一种隧道洞身通过黄土分界面富水地层施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种隧道洞身通过黄土分界面富水地层施工方法。

背景技术：

近年来，我国的基础设施建设得到了飞速发展。随着国内高铁和西部大开发建设的加快，近年来在甘肃、山西、陕西、内蒙和青海等省市大量修建铁路和公路，这些地区具有共同的地质特性-黄土地层，黄土是最新的第四纪时期形成的土状堆积物，所以其性质比较疏松、特殊，典型的黄土为黄灰色或棕黄色的尘土和粉沙细粒组成，质地均匀，以手搓之易成粉末，含多量钙质或黄土结核，多孔隙，有显著的垂直节理，无层理，在干燥时较坚硬，易被流水浸湿，通常容易剥落和遭受侵蚀，甚至发生坍陷。所以在黄土地层进行各种工程建设时，如果对黄土的特性不了解，往往会给工程带来严重的损失和破坏，特别是在设置隧道工程通过黄土地层时，隧道洞身通过黄土分界面地层，极易遇到黄土分界面富水，导致突泥、突水、大变形和坍塌等安全风险。由于工程线路建设受到地形和环境的限制，不可避免地要修建大量的隧道经过黄土地层，所以，如何有效避免发生突泥、突水、大变形和坍塌等安全风险成为修建黄土隧道的一大关键技术。

黄土隧道洞身通过富水砂层和黏质黄土界面软弱地层，尤其是富水砂质黄土层和不透水泥岩地层之间形成饱水区，饱水黄土地层软化，隧道开挖极易形成突水、突泥、掌子面坍塌失稳、整体下沉变形，导致侵限等问题，传统的施工方法采用三台阶法开挖，但是采用三台阶法施工存在沉降变形过大的问题，过大的沉降变形极易引发安全和质量风险，而且采用三台阶法难以控制沉降变形，施工效率比较低下，同时，由于传统的施工方法无法对不能自稳的地质采取有效措施，导致施工开挖时掌子面砂层突涌、坍塌，增加了建设成本，无法有效防止黄土分界面富水地层产生过大整体下沉变形破坏。

技术实现要素：

本发明的目的在于：在使用传统的三台阶法开挖黄土隧道时，存在的难以控制沉降变形，施工效率低下，以及无法控制掌子面位移所导致的坍塌问题，提供了一种隧道洞身通过黄土分界面富水地层的施工方法，通过分析黄土分界面含水率和掌子面地层稳定性，采用分界面富水地层超前注浆和四台阶带临时横撑的施工方法，有效抑制隧道富水分界地层掌子面突泥、坍塌，为开挖创造条件，采用的四台阶带临时横撑方法有效防止隧道洞身通过黄土分界面富水地层产生过大整体下沉变形破坏，对类似黄土地层隧道工程设计和施工具有非常重要的指导意义。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种隧道洞身通过黄土分界面富水地层施工方法，具体采用以下步骤：

a、调查、分析隧道洞身通过的地质情况；

b、采用钻孔的方式，对掌子面前方的地质情况进行预报、分析；

c、根据隧道掌子面稳定性情况制定针对性方案，确定是否采用超前深孔帷幕注浆；

d、按设计要求施作超前支护，然后采用四台阶带临时横撑的施工方法进行开挖；

e、对四台阶中拱部上台阶环形开挖预留核心土，并施作拱部初期支护；

f、对隧道上部四台阶中的第二台阶预留核心土开挖并及时支护；

g、对隧道中部四台阶中的第三台阶预留核心土开挖并及时支护；

h、对隧道下部四台阶中的第四台阶预留核心土开挖并及时支护；

i、隧道仰拱开挖支护；

j、施作隧道仰拱衬砌。

采取上述方式，首先进行地质调查分析，根据隧道洞身通过黄土分界面富水地层掌子面稳定性、含水率确定超前支护方法，采用四台阶带临时横撑施工使隧道洞身快速封闭成环，有效抑制黄土隧道竖向位移和坍塌，为开挖创造条件，同时，采用留核心土开挖方法，抑制了掌子面位移，有效防止了黄土分界面富水地层产生过大整体下沉变形破坏，大幅度提高了施工效率，降低了施工成本。

优选的，在步骤b中，对掌子面前方的地质情况预报、分析包括探明黏质黄土与砂质黄土的分界面、砂质黄土与泥岩的分界面、砂质黄土分层厚度、分界面富水情况、地下水情况、黄土地层含水率和掌子面围岩稳定性情况。只有通过对掌子面前方的地质情况进行全面、正确的分析后，才能有针对性地制定技术方案，有效降低或避免因地质情况不明所导致的突泥、突水、大变形或坍塌风险，避免出现返工，有效提高施工效率，降低建设成本。

优选的，在步骤c中，所述针对性方案为根据隧道掌子面附近围岩稳定性确定是否采用超前深孔帷幕注浆，具体包括以下三个方面：

c1、隧道洞身通过黏质黄土分界面土体含水率大于28%时，土体呈饱和流塑状，掌子面无自稳能力时，采用超前帷幕注浆预加固，稳定掌子面，采用四台阶带临时横撑施工；

c2、隧道洞身通过黏质黄土夹多层细砂，细砂层总厚大于3m或出水量大于60m³/d时，围岩无自稳能力，易流沙、涌泥，采取拱部超前帷幕注浆分段预加固，稳定掌子面，采用四台阶带临时横撑施工；

c3、掌子面能够自稳时，进入d步骤。

采取上述方式，根据隧道掌子面附近围岩稳定性确定是否采用超前深孔帷幕注浆，在有效防止施工开挖时掌子面出现砂层突涌、坍塌风险的同时，避免增加不必要的工作量，确保在掌子面不能自稳时才采用超前深孔帷幕注浆进行加固，防止增加额外工作量导致施工效率低下并增大成本的问题。

优选的，在步骤c1或c2中，采取超前帷幕注浆时，在掌子面设3m厚混凝土止浆墙，止浆墙堪入周边围岩至少1m，劈裂注浆的压力为4～6MPa，单次分段注浆长度与隧道洞身截面直径对应。采取这种方式，有效保证超前帷幕注浆发挥加固功能，防止掌子面出现流砂、突泥和溜坍的风险。

优选的，在步骤e中，拱部开挖时保留中部核心土，所留土体面积大于拱部第一台阶开挖面积的60%，施作拱部初期支护的同时，在第一台阶底部设置临时型钢支撑，使开挖分区能及时封闭成环。采取这种方式，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险。

优选的，在步骤f中，开挖时，拱部第一台阶开挖进尺大于5m后逐步开挖第二台阶，台阶高度小于3m，开挖循环进尺长度小于或等于2榀钢架间距，钢架之间设置纵向拱架连接器，并根据围岩变形速率增设缩脚锚管。采取这种方式，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险。

优选的，在步骤g中，开挖时，拱部第二台阶开挖进尺大于5m后逐步开挖第三台阶，台阶高度小于3m，开挖循环进尺长度小于或等于2榀钢架间距，钢架之间设置纵向连接钢筋，并根据围岩变形速率增设缩脚锚管。采取这种方式，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险。

优选的，在步骤h中，开挖时，拱部第三台阶开挖进尺大于5m后逐步开挖第四台阶，且开挖循环进尺长度小于或等于2榀钢架间距，钢架之间设置纵向连接钢筋，并根据围岩变形速率增设缩脚锚管。采取这种方式，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险。

优选的，在步骤i中，隧道仰拱开挖循环长度小于或等于3m，开挖后及时施作仰拱初期支护并封闭成环。采取这种方式，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险，确保仰拱基底承载力满足设计要求。

优选的，在步骤j中，隧道仰拱开挖初期支护封闭成环后，采用仰拱移动模板整体浇筑仰拱衬砌混凝土。采取这种方式，使分段长度与衬砌台车长度保持一致，仰拱混凝土分段环向施工缝与拱墙混凝土环向施工缝保持在统一位置，防止不均匀沉降变形导致衬砌混凝土开裂。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、采取先进行地质调查分析，然后根据隧道洞身通过黄土分界面富水地层掌子面稳定性、含水率确定超前支护方法，最后采用四台阶带临时横撑施工使隧道洞身快速封闭成环的方式，有效抑制黄土隧道竖向位移，为开挖创造条件，同时，采用留核心土开挖方法，抑制了掌子面位移，有效防止黄土分界面富水地层产生过大整体下沉变形破坏，大幅度提高了施工效率，降低了施工成本；

2、根据隧道掌子面附近围岩稳定性确定是否采用超前深孔帷幕注浆，在有效防止施工开挖时掌子面出现砂层突涌、坍塌风险的同时，避免增加不必要的工作量，确保在掌子面不能自稳时才采用超前深孔帷幕注浆进行加固，防止增加额外工作量导致施工效率低下、增加成本的问题；

3、采取四台阶的方法对隧道洞身进行开挖施工的方法，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险；

4、采取严格控制隧道仰拱开挖循环长度的距离，并在开挖后及时施作仰拱初期支护并封闭成环的方式，使黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险，确保仰拱基底承载力应满足设计要求。

附图说明：

图1为本发明的流程结构示意图。

图2为隧道洞身通过富水分界面地层掌子面无法自稳分界面以上地层超前预注浆加固止浆墙的结构示意图。

图3为隧道洞身通过富水分界面地层掌子面无法自稳分界面以上地层超前预注浆加固的结构示意图。

图4为隧道洞身通过富水分界面地层掌子面无法自稳分界面以上地层超前预注浆加固纵断面的结构示意图。

图5为隧道洞身通过富水分界面四台阶的结构示意图。

图6为图5中沿A-A线的剖视图。

图中标记：1-止浆墙，2-注浆导管，3-加固圈范围，4-设计开挖轮廓线，5-实际开挖轮廓线，7-注浆孔，71-A序孔，72-B序孔，73-C序孔，74-D序孔，75-E序孔，76-F序孔，8-钻机平台，81-钻机平台顶面，9-补孔断面，10-终孔断面，11-隧道仰拱底开挖标高，13-拱部上台阶，14-第二台阶，15-第三台阶，16-第四台阶，m-预留变形量。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本实施例应用于大断面隧道洞身通过黄土分界面富水地层施工过程中。

如图1所示，隧道洞身通过黄土分界面富水地层施工方法，采用如下步骤：

步骤a：调查、分析隧道洞身通过的地质情况，对地质勘察资料进行系统分析，在设计图纸上标注大断面黄土隧道洞身下穿沟谷、陷穴位置，在隧道对应地表沿线实地地表调查分析，并在图纸上标注出无勘探资料的浅埋、凹槽和陷穴等特殊部位。然后采用地质钻机对特殊部位无勘探资料地段加密地表钻孔探测，钻孔深度至隧底以下至少10m，对富水分界面较厚的过渡地层加深钻孔，确定隧道洞身通过地质情况。

步骤b：采用钻孔的方式，对掌子面前方的地质情况进行预报、分析，在长距离地质预报基础上，分析隧道开挖掌子面水文地质情况，采用地质钻机短距超前探孔，钻孔探测深度30m，探明掌子面前方黏质黄土与砂质黄土的分界面、砂质黄土与泥岩的分界面、砂质黄土分层厚度、分界面富水情况、地下水情况（是否存在突水、涌水量）、黄土地层含水率、掌子面围岩稳定性（是否存在流砂、突泥、溜坍），掌子面黄土含水率通过现场取样试验测试，为优化设计参数和制定施工方案提供水文地质资料。通过对掌子面前方的地质情况进行全面、正确的分析后，针对性地采取方案，有效降低或避免因地质情况不明所导致的突泥、突水、大变形或坍塌风险，避免出现返工，有效提高施工效率，降低建设成本。

步骤c：根据隧道掌子面稳定性情况制定针对性方案，确定是否采用超前深孔帷幕注浆，根据隧道地质勘察资料，结合掌子面和超前钻孔探测黄土地层水文地质资料，制定针对性超前注浆和开挖方案，隧道洞身通过黄土不同地层富水分界面，首先根据隧道掌子面黄土围岩稳定性确定是否采用超前深孔帷幕注浆，包括三个方面：

步骤c1：当洞身通过黏质黄土分界面土体含水率大于28%，黄土土体呈饱和流塑状，掌子面无自稳能力时，根据富水分界面黄土分布高度采用全断面或半断面超前深孔预注浆加固，为开挖创造条件，稳定掌子面，采用四台阶带临时横撑施工；

步骤c2:当隧道洞身通过黏质黄土夹多层细砂，细砂层总厚大于3m或出水量大于60m³/d时，围岩无自稳能力，易流沙、涌泥，则采用对隧道拱部砂质黄土地层实施超前深孔分段预注浆加固，分段加固长度25m，注浆压力4～6MPa，为开挖创造条件，采用四台阶带临时横撑施工；

步骤c3：当隧道洞身通过黄土分界面地层地下水较小，夹杂砂层厚度小，掌子面具有自稳能力时，则不采用超前深孔预注浆，通过超前小导管注浆，采用四台阶带临时横撑施工，进入下一个步骤d。

根据隧道掌子面附近围岩稳定性确定是否采用超前深孔帷幕注浆，在有效防止施工开挖时掌子面出现砂层突涌、坍塌风险的同时，避免出现不必要的工作量，确保在掌子面不能自稳时才采用超前深孔帷幕注浆进行加固，防止额外工作量出现从而导致施工效率低下的问题。

本实施例针对不需要采取拱部超前帷幕注浆的情形，由于掌子面具有自稳能力，继续按照下述步骤进行施工。

步骤d：按设计要求施作超前支护，然后采用四台阶带临时横撑的施工方法进行开挖。

如图5和图6所示，实际开挖轮廓线5在设计开挖轮廓线4的外侧，二者之间为预留变形量m，当需要采取超前深孔帷幕注浆时，沿实际开挖轮廓线外布置注浆导管2，用于注浆。

步骤e：对四台阶中拱部上台阶13环形开挖预留核心土，并施作拱部初期支护，首先开挖四台阶中的拱部上台阶13，台阶高度宜小于4m，采用环形开挖预留核心土方法，为抑制掌子面纵向位移，拱部开挖核心土面积应大于拱部第一台阶开挖面积的60%；开挖循环进尺长度控制在1钢架间距内，开挖后及时施作拱部初期支护钢架和网喷混凝土，拱部两侧拱脚部位各施作2根长度为4m直径为48mm的锁脚锚管，锁脚锚管与钢架焊接连接，锁脚锚管角度应向下约45度方向；在隧道第一台阶底部施作临时型钢支撑，型钢支撑与初期支护钢架采用钢板和螺栓连接紧密，确保开挖分区能够及时封闭成环。采取这种方式，保证黄土分界面富水地层不会产生过大整体下沉变形，同时使隧道支护及时封闭成环，防止黄土发生突泥、突水、大变形或坍塌等安全风险。

步骤f：对隧道上部四台阶中的第二台阶14预留核心土开挖并支护，台阶高度宜小于3m，拱部上台阶13开挖进尺大于5m后方可开挖第二台阶14，同样采用留核心土开挖方法，抑制掌子面位移，开挖循环进尺长度不大于2榀钢架间距，钢架之间设置两层纵向连接钢筋，直径为25mm的连接钢筋环向间距0.8m，通过监控量测，如果围岩变形速率大于10mm/d时，在两侧拱脚增设直径为76mm的大直径锁脚锚管，使锁脚锚管与钢架焊接连接牢固，防止第二台阶以上出现较大的整体下沉。

步骤g：对隧道中部四台阶中的第三台阶15预留核心土开挖并支护，台阶高度宜小于3m，上部第二台阶14开挖进尺大于5m后方可开挖第三台阶15，同样采用留核心土开挖方法；开挖循环进尺长度不大于2榀钢架间距，钢架之间设置两层纵向连接钢筋，直径为25mm连接钢筋的环向间距0.8m；通过监控量测，如果围岩变形速率大于10mm/d时，在两侧拱脚增设直径为76mm大直径锁脚锚管，锁脚锚管与钢架焊接连接牢固，抑制黄土隧道过大整体下沉，特别是放置拱腰以上出现较大的整体下沉。

步骤h：对隧道下部四台阶中的第四台阶16预留核心土开挖并支护，中部第三台阶15开挖进尺大于5m后方可开挖第四台阶16，同样采用留核心土开挖方法，抑制掌子面位移，开挖循环进尺长度不大于2榀钢架间距，钢架之间设置两层纵向连接钢筋，直径为25mm连接钢筋环向间距0.8m；通过监控量测，如果围岩变形速率大于10mm/d时，在两侧拱脚增设直径为76mm大直径锁脚锚管，锁脚锚管与钢架焊接连接牢固，控制过大沉降变形。

步骤i：隧道仰拱开挖支护，开挖循环长度不大于3m，开挖后及时施作仰拱初期支护封闭成环；仰拱底部必须清理干净，类似地层首段施工前进行承载压力试验，确保仰拱基底承载力应满足设计要求。

步骤j：施作隧道仰拱衬砌混凝土，隧道仰拱开挖初期支护封闭成环后，采用仰拱移动模板整体浇筑仰拱衬砌混凝土，分段长度与衬砌台车长度保持一致，仰拱混凝土分段环向施工缝与拱墙混凝土环向施工缝保持在统一位置，防止不均匀沉降变形导致衬砌混凝土开裂。

步骤k：采用液压台车施作隧道拱墙衬砌混凝土。

本实施例针对大断面隧道洞身，采用黄土分界面富水地层施工方法，具有根据隧道洞身通过黄土分界面富水地层掌子面稳定性、含水率确定超前支护方法，采用四台阶带临时横撑施工具有快速封闭成环、抑制大断面黄土隧道竖向位移的显著优势。

实施例2

本实施例应用于隧道洞身通过黄土分界面地层，同时需要对隧道洞身拱部超前帷幕注浆的场合。

本实施例与实施例1的整体步骤相同，不同之处在于，在实施例1中的步骤c中，当根据隧道掌子面稳定性情况需要采用超前深孔帷幕注浆时，需要在步骤c和步骤d之间增加多个步骤。

在实施例1的步骤c中，根据隧道掌子面稳定性情况制定针对性方案，确定是否采用超前深孔帷幕注浆，根据隧道地质勘察资料，结合掌子面和超前钻孔探测黄土地层水文地质资料，制定针对性超前注浆和开挖方案，隧道洞身通过黄土不同地层富水分界面，首先根据隧道掌子面黄土围岩稳定性确定是否采用超前深孔帷幕注浆，包括以下方面：

步骤c1：当洞身通过黏质黄土分界面土体含水率大于28%，黄土土体呈饱和流塑状，掌子面无自稳能力时，根据富水分界面黄土分布高度采用全断面或半断面超前深孔预注浆加固，为开挖创造条件，稳定掌子面，采用四台阶带临时横撑施工；

步骤c2：当隧道洞身通过黏质黄土夹多层细砂，细砂层总厚大于3m或出水量大于60m³/d时，围岩无自稳能力，易流沙、涌泥，则采用对隧道拱部砂质黄土地层实施超前深孔分段预注浆加固，分段加固长度25m，注浆压力4～6MPa，为开挖创造条件，采用四台阶带临时横撑施工；

步骤c3：当隧道洞身通过黄土分界面地层地下水较小，夹杂砂层厚度小，掌子面具有自稳能力时，则不采用超前深孔预注浆，通过超前小导管注浆，采用四台阶带临时横撑施工，进入下一个步骤d；

当掌子面稳定性不能自稳，隧道洞身的地质特性满足步骤c1和c2中的条件时，继续按下述步骤进行，如图2、图3和图4所示：

步骤c4：对掌子面无自稳性黄土地层进行超前深孔分段预注浆，针对隧道洞身通过黄土分界面富水地层，掌子面无自稳性黄土地层深孔预注浆前，在掌子面施作3m厚C30混凝土止浆墙1，止浆墙1堪入周边围岩1m以上；止浆墙1分3次浇筑，考虑连续3次浇筑界面的连接密实性，在浇筑分界面处增设2排接茬钢筋，钢筋采用直径为22的螺纹钢，接茬钢筋埋入和预留深度各65cm，止浆墙1周边设置2排长度为3m直径为42.5mm的钢管与周边和底部围岩进行锚固，钢管环向间距2m，钢管打入围岩1m，预留2m嵌入墙体；止浆墙1内预埋注浆导管2，止浆墙1内安装直径为127mm的注浆导管2，在注浆导管孔口焊接法兰盘；

步骤c5：止浆墙1混凝土强度达到要求后，采用劈裂注浆对围岩土体挤密加固，降低开挖范围内土体含水率，固结地层，改良围岩土体，加固圈范围3为隧道拱墙实际开挖轮廓线5以外4.5m范围，隧道仰拱底开挖标高11为拱顶设计开挖轮廓线下11m，浆液扩散距离1.45m，注浆孔7根据围岩情况适当调整，在注浆前，在止浆墙下部布置钻机平台8，通过在钻机平台顶面81布置钻机进行钻孔注浆，注浆压力4～6MPa，单次分段注浆长度26m，通过注浆导管钻直径为115mm的注浆孔7，钻到10m深时开始实施注浆作业，根据黄土地层和富水情况，采取前进式分段注浆工艺，注浆分段长度6～12m，即钻进6～12m，到达补孔断面9注浆一次，注浆结束后再钻6～12m到达终孔断面10继续进行注浆，依次循环，直至结束该孔注浆，在注浆时，采取由外向内注浆的方法，如图3和图4所示，先对A序孔71进行注浆，然后依次对B序孔72、C序孔73、D序孔74、E序孔75和F序孔76进行注浆，逐步改良地层；

步骤c6：超前预注浆加固前方地层后，按设计要求施作隧道拱部超前小导管，注浆加固拱部地层；

步骤c7：超前预注浆加固后，采用四台阶带临时横撑的施工方法进行开挖。

将该方法成功应用于宝兰客专12标段某隧道施工中，通过采取拱部超前帷幕注浆分段预加固，分段加固长度25m，注浆压力4～6MPa，为开挖创造条件，有效抑制掌子面砂层突涌、坍塌，采用四台阶带临时横撑施工方法，控制隧道较大变形。

该方法根据隧道洞身通过黄土分界面富水地层掌子面稳定性、含水率确定适宜的超前预加固方法，更加经济合理，有利于控制建设成本，采用四台阶带临时横撑施工具有快速封闭成环、抑制大断面黄土隧道竖向位移的显著优势。避免了按照经验设计带来的过大沉降变形等安全质量隐患和风险。该发明方法具有针对黄土隧道洞身通过分界面地层含水率和稳定性采用适宜的超前加固方法、降低成本、确保高风险大断面黄土隧道洞身通过富水分界面地层技术难题。