隧道工程超前深孔真空降水技術研究論文
隧道工程超前深孔真空降水技術研究論文
摘要：程兒山隧道穿越成岩作用差的第三系富水砂岩地層，砂岩含水率較大，開挖支護時坍塌嚴重，初支易變形開裂，嚴重影響施工安全、質量和進度.經多次摸索最佳化及論證，在坡度較大的1#斜井採用超前深孔真空降水技術，能有效地降低砂岩含水率，使砂岩處於基本穩定狀態，透過降水有效地控制了第三系富水砂岩的湧水湧砂影響，降低了施工難度，使得開挖及支護作業正常化、常態化，有效地確保了施工安全、質量，大大提高了工程施工進度，並將為類似地質隧道施工提供借鑑與參考.
關鍵詞：隧道斜井；富水砂岩；超前深孔真空降水
程兒山隧道穿越成岩作用差的第三系富水砂岩地層時，砂岩含水率較大，區域性存在股狀水帶砂湧出，開挖擾動後圍巖易軟化失穩，初支易變形坍塌，處理不當甚至會發生工程事故.在其他類似地質隧道中一般採用真空輕型井點降水技術[1]，因受降水管材、裝置、布管引數等侷限性影響，在程兒山隧道富水砂岩應用效果不理想，且降水和開挖工序相互干擾較大.經過多次對降水管材、布管引數摸索最佳化及論證，最終形成了超前深孔真空降水技術，有效降低了砂岩含水率，降水後砂岩處於基本穩定狀態，有效保證了施工安全、質量和進度要求.
1工程概況
程兒山隧道位於寧夏固原市郊，是中鋁寧夏能源集團有限公司投資建設的原州區至王窪鐵路運煤專線控制性工程，設計技術標準為地方鐵路I級，單線隧道，建設單位為寧夏六盤山鐵路有限公司.程兒山隧道地處黃土梁峁區，進口位於清石河右岸，出口位於大莊溝邊，隧道正洞起訖里程為DK5+345～DK11+788，全長6443m（6m明洞），進出口埋深較小，最小埋深為9m，平均埋深130~140m，最大埋深290m.隧道設2座斜井輔助施工，1#斜井長1038m，2#斜井長1036m，斜井綜合縱向坡度為10.6%，最大坡度為12%，隧道正洞及斜井均穿越第三系富水砂岩地層，斜井進入正洞後形成4個掌子面向前掘進，斜井及時穿越第三系富水砂岩地層進入正洞Ⅳ級圍巖施工，是保障隧道按計劃工期貫通的關鍵所在.程兒山隧道斜井圍巖主要為第四繫上更新統風積砂質黃土、第三系富水砂岩.地下水為裂（孔）隙水，大氣降水透過溝谷及第四系孔隙垂向滲入補給深層基岩裂（孔）隙或沿基岩面徑流，季節性變化較明顯，區域性砂岩膠結不均，地下水從膠結較差的`砂岩處湧出，水路無規律性，常出現較大的集中湧水湧砂情況.第三系富水砂岩在含水率低或無地下水地層，圍巖穩定性較好，開挖支護順利，當砂岩含水率增大，原狀砂岩迅速惡化，呈流砂狀外湧，開挖擾動後砂岩結構迅速破壞，工程性質迅速惡化，砂岩呈飽和的細砂狀，圍巖穩定性迅速變差，開挖支護困難.1#斜井斜4+64～斜1+90段為第三系富水砂岩區，由於斜井為12%反坡，砂岩整體含泥量低，滲透性強，四周地下水彙集到掌子面，砂岩隨滲湧水被帶出，形成較大的空洞，拱部及邊牆易變形及坍塌，且危及施工人員及裝置的安全.根據現場水錶測水量得出：砂岩最大涌水量為1570m3/d，平均湧水量為800~1000m3/d.
2降水設計方案
2.1超前深孔真空降水
超前深孔真空降水斷面佈置見圖1和圖2.（1）上臺階拱部降水管佈置：沿拱部開挖線布孔，管長12m，環向間距0.3m，沿開挖線外插角15°~30°，每4m設定1環.（2）上臺階核心土降水管佈置：管長12m，橫向間距0.5m，向上傾角15°~30°，每4m設定1環.（3）上臺階底部降水管佈置：管長12m，橫向間距0.5m，向下傾角15°，每4m設定1環.（4）下臺階邊牆降水管佈置：沿上臺階拱腳兩側斜豎向各設1排，管長9m，縱向間距0.5m，向外傾角30°，向前傾角30°，每4m設定1環.（5）斷面截斷降水管佈置：垂直下臺階邊牆兩側橫向布控，管長6m，間距1m，每隔20m設定1排.（6）降水管連線方法：主管採用準75mm鋼管，按間距0.2~0.5m沿管身設定支管連線口，支管（準32mm）和主管之間採用32mm鋼絲軟管連線，採用10#鉛絲綁紮牢固，密封膠布纏緊，並在連線部位加設閥門，控制井管降水，主管每1.5m一節，管一端採用8mm鋼板密封焊接牢固，一端採用準75mm鋼絲軟管和真空泵連線，真空泵懸掛於距操作面高度1.5m左右的兩側邊牆上，並整齊擺放固定好.（7）降水管加工：降水管每根長6~12m，採用每節長1.5m的準32高頻焊管分段包紮焊接連線而成.降水管壁鑽8mm透水孔，間距10cm梅花形佈置（管端1.5m不設透水孔），幷包雙層過濾層，即土工布包裹一層，再包100目濾網一層，降低砂岩的流失率，包完後每間隔20cm採用扎絲綁緊.準32mm降水鋼管採用準25mm鋼管作為每節管接頭，焊接連線.管頭底端採用3mm鋼板封底，並焊接準8mm圓鋼（圖3）.（8）降水要求：①降水前應進行試抽水試驗，確認無漏水和漏氣異常現象，降水過程中，真空負壓控制在-0.06MPa以下，真空泵壓力控制在55kPa以上，為保證連續不斷抽降水，應備用雙電源，以防斷電[1]；②降水必須根據掌子面開挖及時推進，降水班組與開挖班組必須做好配合工作；③在隧道開挖過程中，將隧道底部潛水位降至隧道底以下不少於1m的深度，防止仰拱開挖湧砂湧水；④加強對隧道內水位的觀測，每天觀測水位，及時掌握水位變化情況，以指導降水執行及隧道的開挖；⑤當砂岩滲透係數變大，湧水量增加時，宜將真空管間距適當加密；⑥集水總管標高宜儘量接近地下水位線，水泵軸心與總管齊平.
2.2掌子面後方截排水
斜井為12%反坡，如果掌子面後方滲湧水彙集到掌子面，會破壞圍巖穩定性，影響降水效果，因此需對後方自流水經橫縱向截排水溝彙集到集水井，再由泵站排出洞外，橫縱向截排水溝及集水井尺寸按匯水量大小確定（圖4）.
3降水成果
3.1未採取降水措施前施工情況
第三系富水砂岩含水率高，開挖擾動後呈淤砂狀態（圖5），砂岩在水的作用下工程性質迅速變差，基本無自穩性，開挖時湧水湧砂現象嚴重，初支易變形、背後易形成空洞，仰拱底部淤沙厚，承載力降低，存在很大的安全質量風險.施工過程中採取了旋噴樁、帷幕注漿、輕型井點真空降水等施工方案措施均未達到預期效果，現場基本處於半施工半停工狀態.
3.2採取降水措施後施工情況
經過各參建單位不斷摸索最佳化，採取了超前深孔真空降水措施後（圖6），將富水砂岩含水率控制在砂岩塑性變形含水率10%以下，使圍巖基本處於穩定狀態（圖7），初支變形減小，降水後採用常規隧道施工技術就可以正常掘進，每月進尺由原來5m提高至15~20m.4結論（1）在第三系富水砂岩地層施工中，地下水處理是重中之重，只有採用合理的降水措施才能保證正常開挖掘進，避免因地下水造成圍巖結構破壞、圍巖軟化變形，甚至發生工程事故[2].（2）超前深孔真空降水措施解決了第三系富水砂岩地層施工難題，有效降低了砂岩含水率，保持圍巖處於基本穩定狀態，降水後砂岩基本達到潮溼狀態，易於開挖支護，施工安全係數高，並有效保證了施工安全、質量和進度要求.（3）超前深孔真空降水技術打破了常規的真空輕型井點降水施工工藝的思路，沿兩側已支護拱牆及底部布孔，大大降低了開挖過程中降水管的影響，確保了邊開挖、邊降水的效果，工序相互影響小.（4）在坡度較大的斜井施工中，掌子面後方彙集水嚴重影響掌子面砂岩穩定性及降水效果，利用橫縱向截排水系統很好地解決了此問題.（5）超前深孔真空降水技術效果理想，很好地解決了程兒山隧道第三系富水砂岩開挖支護困難等技術難題，1#斜井成功穿越富水砂岩地層，於2015年1月份進入正洞Ⅳ級圍巖施工.
參考文獻：
[1]李志軍，王光偉，王建軍.真空輕型井點降水技術在富水粉細砂岩隧道施工中的應用[J].施工技術，2014（增刊1）：410-413.
[2]祁衛華.第三系富水砂岩鐵路隧道施工技術[J].現代隧道技術，2015，52（1）：176-183.
[3]中鐵隧道集團有限公司.TZ331—2009：鐵路隧道防排水施工技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009.
[4]吳林高.工程降水設計施工與基坑滲流理論[M].北京：人民交通出版社，2003.