施工顺序：①横向导洞施工至正洞右侧边墙位置时，上、下台阶尽量跟齐，及时封闭导洞掌子面；②对初支背后不密实部位进行注浆填充。③斜井落底，接长斜井钢架至设计标高并及时施作底板混凝土(靠近正洞边墙处1 m范围暂不施作)。④施作交叉口处套拱及纵向托梁，套拱及纵向托梁采用3榀I25型钢钢架并排设置。⑤施作交叉口剩余1 m范围的底板混凝土，使加强环生根。⑥施作交叉口5 m范围内的斜井衬砌。⑦导洞内安装正洞上导拱架，预留变形量30 cm，及时喷射混凝土封闭并回填超挖部分。⑧正洞线路右侧拱脚锁脚施工，锁脚采用6 m长∅600 mm锁脚旋喷桩内插∅89 mm钢管。施工顺序见图8。

图8 第三阶段施工顺序示意图

2.2.4 第四阶段施工(大里程方向)

加强环及交叉口正洞初期支护施工完成后，开始向正洞大里程方向转序施工。首先利用棚洞空间，采用SM14旋喷设备对大里程方向进行旋喷作业，考虑棚洞空间问题，旋喷桩拱部外插角较大。为确保旋喷效果，保证开挖安全，大里程方向分两次旋喷、开挖。第1次旋喷8 m，开挖5 m；第2次旋喷13 m，开挖10m。为提高水平旋喷桩抗剪强度，拱部范围旋喷桩内插∅89 mm无缝钢管。

旋喷范围：正洞上台阶周边及正洞大里程掌子面正面，纵向14 m。旋喷加固横、纵断面见图9、图10。

图9 第四阶段旋喷加固(长度8 m)横、纵断面示意图(单位：cm)

图10 第四阶段旋喷加固(长度13 m)横、纵断面示意图(单位：cm)

加固完成后，拆除大里程侧导洞拱架，按正洞正常断面施工，所有支护参数采用设计参数。

初期支护：全环H230格栅钢架，间距0.6 m/榀；喷射砼为网喷C25砼，厚度27 cm；全环设∅8 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm。

但因受导洞空间制约，拱部部分旋喷桩角度可能较大，咬合效果较差，施工过程中增设∅42 mm拱部超前小导管，避免漏砂现象发生。

2.2.5 第五阶段施工(小里程方向)

待大里程方向施工15 m完成后，采用同样的方法向小里程方向施工，施工距离控制在10 m。待小里程侧10 m范围初期支护完成后，转入正洞工序施工，计划先施工正洞大里程方向。

3 旋喷桩施工

采用TY400T多功能钻机施工。主要施工参数：钻杆平均钻进速度0.20～0.30 m/min；钻进压力5～10 MPa；水泥浆配合比W∶C=0.8∶1～1∶1；每延米水泥用量75～100 kg；旋喷压力18～25 MPa。具体施工为：

(1)施工准备。整平工作平台，封闭上下台阶掌子面，喷混凝土厚不小于20 cm；精确放样，测定孔位；设备进场，钻机、注浆泵、搅拌桶有序就位；搭设倒水泥工作平台；检查钻机、注浆泵、搅拌设备，试运行。

(2)浆液配置。浆液配置采用JS1200型搅拌机和JS500型搅拌桶。 JS1200型搅拌桶第1次搅拌； JS500型搅拌桶第2次搅拌；每次搅拌时间不得少于3 min，水泥浆从JS1200型搅拌桶倒入JS500型搅拌桶二次搅拌时，要经筛过滤；二次搅拌桶应不停搅拌，以防止浆液沉淀离析、出浆口堵塞；吸浆管应装滤网，防止堵塞管道。

(3)钻孔及旋喷。按照“先周边、后掌子面”的顺序进行旋喷施工，周边按照每次间隔一孔，孔位从下到上，左、右交替进行。跳跃式成桩，两边强度平衡，可以减少因钻杆偏移造成桩间咬合率低的问题。钻孔定位要准确。按设计外插角，分孔计算每根桩的偏角和仰角，利用三维坐标，使钻机精确定位。开孔时慢进，钻进1 m后按正常速度钻至设计深度，当浆液从喷嘴喷出并达到设计压力后开始旋喷，桩前端原地旋喷不小于30 s。严格控制旋喷时的旋转速度和提升速度，其提升速度应小于250 mm/min。桩前端受外插角的影响，咬合效果差，应适当加大旋喷压力或降低喷嘴的旋转提升速度。

(4)卡钻、埋钻、冒浆处理。为防止卡钻、埋钻，钻进过程中采用带浆作业，利用浆液形成浆液护壁，同时控制回次进尺，回次进尺宜为0.3～1.0 m，采取轻压、低转速和大泵量。钻进参数可为钻进压力2～6 MPa、转速20～120 r/min、泵量140～200 L/min。根据经验，冒浆量小于注浆量20%～30%为正常现象。若冒浆量较多或者不冒浆时，应查明原因并及时采取措施；当旋喷流量不变而压力突然下降时，应检查各部位的泄露情况，必要时拔出注浆管检查密封性能。出现不冒浆或断续冒浆时，若系土质松散则视为正常现象，可适当进行复喷。若系附近有空洞，则可继续注浆或拔出注浆管待浆液凝固后重新注浆至冒浆为止。

4 监控量测

隧道典型地段监测结果见图11，初期支护与二衬的变形均已收敛，表明隧道变形已得到控制，采用的施工方法是成功的。

图11 隧道变形监测结果

5 施工注意事项

(1)采用信息化施工。斜井与正洞掌子面施工时，应设专人值班，随时观察围岩及支护状态的稳定性；隧道开挖后，立即对工作面附近围岩情况、节理发育程度、接触面充填物的性质，开挖面稳定状态及开挖面有无松散坍塌剥落现象、有无地下水等现象进行观察；初期支护完成后，对初期支护喷射混凝土是否产生裂缝、剥离和剪切破坏，钢拱架支撑有无被压弯曲现象等进行观察；对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，通过对观察和量测数据成果分析，及时掌握围岩及支护的动态状况，以便采取有效措施，并及时调整支护参数。

(2)交叉口段斜井衬砌应及早施作；围岩情况较差时，在开挖过程中，尽量减少挖掘机对隧道边沿的开挖，应采用人工铁锹对隧道周边进行修整，减少对围岩的扰动，避免侧壁或拱顶掉块现象。隧道拱墙脚严禁被水浸泡。开挖完毕后，应尽早对围岩进行支护封闭，减少围岩暴露的时间。

6 结束语

万荣隧道2#斜井与正洞交叉口处，地层为砂层，通过施工实践，安全顺利地完成了地层挑顶施工，以最短的时间、最快的速度完成了向正洞的转序作业，快速形成正洞施工能力，确保挑顶施工中的安全和质量。表明采用水平旋喷桩加固砂质地层隧道斜井的挑顶施工方法是成功的。

[1]李 本.大断面黄土隧道斜井进入正洞的挑顶施工技术[J].铁道建筑技术,2008(3):51-55

[2]付国宏. 7号斜井进正洞挑顶施工技术[J].铁道标准设计,2005(9):21-25

[3]闫志刚.鹰鹞山隧道斜井进正洞挑顶施工技术[J].铁道建筑,2009(11):33-38

Construction Techniques for an Inclined Shaft Leading into the Tunnel

SHEN Huitao

(The 2nd Engineering Co. Ltd. of the 12th Bureau Group of China Railway,Taiyuan 030032,China)

As more and more large and long tunnels are built,the construction of inclined shafts in complex geological conditions becomes one of the key technical problems in the tunnel construction that have to be solved.As the whole cross section of the junction of the Second Inclined Shaft and the very tunnel is located in a thick sand stratum,which is very poor in self-stability, the construction of the top-picking section there is performed in five phases,with horizontal rotary jet grouting piles used for strengthening the stratum, and seamless steel tubes internally inserted and irregular-shaped arch brackets provided to support,advanced small guide tubes added and other technical measures taken to support.With all the above-mentioned technical measures taken for the construction of the project,the top-picking construction is safely,smoothly and quickly completed.The application of the horizontal rotary jet grouting pile to the top-picking construction for the tunnel in sandy strata is dealt with in detail in the paper,which provides corresponding experience for the construction of inclined shafts in complex geological conditions.

horizontal jet grouting pile;inclined shafts of a tunnel;sandy stratum;ripping construction

2016-04-22

申慧涛(1984—)，男，工程师，主要从事桥梁与隧道施工及技术管理工作。zh2015w@126.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.016

U455.4

B

1672-3953(2016)05-0057-06