不良水文地質(zhì)條件下的斜井施工技術(shù)

王金英，廖成林

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 概述

在土洞斜井施工過程中，對地下水的處理尤為重要。由于地下水主要集中于掌子面下部，如果處理的不好，地下水的大量涌出將造成開挖工作無法進行，甚至于造成土洞斜井開挖失敗。在山西萬家寨引黃北干支北03-1土洞斜井開挖施工中，地下水極為豐富，水量達到450 m3/h，如此大的水量給斜井開挖工作帶來了極大困難。對于這樣大的水量，從現(xiàn)有文獻資料看，目前尚沒有成熟、完整的施工經(jīng)驗可供借鑒，因此，進行特大涌水條件下土洞斜井開挖施工工藝研究是非常必要的。

2 工程基本情況

萬家寨引黃北干支北03-1支洞位于山西省朔州市平魯區(qū)下水頭鄉(xiāng)境內(nèi)，為土洞斜井施工支洞。支洞全長410.82 m，傾角18.52°，開挖斷面呈城門洞形，寬、高均為5.4 m。該洞0+000～0+85.95洞段為進口段，圍巖為Q3al+pl黃土狀亞砂土，土體結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)定性差;0+85.95～0+354.66段圍巖為N2含礫石紅粘土，土體致密，膠結(jié)程度差，有一定的自穩(wěn)能力，但與Q2土體接觸部位含水量增高，造成巖體穩(wěn)定性變差，地下水位高程為1315 m，故需注意施工涌水問題;0+354.66～0+410.82洞段圍巖為強風化砂巖，具有一定的穩(wěn)定性。

由于該支洞為土洞斜井支洞，為了保證已開挖支護洞段的安全穩(wěn)定，二次鋼筋混凝土襯砌緊跟開挖作業(yè)面，并保持二次鋼筋混凝土襯砌距開挖掌子面不大于30 m。于是，未襯砌前有地下水大量滲出洞段的部位在襯砌后，地下水被迫在已襯砌的最后一個倉段末端大量滲出，主要匯聚于開挖掌子面底部。

在該支洞2006年3月14日開挖至0+250.02樁號時，底拱開始向洞內(nèi)滲水，滲水量為12 m3/h;隨著向前開挖，邊墻開始向洞內(nèi)滲水;3月29日開挖至0+258.5樁號時，總滲水量增加至60 m3/h;4月6日開挖至樁號0+260.5時，匯集的地下水總滲水量達110 m3/h;5月11日開挖至樁號0+269.52時，匯集的地下水增加到280 m3/h;5月26日開挖至樁號0+274.66時，地下水增加到323 m3/h;6月6日開挖至樁號0+282.5時，地下水增加到450 m3/h。大量的地下水主要以抽排為主。自5月30日開始，采用三條主管線四臺水泵排水，其中三臺水泵額定排水量為150 m3/h，一臺為120 m3/h。

3 分部分塊開挖施工工藝的提出

支北03-1支洞為土洞斜井支洞，傾角為18.52°。筆者所研究的對象為該洞的0+250.02～0+354.66洞段，該洞段地下水極為豐富，主要匯集于底部掌子面。盡管可以采取加強排水措施，但仍無法改變掌子面底部處于淹沒狀態(tài)的施工作業(yè)環(huán)境。由于該洞段圍巖為N2含礫石紅粘土，在無水條件下土體質(zhì)密堅硬，膠結(jié)程度較好，雖有一定的自穩(wěn)能力，但掌子面底部浸泡于水中非常不利于圍巖穩(wěn)定，易于造成邊墻失穩(wěn)破壞，給開挖工作帶來很大難度。因此，如何解決掌子面出現(xiàn)的地下水，使開挖工作在無水的狀態(tài)下進行就成為在地下水極其豐富的條件下進行土洞斜井開挖的關(guān)鍵技術(shù)問題。

在施工進程中，通過帶領(lǐng)工程技術(shù)人員深入實地、現(xiàn)場勘查，并與現(xiàn)場施工人員一起反復研究后，提出了分部分塊開挖施工工藝。該施工工藝的主要指導思想是:先進行上半圓導洞開挖，下部中槽先行，最后開挖兩側(cè)。這一施工工藝的實施，有效地解決了這一技術(shù)難題。

4 分部分塊開挖施工工藝的基本原理

分部分塊開挖施工工藝是針對存在地下水的土洞斜井設計的。所謂“分部分塊”是指上下分為兩部開挖，下部又分為幾塊開挖，具體分部分塊情況如圖1所示。

圖1 開挖分部分塊示意圖

該施工工藝的基本原理如圖2所示。圖2中AD 為I 部上半圓開挖掌子面、BE 為Ⅱ1部中槽開挖掌子面、CF 為Ⅱ2部兩側(cè)邊墻開挖面。先進行上半圓開挖，如圖2(a)所示，隨著上半圓開挖，其底部高程(A 點)越來越低，當其低于滯后的Ⅱ1部中槽開挖掌子面底部高程(E 點)時，地下水開始逐漸從上部半圓掌子面底部(A 點)滲出，如圖2(b)所示。這時，停止上部半圓的開挖，開始進行下部中槽開挖，隨著開挖的進行，中槽掌子面底部(E 點)越來越低，逐漸低于上部掌子面底部(A點)，上部掌子面底部(A 點)的少量地下水開始滲入中槽底部(E 點)，如圖2(c)所示。當下部中槽開挖至距上部半圓掌子面2 m 左右時，停止下部中槽的開挖。這時，上部掌子面底部(A 點)和兩側(cè)墻開挖面底部(F 點)均處于無水狀態(tài)，可以同時進行上半圓掌子面和下部兩側(cè)墻的開挖。上部半圓開挖至掌子面底部出水為止，下部兩側(cè)墻開挖至距中槽掌子面底部積水1.5 m 左右時暫停開挖，如圖2(d)所示。這時開始繼續(xù)下部中槽的開挖并重復上述步驟，直到土洞斜井段開挖完畢，進入巖石開挖為止。在以上開挖過程中，地下水始終集中于Ⅱ1部中槽開挖掌子面底部(E 點);Ⅰ部上半圓開挖、Ⅱ2部兩側(cè)邊墻開挖作業(yè)始終在無水的條件下進行。

5 施工工藝的應用

5.1 分部分塊情況

圖2 分部分塊開挖施工工藝基本原理示意圖

對于土洞斜井開挖，其分部分塊情況如圖1所示。一般分為上、下兩部，上部先行開挖，并進行加強支護，單循環(huán)進尺0.5～1 m;下部分為三塊:中間一塊作為中槽先行，整個開挖過程中地下水主要集中于中槽掌子面底部;兩側(cè)各留一塊作為對邊墻土體的保護層，兩側(cè)墻邊開挖、邊進行全封閉加強支護。

5.2 上部臺階超前距離的確定

上部臺階超前距離與土洞斜井的傾角α及下部臺階的高度h 有關(guān)，如圖3所示，在圖3中，上部臺階超前下部中槽掌子面的最大距離ABmax，即滯后中槽掌子面頂部B 點距上部掌子面底部出水點A 的距離，初步設計時可通過以下經(jīng)驗公式估算:ABmax=(h/tgα)+2，單位:m。在下部臺階一定的情況下，傾角α越小，上部超前下部的ABmax值越大。

圖3 分部分塊超前計算簡圖

5.3 中槽掌子面與上部掌子面最小開挖距離的確定

中槽掌子面與上部掌子面的最小開挖距離ABmin需根據(jù)上部工作面需要確定，如圖2(c)所示。主要考慮施工人員操作方便、小型施工機具使用停放、材料的堆放等，一般取ABmin=1.5～2.5 m。

5.4 兩側(cè)墻開挖面與中槽掌子面之間最小滯后距離的確定

兩側(cè)墻開挖面與中槽掌子面之間最小滯后距離BCmin主要由前部中槽掌子面排水過程中正常積水水面寬度a 確定。初步設計時(圖3)，可按BCmin=a+2確定，單位:m。

6 實施效果

該施工工藝在山西萬家寨引黃北干支北03-1、支北04斜井支洞施工中得到了實際應用，有效地解決了施工過程中地下水對開挖施工作業(yè)面的影響。上述兩個施工支洞已開挖完畢，并進行了永久襯砌和堵水灌漿。

7 結(jié)語

實踐證明:在大涌水條件下的土洞斜井開挖施工中，分部分塊開挖施工工藝能有效地解決地下水對開挖施工作業(yè)面的影響。但這一施工工藝必須與加強排水、合理的施工支護相結(jié)合，才能達到應有的效果。在開挖過程中，要注意二次鋼筋混凝土襯砌的及時跟進，并需對已襯砌洞段及時進行堵水灌漿，以減少地下水的滲出量。

［1］熊啟鈞.隧洞［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［2］康世榮，陳東山.水利水電施工組織設計手冊(2)施工技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1990.