饱和黄土隧道勘察与处理

第55卷第9期2019年9月GANSUWATERRESOURCESANDHYDROPOWERTECHNOLOGY甘肃水利水电技术Vol.55，No.9Sep.，2019DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2019.09.014饱和黄土隧道勘察与处理熊敏才（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043）摘要：饱和黄土由于土体中含水率较高，具有承载力低、稳定性差等特点，隧道开挖时易出现掌子面失稳、拱顶下沉等情况。以宝兰客专上庄斜井饱和黄土段落为例， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了饱和黄土分布的范围，同时介绍了“帷幕注浆加固、管棚支护”的施工方法，可为同类地层隧道开挖施工提供参考。关键词：宝兰客专上庄隧道；饱和黄土隧道；帷幕注浆；管棚支护中图分类号：U455.49文献标志码：B文章编号：2095-0144（2019）09-0045-04收稿日期：2019-09-16作者简介：熊敏才（1965-），男，安徽人，助理工程师，主要从事工程地质与水文地质勘察，E-mail：252063011@qq.com。1前言黄土具多孔隙，垂直节理发育，在干燥时土体较坚硬，稳定性较好，而随着含水率的逐步增大，土体逐渐软化，当黄土含水率大到一定程度的时候，土体工程性质会发生很大的变化，成为饱和黄土，具有承载力低、自稳性差等特点[1-5]。因此，黄土隧道具有极高的施工风险。本文通过对宝兰客运专线上庄隧道斜井通过饱和黄土段的勘察、设计及施工进行分析总结，以期为同类地层隧道开挖施工提供参考。2工程概况宝兰客专上庄隧道位于兰州市榆中县甘草店镇。隧道起止里程DK979+425～DK983+440，全长4015m。隧道为单洞双线隧道，最大埋深203m。隧道斜井位于甘草店镇阳山村一冲沟内，与线路正线相交里程为DK980+700，交角约48°。斜井长度约371.71m，综合坡降9.12%，为增加隧道开挖面、缩短隧道工期而设置。斜井于2013年3月底开始施工，并于4月8日开始进洞。3斜井掌子面失稳及原因分析2013年5月6日当斜井开挖至32m时，仰拱基底出现渗水现象，并随着掌子面的推进，渗水位置逐渐上升，隧道洞底开始局部积水。6月8日，掌子面施工至XK2+37时，整个掌子面均出现渗水现象，土体呈软塑-流塑状态，同时，该里程处监控量测点下沉量逐渐变大，至6月10日累计下沉量达到1020mm。掌子面出现拱顶整体开裂下沉，随即掌子面挤出位移加剧。为防止隧道掌子面进一步下沉，稳定洞壁，于6月11日开始在XK2+40位置进行管棚施工，采用2榀I20a工字钢作导向墙，打设长9m直径ϕ108mm大管棚，其中环向间距30cm，同时喷射45cm厚C25混凝土做复拱，管棚施作后开始换拱。在XK2+38位置施做第二段管棚，与前段管棚搭接5m。但管棚的施作并没有阻止隧道上拱的下沉及掌子面的失稳，从6月15日开始，XK2+37至掌子面段再次发生下沉（图1～2）。斜井地处黄土梁峁区的黄土沟内，黄土冲沟在水流切割侵蚀作用下阶地发育，阶地两侧为黄土梁。斜井进口位于冲沟底部，洞身经过区域主要为监测时长/h010203040506070020040060080010001200累积沉降量/mm049861381872573393751020405图1XK2+37里程监测点沉降量变化··45黄土冲沟的二级阶地，地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 覆盖厚50～60m的第四系上更新统冲积砂质黄土（Q3al），下覆厚30～40m的第四系中更新统风积黏质黄土（Q2eol），底部为第三系上新统泥岩（N2Ms）。从地形上，该区域为易于汇水区域，并且下部泥岩为隔水层，地下水易于在岩、土界面富集。斜井掌子面开挖至XK2+37位置，地下水位位于洞顶位置，洞身处于地下水起伏范围内，土体长期处于饱水、失水交替状态，土体易于软化。斜井开挖至此时，黄土饱水并软化，呈流塑-软塑状，物理力学强度较低，湿陷量很大，致使隧道掌子面出现下沉、开裂、失稳等现象。4影响段落分析为查明斜井隧道掌子面饱和黄土的厚度以及对斜井的影响范围，主要采用现场调查、钻探、静力触探、地质雷达、红外探水及室内试验等多种方法对斜井掌子面前方饱和黄土进行分析判断。4.1现场调查情况根据现场对掌子面开挖地层情况的监控以及目前掌子面土体状态的调查，掌子面位于里程XK2+36，土体含水率为20%～25%，呈流塑状，整个掌子面渗水，地下水位于掌子面顶部上方，地下水水位高程为1933～1938m。掌子面整体渗水，水量约50m3/d。4.2钻探结果在掌子面前方约30m位置地表布置了1个钻孔（SZXJZ-1#），根据钻探揭示，地下水位埋深约36m，高程约为1946.326m。土体塑性状态与地下水位的分布关系密切，地下水位附近（地下水位以上1m至地下水位以下5m，高程1947～1951m）土体呈软塑-流塑状，含水率一般大于18%，土体液性指数介于0.5～1之间，个别土样液性指数大于1；地下水位以下5～20m（高程1951～1936m）范围内土体呈软塑-硬塑状，含水率一般为15%～20%，液性指数介于0.3～0.7之间；地下水位以下20m外（高程小于1936m），土体呈硬塑状，含水率一般小于15%，土体液性指数一般介于0～0.5之间。4.3静力触探通过在掌子面附近进行静力触探，探明基底下部土层情况。根据静力触探结果，基底以下0～3.3m为软弱层，贯入阻力Ps值为190～1080kPa，基地承载力为26～89kPa；3.3～4.3m为硬夹层，贯入阻力Ps值为4430～8035kPa，基地承载力为257～310kPa。4.3～5.4m，贯入阻力Ps值为2480～3407kPa；基地承载力为159～205kPa。4.4地质雷达根据地质雷达物探资料，XK2+36～XK2+32段雷达信号反射波能量较强，有明显物性异常，推断该段围岩工程地质条件相对掌子面（XK2+36）变差。4.5红外探水根据在掌子面红外探水的物探资料，XK2+76～XK2+36左边墙脚、左拱腰岩体含水量逐步减小；拱顶、右拱腰、右边墙脚、底中土体含水量逐步增加，掌子面左侧含水量大于右侧。综合分析洞身及掌子面红外探测曲线并结合地质资料推断：掌子面前方10m范围内黄土含水量较当前掌子面高。4.6影响段落划分根据调查、钻探、现场测试及物探结果分析，地下水位附近的土体呈流塑-软塑状态，影响范围5～6m，随着深度的增加，土体含水率有下降趋势，土体逐渐呈硬塑状态。掌子面前方地质情况较差，含水率相对较高，围岩情况与目前掌子面情况基本一致；但目前掌子面底部0～4m为软弱层，承载力低，4～5m有一硬夹层，承载力相对较高；5m以下承载力达到150kPa以上，并随着深度的增加，承载力逐渐增加。图2管棚施作后斜井掌子面失稳下沉2019年第9期甘肃水利水电技术第55卷··46根据斜井坡降及地下水位变化趋势分析，斜井掌子面前进约30m后土体塑性状态将逐渐由流塑状变为软塑状，土体物理力学性质将变好。因此，该区域软塑层土体对斜井的影响长度约为30m。5处理方案研究按照“帷幕注浆加固、管棚支护”的原则，首先施做全断面帷幕注浆，之后管棚支护，进行饱和黄土段处理。5.1帷幕注浆由于该段落地层已经被扰动，且有三层管棚侵入开挖轮廓线，因此，有边界条件下浆液扩散控制及穿越管棚钻孔是该方案的重要控制点及难点[6]。根据调查情况，确定加固长度为30m，加固范围为XK2+36～XK2+06段，采用KR909-1多功能地质钻机对大变形段处进行加强注浆，终孔位置在开挖轮廓线外5m，浆液扩散距离1.5m，共计布设注浆孔69个。每段注浆长度20m，开挖15m，预留5m不开挖做为下循环止浆岩盘[6]。帷幕注浆孔位布置图及注浆孔纵向布置如图3、图4所示。注浆材料以普通水泥-水玻璃双液浆为主，普通水泥单液浆为辅。普通水泥-水玻璃双液浆水灰比为（0.8～1）∶1，体积比为1∶1；普通水泥单液浆水灰比为（0.6～1）∶1。注浆顺序按“由外到内、由下到上、间隔跳孔”的原则进行，以达到控域注浆，挤密加固的目的。5.2管棚支护拱部180°范围内沿开挖轮廓线布置超前大管棚。纵向长20m，沿开挖轮廓线环向布置，开孔环向间距30cm，外插角5°～7°，共布设39根管棚，管棚孔可兼作上断面补充注浆孔[6]。管棚布置如图5所示。大管棚采用内径ϕ108mm，壁厚5mm热轧无缝钢管加工，每节长9m，沿管壁布设4排ϕ6mm对称溢浆孔，梅花形布设，孔间距50cm，每根管棚末端2m不布设溢浆孔，前端加工成椎形尖端并封闭。采用ϕ89mm、壁厚5mm热轧无缝钢管套入ϕ108mm第三环第四环第二环第五环第一环开挖轮廓线11010080801001005067图3全断面帷幕注浆孔位布置图4注浆孔纵向布置示意图隧道内轮廓线C30砼土浆墙第2环第1环第3环第4环第5环第4环第3环第2环第1环5m加固圈线10m2.3m开挖15m预留5m不开挖单循环注浆段长20m2.5m2.5m2.7m2.7m2.5m2.5mϕ108管棚间距30cm井底图5拱部180°管棚布置示意图第9期熊敏才：饱和黄土隧道勘察与处理第55卷··47管棚，焊接连接顶入孔内。管棚安设完成后进行全孔一次性注浆[6]。5.3加固效果施作完成后，对掌子面进行开挖，开挖揭示注浆后土体坚硬，围岩稳定（图6），说明注浆有效地使扰动的饱和黄土固结，使得饱和黄土具有一定的抗压能力，同时，超前大管棚能够提高胶结体的承载能力，保证隧道开挖及结构安全。6结论黄土地区，受地下水的影响，地下水位附近黄土极可能饱和，其含水率一般大于28%，土体呈流塑-软塑状态，其承载力低，土体自稳性差，隧道开挖易出现掌子面失稳、仰拱下沉、甚至坍塌、冒顶等风险。帷幕注浆加固法能有效地对饱和黄土进行固结处理，改变饱和黄土的物理力学性质，使之具有一定的自稳性，加强了饱和黄土隧道围岩的稳定性，同时，采用管棚支护的方式，对隧道围岩四周土体进一步加固，确保隧道开挖及结构安全。“帷幕注浆加固、管棚支护”用于处理饱和黄土隧道是一种行之有效的方法，可为同类地层中的遂道开挖提供借鉴。参考文献：［1］工程地质手册编委会.工程地质手册[M].北京：中国建筑出版社，2007：418.［2］铁路工程地质原位测试规程：TB10018-2003[S].［3］中华人民共和国铁道部.铁路隧道超前地质预报技术 指南 验证指南下载验证指南下载验证指南下载星度指南下载审查指南PDF （铁建设[2008]105号）[Z].北京：中国铁道出版社，2008.［4］铁路工程地质勘察规范：TB10012-2007[S].［5］铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999：282.［6］赵玉印.黄土隧道富水围岩帷幕注浆施工技术[J].四川水泥，2016，23（10）：38-39.图6帷幕注浆后开挖断面􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍􀥍地面高程1924.80m与发电机层平，布置主变及尾水门机，净高11.7m；上层为电缆层，高5.5m。主变室右端与主交通洞连接；左端上层与出线洞连接，可兼作交通洞。电缆层地面高程1936.30m，左端接出线洞，高压电缆由出线洞引出至开关站。小孤山水电站的110kV主变压器和110kV电缆布置在不同层，层高相差5.5m，110kV电缆布置在主变上方，为了减少厂房开挖量和便于设备布置，使得110kV电缆终端盒只能倒置布置安装，这就要求110kV电缆终端盒只能采用干式、重量轻且能够有一定的弯曲度，取消了油/油套管或油/气套管，终端为干式结构，无需加任何绝缘浇注剂，不存在应预制应力锥浸泡在绝缘浇注剂而加快应力锥老化的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，提高应力锥的使用寿命，而且避免电缆终端盒在运行过程中出现泄漏等问题，便于110kV电缆和110kV电缆终端盒的安装和敷设。5结语由于小孤山水电站为地下厂房，主厂房及副厂房空间狭窄，在满足国家规程规范的前提下。为了减少土建开挖工程量，节省项目投资，对机电设备的布置就提出了更高的要求。110kV干式柔性电缆终端盒重量较小，便于运输和安装；节省了大量资金和设备布置工程量，更有利于水电站的可靠运行。参考文献：［1］水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册（电气一次）[K].北京：水利电力出版社出版，1982.［2］水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册（电气一次部分）[K].北京：中国电力出版社出版，1989.［3］甘肃省水利水电勘测设计研究院.甘肃省黑河大孤山水电站工程初步设计 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 [R].兰州：甘肃省水利水电勘测设计研究院，2004.［4］甘肃省电力设计院.小孤山水电站接入系统设计报告[R].兰州：甘肃省电力设计院，2003.［5］额定电压30kV（Um=36kV）至150kV（Um=170kV）的挤压：IEC60840-2004[S].［6］额定电压110kV交联聚乙烯绝缘——电力电缆及其附件：GB/T11017.1-2002[S].（上接第17页）2019年第9期甘肃水利水电技术第55卷··48