隧道工程超前深孔真空降水技術(shù)研究
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摘要：程兒山隧道穿越成巖作用差的第三系富水砂巖地層，砂巖含水率較大，開挖支護(hù)時坍塌嚴(yán)重，初支易變形開裂，嚴(yán)重影響施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度.經(jīng)多次摸索優(yōu)化及論證，在坡度較大的1#斜井采用超前深孔真空降水技術(shù)，能有效地降低砂巖含水率，使砂巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，通過降水有效地控制了第三系富水砂巖的涌水涌砂影響，降低了施工難度，使得開挖及支護(hù)作業(yè)正?；⒊B(tài)化，有效地確保了施工安全、質(zhì)量，大大提高了工程施工進(jìn)度，并將為類似地質(zhì)隧道施工提供借鑒與參考.
程兒山隧道穿越成巖作用差的第三系富水砂巖地層時，砂巖含水率較大，局部存在股狀水帶砂涌出，開挖擾動后圍巖易軟化失穩(wěn)，初支易變形坍塌，處理不當(dāng)甚至?xí)l(fā)生工程事故.在其他類似地質(zhì)隧道中一般采用真空輕型井點降水技術(shù)[1]，因受降水管材、設(shè)備、布管參數(shù)等局限性影響，在程兒山隧道富水砂巖應(yīng)用效果不理想，且降水和開挖工序相互干擾較大.經(jīng)過多次對降水管材、布管參數(shù)摸索優(yōu)化及論證，最終形成了超前深孔真空降水技術(shù)，有效降低了砂巖含水率，降水后砂巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，有效保證了施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度要求.
1工程概況
程兒山隧道位于寧夏固原市郊，是中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司投資建設(shè)的原州區(qū)至王洼鐵路運(yùn)煤專線控制性工程，設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為地方鐵路I級，單線隧道，建設(shè)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(qū)，進(jìn)口位于清石河右岸，出口位于大莊溝邊，隧道正洞起訖里程為DK5+345～DK11+788，全長6443m（6m明洞），進(jìn)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(shè)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巖地層，斜井進(jìn)入正洞后形成4個掌子面向前掘進(jìn)，斜井及時穿越第三系富水砂巖地層進(jìn)入正洞Ⅳ級圍巖施工，是保障隧道按計劃工期貫通的關(guān)鍵所在.程兒山隧道斜井圍巖主要為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、第三系富水砂巖.地下水為裂（孔）隙水，大氣降水通過溝谷及第四系孔隙垂向滲入補(bǔ)給深層基巖裂（孔）隙或沿基巖面徑流，季節(jié)性變化較明顯，局部砂巖膠結(jié)不均，地下水從膠結(jié)較差的砂巖處涌出，水路無規(guī)律性，常出現(xiàn)較大的集中涌水涌砂情況.第三系富水砂巖在含水率低或無地下水地層，圍巖穩(wěn)定性較好，開挖支護(hù)順利，當(dāng)砂巖含水率增大，原狀砂巖迅速惡化，呈流砂狀外涌，開挖擾動后砂巖結(jié)構(gòu)迅速破壞，工程性質(zhì)迅速惡化，砂巖呈飽和的細(xì)砂狀，圍巖穩(wěn)定性迅速變差，開挖支護(hù)困難.1#斜井斜4+64～斜1+90段為第三系富水砂巖區(qū)，由于斜井為12%反坡，砂巖整體含泥量低，滲透性強(qiáng)，四周地下水匯集到掌子面，砂巖隨滲涌水被帶出，形成較大的空洞，拱部及邊墻易變形及坍塌，且危及施工人員及設(shè)備的安全.根據(jù)現(xiàn)場水表測水量得出：砂巖最大涌水量為1570m3/d，平均涌水量為800~1000m3/d.
2降水設(shè)計方案
2.1超前深孔真空降水
超前深孔真空降水?dāng)嗝娌贾靡妶D1和圖2.（1）上臺階拱部降水管布置：沿拱部開挖線布孔，管長12m，環(huán)向間距0.3m，沿開挖線外插角15°~30°，每4m設(shè)置1環(huán).（2）上臺階核心土降水管布置：管長12m，橫向間距0.5m，向上傾角15°~30°，每4m設(shè)置1環(huán).（3）上臺階底部降水管布置：管長12m，橫向間距0.5m，向下傾角15°，每4m設(shè)置1環(huán).（4）下臺階邊墻降水管布置：沿上臺階拱腳兩側(cè)斜豎向各設(shè)1排，管長9m，縱向間距0.5m，向外傾角30°，向前傾角30°，每4m設(shè)置1環(huán).（5）斷面截斷降水管布置：垂直下臺階邊墻兩側(cè)橫向布控，管長6m，間距1m，每隔20m設(shè)置1排.（6）降水管連接方法：主管采用準(zhǔn)75mm鋼管，按間距0.2~0.5m沿管身設(shè)置支管連接口，支管（準(zhǔn)32mm）和主管之間采用32mm鋼絲軟管連接，采用10#鉛絲綁扎牢固，密封膠布纏緊，并在連接部位加設(shè)閥門，控制井管降水，主管每1.5m一節(jié)，管一端采用8mm鋼板密封焊接牢固，一端采用準(zhǔn)75mm鋼絲軟管和真空泵連接，真空泵懸掛于距操作面高度1.5m左右的兩側(cè)邊墻上，并整齊擺放固定好.（7）降水管加工：降水管每根長6~12m，采用每節(jié)長1.5m的準(zhǔn)32高頻焊管分段包扎焊接連接而成.降水管壁鉆8mm透水孔，間距10cm梅花形布置（管端1.5m不設(shè)透水孔），并包雙層過濾層，即土工布包裹一層，再包100目濾網(wǎng)一層，降低砂巖的流失率，包完后每間隔20cm采用扎絲綁緊.準(zhǔn)32mm降水鋼管采用準(zhǔn)25mm鋼管作為每節(jié)管接頭，焊接連接.管頭底端采用3mm鋼板封底，并焊接準(zhǔn)8mm圓鋼（圖3）.（8）降水要求：①降水前應(yīng)進(jìn)行試抽水試驗，確認(rèn)無漏水和漏氣異?，F(xiàn)象，降水過程中，真空負(fù)壓控制在-0.06MPa以下，真空泵壓力控制在55kPa以上，為保證連續(xù)不斷抽降水，應(yīng)備用雙電源，以防斷電[1]；②降水必須根據(jù)掌子面開挖及時推進(jìn)，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于1m的深度，防止仰拱開挖涌砂涌水；④加強(qiáng)對隧道內(nèi)水位的觀測，每天觀測水位，及時掌握水位變化情況，以指導(dǎo)降水運(yùn)行及隧道的開挖；⑤當(dāng)砂巖滲透系數(shù)變大，涌水量增加時，宜將真空管間距適當(dāng)加密；⑥集水總管標(biāo)高宜盡量接近地下水位線，水泵軸心與總管齊平.
2.2掌子面后方截排水
斜井為12%反坡，如果掌子面后方滲涌水匯集到掌子面，會破壞圍巖穩(wěn)定性，影響降水效果，因此需對后方自流水經(jīng)橫縱向截排水溝匯集到集水井，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未采取降水措施前施工情況
第三系富水砂巖含水率高，開挖擾動后呈淤砂狀態(tài)（圖5），砂巖在水的作用下工程性質(zhì)迅速變差，基本無自穩(wěn)性，開挖時涌水涌砂現(xiàn)象嚴(yán)重，初支易變形、背后易形成空洞，仰拱底部淤沙厚，承載力降低，存在很大的安全質(zhì)量風(fēng)險.施工過程中采取了旋噴樁、帷幕注漿、輕型井點真空降水等施工方案措施均未達(dá)到預(yù)期效果，現(xiàn)場基本處于半施工半停工狀態(tài).
3.2采取降水措施后施工情況
經(jīng)過各參建單位不斷摸索優(yōu)化，采取了超前深孔真空降水措施后（圖6），將富水砂巖含水率控制在砂巖塑性變形含水率10%以下，使圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖7），初支變形減小，降水后采用常規(guī)隧道施工技術(shù)就可以正常掘進(jìn)，每月進(jìn)尺由原來5m提高至15~20m.4結(jié)論（1）在第三系富水砂巖地層施工中，地下水處理是重中之重，只有采用合理的降水措施才能保證正常開挖掘進(jìn)，避免因地下水造成圍巖結(jié)構(gòu)破壞、圍巖軟化變形，甚至發(fā)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巖地層施工難題，有效降低了砂巖含水率，保持圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，降水后砂巖基本達(dá)到潮濕狀態(tài)，易于開挖支護(hù)，施工安全系數(shù)高，并有效保證了施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度要求.（3）超前深孔真空降水技術(shù)打破了常規(guī)的真空輕型井點降水施工工藝的思路，沿兩側(cè)已支護(hù)拱墻及底部布孔，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，掌子面后方匯集水嚴(yán)重影響掌子面砂巖穩(wěn)定性及降水效果，利用橫縱向截排水系統(tǒng)很好地解決了此問題.（5）超前深孔真空降水技術(shù)效果理想，很好地解決了程兒山隧道第三系富水砂巖開挖支護(hù)困難等技術(shù)難題，1#斜井成功穿越富水砂巖地層，于2015年1月份進(jìn)入正洞Ⅳ級圍巖施工.
參考文獻(xiàn)：
[1]李志軍，王光偉，王建軍.真空輕型井點降水技術(shù)在富水粉細(xì)砂巖隧道施工中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2014（增刊1）：410-413.
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作者：陳剛 單位：寧夏六盤山鐵路有限公司
