反坡斜井突涌水處理施工技術(shù)

王曉斌

反坡斜井突涌水處理施工技術(shù)

王曉斌

某特長隧道工程設(shè)3座輔助斜井，其中輔助斜井長1000m以上2座，綜合坡度11.9%，有超過100m的垂直落差，最大高差達到258m。該隧道途徑巖溶富水區(qū)，其中涌水量較大的2#斜井設(shè)計日平均涌水量9950m3/d，最大涌水量19885m3/d；給施工造成的影響極大。

一、突涌水機理及模式分析

1.機理

該工程穿越巖溶富水區(qū)，地下水類型包括巖溶裂隙水以及基巖裂隙水，施工沿線有3處靜態(tài)儲水的溶腔，施工過程中突涌水主要在2#斜井出現(xiàn)，地質(zhì)條件灰?guī)r地層（Ⅱ～Ⅳ級），表現(xiàn)出以下特點。

（1）斜井的拱部與邊墻處集中了大量涌水點，水沿裂縫涌出，呈淋雨狀和股狀，單個涌水點涌水量比較小，但涌水總量大，出水點富集，但整體水壓較低。

（2）股狀涌水點比較富集，出水量大，水壓達到1.3～2.5MPa。

對2#斜井所在點進行地表水流量監(jiān)測，在斜井上游（距井口1.2km）、下游（距井口0.4km）布置流量測試斷面，采用浮標(biāo)法，結(jié)果如下表所示。

表為地表水測試結(jié)果

斷面1與斷面2間距0.8km左右，從測試結(jié)果可見，流經(jīng)兩個斷面的地表水流量損失達到3093m3/d，由此可知，地表水會為斜井涌水提供側(cè)向補給。

2.模式

（1）掌子面方面的突涌水模式。包括裂隙—溶隙和構(gòu)造帶突涌水模式。

①裂隙—溶隙突涌水模式體現(xiàn)在局部掌子面裂隙或節(jié)理當(dāng)中出現(xiàn)涌水，呈股狀或淋雨狀，裂隙—溶隙的含水介質(zhì)在蓄積水以及過水能力方面較弱，所以在該模式下相對來說并不會出現(xiàn)較大的涌水量及水壓。

②在構(gòu)造帶突涌水模式當(dāng)中，地下水在掌子面構(gòu)造帶當(dāng)中富集，這種富集具有較長周期，所以一般含水量比較豐富，有著較大水壓，施工時會對隔水層形成一定的破壞，進而產(chǎn)生突涌水。

（2）洞身模式。該隧道巖溶屬裸露型巖溶，降雨期會使弱徑流區(qū)產(chǎn)生較大的地下水變幅，當(dāng)隧道穿越季節(jié)變動帶，如果是在枯水期，地下水位下降，處于較低位置，洞身滲水情況較稀少，甚至可能出現(xiàn)無水，但是在雨季豐水期，降雨會使地下水位升高，水壓也會隨之升高，進而使洞身出現(xiàn)涌水點大量集中并劇增的情況。

二、超前探測及計算

1.超前探測

（1）宏觀法

利用1∶2.5萬的地質(zhì)測繪及現(xiàn)有地質(zhì)資料，對施工斜井的斷層、圍巖、地層界限、涌水等地質(zhì)問題進行預(yù)測，重點預(yù)測可能的出水點。

（2）地質(zhì)雷達

使用進口地質(zhì)雷達如美國SIR-20型，雷達天線100MHz，這種類型的地質(zhì)雷達可探測25～30m，每隔15m或20m探測一次，至少于左右洞壁、工作面及洞底各布置一條側(cè)線，洞壁側(cè)線應(yīng)超過開挖循環(huán)進尺。該工程地質(zhì)雷達探測距離設(shè)定15m。

（3）TPS

工作面0～120m，用于預(yù)測該范圍內(nèi)及周邊地質(zhì)情況，具體包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、地下水狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造等，設(shè)備可采用TPS200或TPS203。該工程采用10m以上超長炮孔，至少6孔。

（4）鉆孔探水

可采用XY-P2或TXU-75，鉆進深度可達75m，按現(xiàn)場實際情況布置探水鉆孔，鉆進深度始終確保超過工作面距離25m以上。

2.涌水量計算

針對涌水量計算來說，主要有三種方法，一是理論公式法，但其應(yīng)用價值不是很高，主要是因為其使用條件相對比較苛刻，以實際的施工條件來看，很難出現(xiàn)與該方法貼合的條件。二是數(shù)值計算方法，該方法是較為廣泛采用的計算方法，但這種方法計算相對比較復(fù)雜，成本較高，不過能夠取得相對準(zhǔn)確的結(jié)果。三是經(jīng)驗公式法，這是目前采用得比較多的計算方法，但在某些特定的工況下單純的經(jīng)驗公式法也并不一定適用，所以半經(jīng)驗半理論的計算方法采用得更多，其公式如下：

公式中，分別表示隧道穿越含水地段的涌水量（m3/（d m））及總涌水量（m3/d）；分別表示洞內(nèi)排水水深（）以及洞身橫截面寬（）；分別為經(jīng)驗系數(shù)（）以及含水層長（），分別表示含水體厚度（m）及隧道底部到隔水層距離（m）；R，K分別代表隧道一側(cè)的影響范圍（m）以及含水體滲透系數(shù)（m/d）。

三、排水設(shè)計

1.排水方案及原則

輔助斜井埋深大，涌水量大，水量變化大等特點，結(jié)合上文分析，根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)臨時抽排水系統(tǒng)，同時根據(jù)工期進度以及水量變化設(shè)置系統(tǒng)排水，確保排水順暢，系統(tǒng)排水設(shè)兩個級別的泵站，采用機械排水。

2.臨時抽排水

安出水點分布以及涌水量大小布置臨時排水系統(tǒng)。如果出水量大，則選擇大功率水泵，開挖大容積集水坑，反之則盡量選擇小容量集水坑和小功率水泵，排水管道，法蘭連接。布置位置為系統(tǒng)排水同一側(cè)，避免影響交通。掌子面則采用消防管道。

3.系統(tǒng)抽排水

儲水池按隧道長短、高差決定布置數(shù)量，涌水量決定儲水池容積，至少要能夠存儲1h內(nèi)所轄范圍涌水量。為保證排水設(shè)施的正常運行，采用雙回路電源，有條件可布置發(fā)電機組，確保排水設(shè)置24h均能正常運行。管路選擇焊接鋼管，每臺水泵配置一條管路。

四、注漿技術(shù)

1.裂隙—溶隙涌水注漿防治技術(shù)

根據(jù)突涌水在該模式下的機理，如果出現(xiàn)涌水且水量較小，且涌水點呈分散狀態(tài)，按“排水為主”原則，在進行后續(xù)施工當(dāng)中，主要采用掘進，并帶水施工，加快施工進度直接強行通過。當(dāng)涌水量大、涌水點富集時，按“超前封堵”原則，采用頂水注漿的方式對涌水點進行處理，并按照基巖裂隙水體的分布情況，使用分區(qū)注漿。

2.構(gòu)造帶涌水注漿防治技術(shù)

考慮構(gòu)造帶涌水危害性大，為有效防止出現(xiàn)涌水災(zāi)害，需考慮預(yù)留足夠厚度的巖盤。

從隧道力學(xué)角度來看，掌子面前方出現(xiàn)塑性區(qū)是必然現(xiàn)象，這種情況會使?jié)B透系數(shù)增大，并使巖層阻水等物理力學(xué)性能降低，所以需要對起著真正阻水作用的巖體進行考慮。

式中，C表示巖盤周長；c表示飽和粘聚力；A表示安全厚度的巖盤斷面面積；分別表示內(nèi)摩擦角及測壓系數(shù)；表示埋深。

根據(jù)該公式，以隧道圓形截面，安全厚度可作為隧道等效洞徑倍數(shù)，因此，可得公式：

根據(jù)上文的內(nèi)容，在對突涌水進行處理時需要根據(jù)實際情況，采取相應(yīng)的注漿措施，并根據(jù)實際情況以及制定的措施，選取注漿液，推薦使用水泥單液漿。本文列舉的隧道工程使用的混凝土強度為C25，設(shè)計時采用3m厚止?jié){墻處理涌水，在隧道周邊輪廓當(dāng)中嵌入厚度1m，同時預(yù)留有5m的巖盤。

五、結(jié)語

由于斜井反坡掘進施工，突涌水嚴(yán)重影響施工安全。通過對突涌水機理進行分析，同時根據(jù)具體的工程實際，采取科學(xué)的方法超前探測及計算涌水量，針對突涌水進行重點分析，通過建立止?jié){墻、預(yù)留巖盤等方式，注漿治水。在落實好隧道抽排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合超前探測及突涌水防治技術(shù)，排水為主，堵水為輔，保證了斜井施工的安全和比較順利的完成。

（作者單位：中鐵二十三局集團第四工程有限公司）