一种深埋高水压粉细砂层隧道贯通段的设计及施工方法与流程

本发明属于隧道工程，具体涉及一种深埋高水压粉细砂层隧道贯通段的设计及施工方法。

背景技术：

1、深埋高水压粉细砂层隧道贯通段，地下水向贯通段汇集，同水管“颈缩效应”相似，随着贯通距离的减少，两贯通点之间局部渗流场突变、流线加密、流速加快，进而引起地层的渗透破坏，两贯通点间距离越近风险越高；同时地层因受施工扰动及粉细砂地层自身渗透性差等因素的影响，在高水压作用下，隧道塌方、初期支护变形及隧道突泥涌水频发，施工安全面临严峻挑战。

2、针对以上问题，深埋高水压粉细砂层隧道贯通段常采用30～50m长超前钻孔进行探排水，辅以帷幕注浆，并采用三台阶预留核心土法或超前钻爆导洞贯通后再扩挖进行施工；但在施工中发现，在粉细砂地层中采用30～50m长超前钻孔进行排水时，排水管极易堵塞，且因排水管为小角度斜向前打设，疏通困难，排水效果不佳，无法达到通过超前排水降低水压的目的；帷幕注浆因隧道掌子面前方高水压难以保证注浆效果，经常因局部管涌引起掌子面突泥涌水；同时采用三台阶预留核心土或超前钻爆导洞贯通再扩挖进行施工时，在高水压下掌子面自稳能力差，注浆效果难以得到有效保障，且初期支护较隧道开挖存在滞后性，隧道塌方、初期支护变形及隧道突泥涌水仍然时有发生，隧道施工安全形势依旧严峻。

技术实现思路

1、本发明要解决是深埋高水压粉细砂层隧道贯通段超前排水距离长、排水效果差，在高水压下掌子面自稳能力差、注浆效果难以得到有效保障，隧道塌方、初期支护变形及隧道突泥涌水频发的技术问题。

2、本发明的技术方案为：一种深埋高水压粉细砂层隧道贯通段的设计方法，包括以下步骤：

3、步骤一、深埋高水压粉细砂层隧道，当贯通段长度剩100～200m时，停止进出口掌子面施工，布置顶管，所述顶管的布置方法具体为：

4、一、顶管从下坡端向上坡端顶进施工，且纵坡坡率i≥2％，

5、二、顶管布置在隧道断面的中下部，

6、三、顶管及其反力墩布置在隧道断面的一侧，留出隧道断面的另一侧；

7、步骤二、根据施工场地情况及顶管的长度计算泥水平衡顶管机的刀盘扭矩t和总顶推力f；

8、所述总顶推力f的表达式为：f＝πd1lfk+nf，其中，d1为管道的外径，l为管道设计顶进长度，fk为管道外壁与土的平均摩阻力，nf为泥水平衡顶管机的迎面阻力；

9、所述刀盘扭矩t的表达式为：t＝αd′3，其中，α为刀盘扭矩系数，d′为顶管机外径；

10、步骤三、根据步骤二中的刀盘扭矩t、总顶推力f确定顶推设计参数，所述顶推设计参数包括：主顶油缸的合计推力f1、中继间的合计推力f2、管片最大水土压力f3、主顶油缸的最大行程ly1、主顶油缸不伸长时的长度ly2、泥水平衡顶管机型号及其刀盘驱动扭矩t′；

11、所述主顶油缸的合计推力f1的表达式为：f1＝n1×f11，其中，n1为主顶油缸的数量，f11为单个主顶油缸能提供的最大推力；

12、所述中继间的合计推力f2的表达式为：f2＝n2×f21，其中，n2为中继间的数量，f21为单个中继间能提供的最大推力；

13、所述顶推设计参数需同时满足以下条件：

14、f1+f2≥1.2f，t′≥1.2t；

15、步骤四、根据步骤三中的主顶油缸的合计推力f1、中继间能提供的最大推力f21及管片最大水土压力f3确定顶管管片的设计参数及反力墩的设计参数，并根据主顶油缸的最大行程ly1确定顶推管片的单节长度lg，所述顶管管片的设计参数如下：

16、一、顶管管片受到的最大顶推力fmax＝max(f1，f21)，顶管管片允许顶推力fds＝kdsfsap，其中，kds为钢管综合系数，fs为顶管管片强度设计值，ap为管片的最小有效传力面积，同时，fds≥1.2fmax；

17、二、在f3和fmax作用下顶管管片的最大应力σsmax≤fs，其中，fs为顶管管片强度设计值；

18、三、顶管管片的单节设计长度lg+1≤ly1；

19、四、顶管管片上预留排水孔及减阻触变泥浆注浆孔，两者纵向间距1m；

20、五、每节顶管管片的顶部设置一台振动器，所述振动器与顶管管片固定连接；

21、所述反力墩的设计参数如下：

22、一、设定反力墩的结构参数并根据反力墩的设计结构参数计算反力墩能提供的最大反力ff，使ff≥1.2f1；

23、二、计算f1作用在反力墩上时，反力墩的最大应力σfmax和隧道已施工衬砌的最大应力σcmax，使σfmax≤f1，σcmax≤f2，其中，f1为反力墩强度设计值，f2为隧道已施工衬砌强度设计值；

24、步骤五、在顶管的始发端和接收端均设置仰斜式封堵墙，根据顶管的始发端和接收端地质及封堵墙的设计，计算封堵墙的最大应力σdmax，使σdmax≤f3，其中，f3为封堵墙强度设计值，所述顶管的始发端封堵墙和接收端封堵墙处设置有顶管始发通道和顶管接收通道，所述顶管始发通道和顶管接收通道上均布设至少三道止水圈；

25、步骤六、布设反力墩，所述反力墩距始发端封堵墙墙脚位置距离为l，l满足：ly2+lg+lt+1.0≤l≤ly2+2lg+lt，其中，ly2为主顶油缸(9)不伸长时的长度，lg为顶管管片(7)单节长度，lt为环形顶铁(8)的长度；

26、步骤七、根据步骤一中顶管的位置确定径向排水管的位置，使定径向排水管延伸至隧道开挖轮廓线外至少5m；

27、步骤八、采用微短三台阶法扩挖实现隧道全断面贯通，扩挖施工时，在主洞内对掌子面前方15m范围实施超前帷幕注浆，掌子面前方15m范围内的径向排水管可作为补偿注浆管，所述超前帷幕注浆及补偿注浆均注双液浆。

28、进一步地，所述双液浆的注浆技术参数如下：

29、一、水泥浆/水玻璃的体积比为1∶0.8，水泥浆液水灰比为1∶1；

30、二、水玻璃模数m＝2.6，浓度为35～40°be；

31、三、注浆压力为0.5～1.0mpa。

32、进一步地，所述管片最大水土压力f3包括：顶管管片顶部的竖向均布压力q、顶部侧压力e1、底部侧压力e2、水压力q水，所述顶管管片顶部的竖向均布压力q的表达式为：

33、

34、其中，γ为围岩重度，hs为管片顶部计算覆盖层厚度，d1为管片外径，λ为侧压力系数，θ为滑面摩擦角；

35、所述侧压力系数λ的表达式为：

36、

37、

38、其中，为围岩计算摩擦角；

39、所述顶部侧压力e1和底部侧压力e2的表达式为：

40、e1＝γhsλ，e2＝γ(hs+d1)λ

41、其中，γ为围岩重度，hs为管片顶部计算覆盖层厚度，d1为管片直径，λ为侧压力系数；

42、所述水压力q水的表达式为：

43、q水＝γwhw

44、其中，γw为水的重度，hw为管片位置地下水头高度。

45、进一步地，所述顶管管片的最大应力σsmax的计算方法为：根据工程具体围岩和设计情况，通过有限元或无限元软件建立管片三维荷载-结构仿真模型计算得出，计算时，在管片横断面上依次施加竖向均布压力q、顶部侧压力e1、底部侧压力e2、水压力q水，在管片轴线上施加均布荷载qf，所述均布荷载qf的表达式为：

46、qf＝fmax/ap

47、其中，fmax为顶管管片受到的最大顶推力，ap为管片的最小有效传力面积。

48、进一步地，所述反力墩能提供的最大反力ff的表达式为：

49、ff＝afv

50、其中，a为反力墩竖向锚固工字钢总截面积；fv为锚固工字钢抗剪强度设计值。

51、进一步地，所述反力墩的最大应力σfmax的计算方法为：根据工程具体围岩和设计情况，通过有限元或无限元软件建立三维地层-结构仿真模型计算得出；所述隧道已施工衬砌强的最大应力σcmax的计算方法为：根据工程具体围岩和设计情况，通过有限元或无限元软件建立三维地层-结构仿真模型计算得出；计算时，在所述仿真模型的反力墩主顶油缸侧按各主顶油缸实际作用位置施加主顶油缸能提供的最大推力f11，模型中隧道已施工衬砌长度至少为60m。

52、进一步地，所述封堵墙的最大应力σdmax的计算方法为：根据工程具体围岩和设计情况，通过有限元或无限元软件建立三维地层-结构仿真模型计算得出。

53、一种深埋高水压粉细砂层隧道贯通段的施工方法，包括以下步骤：

54、步骤一、顶管的始发端封堵墙和接收端封堵墙施工；

55、步骤二、顶管的始发端的反力墩施工；

56、步骤三、顶管施工，所述顶管施工包括以下步骤：

57、一、顶管的施工过程中同步注触变泥浆减阻，并定期通过注浆孔对触变泥浆的注浆效果进行检验，根据检测结果及时调整注浆参数、浆液参数或进行浆液补注；

58、二、每次安装完顶管管片后，在顶推前，先启动顶管管片上的振动器，振动时间超过5分钟后再开始顶推；

59、步骤四、顶管施工结束后，进行径向排水管施工，对贯通段进行排水降压，所述径向排水管施工包括以下步骤：

60、一、所述径向排水管采用逐段接长的方式施工；

61、二、排水降压为整个贯通段同步进行；

62、三、当排水效果不理想时，可采用洗管和真空负压排水；

63、四、排水过程中如遇管涌问题，应暂停出现管涌排水管排水，待为出现管涌排水管增设反滤头后再排水；

64、步骤五、采用微短三台阶法扩挖实现隧道全断面贯通，具体包括以下步骤：

65、一、扩挖施工时，在主洞内对掌子面前方15m范围实施超前帷幕注浆，在帷幕注浆实施的过程中用顶管内的径向排水管排水泄压，掌子面前方15m范围内的部分径向排水管在帷幕注浆完成注浆效果验证后作为地层的补偿注浆孔使用，超前帷幕注浆及补偿注浆均注双液浆，在掌子面前方地层形成安保墙；

66、二、扩挖施工过程中未注浆区段，保持排水状态；

67、三、主洞超前支护加强；

68、四、主洞初期支护、二次衬砌随扩挖掌子面跟进。

69、本发明的有益效果为：本发明采用泥水平衡顶管施工导洞，导洞内掌子面通过泥水压力平衡，处于相对稳定状态，导洞洞身管片能紧跟掌子面；主洞洞身扩挖前，先通过导洞内部径向钢管短距离排水泄压，降低掌子面附近的水压力，为掌子面附近地层在帷幕注浆施工过程中提供泄压通道，同时部分排水管可在帷幕注浆完成注浆效果验证后作为地层的补偿注浆孔使用；本发明有效解决了深埋高水压粉细砂层隧道贯通段超前排水距离长、排水效果差，在高水压下掌子面自稳能力差、注浆效果难以得到有效保障，隧道塌方、初期支护变形及隧道突泥涌水频发等问题，安全性高。