富水砂土互層隧道真空降水設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

蔣寧

摘要：以蒙華鐵路陽(yáng)城隧道施工為背景，介紹陜北地區(qū)黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地層中富水砂土互層設(shè)計(jì)及施工技術(shù)。對(duì)于該類富水砂土互層物理特征造成隧道施工極易引發(fā)涌水、涌砂、塌方等現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)特性、水文地質(zhì)，隧道內(nèi)水的補(bǔ)給形式和涌水量和變化規(guī)律采取真空降水治水設(shè)計(jì)和技術(shù)措施，以保證隧道施工安全，確保工程順利施工。

Abstract： Taking the construction of the Yangcheng Tunnel of the Menghua Railway as the background， this paper introduces the design and construction technology of the interbedded layer of water-rich sandy soil in the eroded Liangshugou Formation in the Loess Plateau of northern Shaanxi. For this kind of water-rich sand soil， the physical characteristics easily cause water inrush， sand inrush， and landslides in tunnelling. Combined with the engineering geological characteristics， hydrogeology， and the form of water recharge and water inflow in the tunnel， vacuum precipitation water control measures are adopted to ensure tunneling safety and ensure smooth construction.

關(guān)鍵詞：地質(zhì)；富水砂土互層；真空降水

Key words： geology；interbedded layer of water-rich sandstone；vacuum precipitation

中圖分類號(hào)：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）17-0174-03

1 工程概況

陽(yáng)城隧道位于陜西省榆林市靖邊縣龍洲鄉(xiāng)雙城村附近，為單洞雙線隧道，隧道總長(zhǎng)7108.25m，隧道最大埋深約207m。陽(yáng)城隧道區(qū)內(nèi)地形受地臺(tái)抬升及黃土高原水流向源侵蝕的影響，下切作用明顯，“V”字型沖溝發(fā)育，呈樹枝狀分布，形成溝壑縱橫、支離破碎的特點(diǎn)，地形較為復(fù)雜，為典型的黃土高原侵蝕性梁峁溝谷地貌類型。

DK245+072～DK245+190段施工中掌子面揭示地層為砂質(zhì)、黏質(zhì)新黃土交錯(cuò)、層狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)、厚層薄層交錯(cuò)層理構(gòu)造，結(jié)構(gòu)松散、節(jié)理裂隙發(fā)育富水飽和，呈流塑狀，自穩(wěn)能力極差；地質(zhì)條件異常復(fù)雜，地層變化較大，古沖溝發(fā)育，古基巖面（土石分界）起伏較大，地下水受下游麥家溝水庫(kù)人工蓄水的影響，地下水位抬升。古沖溝內(nèi)沉積白堊系全風(fēng)化砂巖，洞身處于地下水位以下。由于地下水的滲流作用，隧道開挖過程中地下水滲入隧道，軟化隧道圍巖，對(duì)軟質(zhì)圍巖的影響尤為突出。在該類地層中開挖隧道極易引發(fā)涌水、涌砂、塌方現(xiàn)象。

2 富水砂土互層特征及施工難點(diǎn)

①掌子面圍巖為砂質(zhì)、黏質(zhì)新黃土交錯(cuò)、層狀結(jié)構(gòu)，含水率大，高達(dá)22%。土體松軟，滲水量較大，局部呈泥漿狀、流塑狀，掌子面極易出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象，土體自動(dòng)流淌涌出，不能自穩(wěn)，無(wú)法進(jìn)行開挖作業(yè)。

②未成巖的全風(fēng)化白堊系砂巖，呈松散狀，顆粒級(jí)配不良，黏聚力c值小，塑性低。含砂率偏大，顆粒偏細(xì)。整體結(jié)構(gòu)松散，觸變性強(qiáng)，對(duì)變形非常敏感，稍有擾動(dòng)即可能發(fā)生大的溜塌，輕者造成空洞，重者引起較大的塌方。

③圍巖自身無(wú)任何承載力，全靠初支承受荷載。開挖擾動(dòng)在拱腳處易形成流砂，引起涌水涌砂，圍巖呈流塑狀，造成已施工段落初支沉降、變形較大，最大沉降達(dá)89cm，初支出現(xiàn)環(huán)向貫通裂縫，縫寬最大達(dá)9cm。

基于以上特征，通過降低含水率改變泥質(zhì)膠結(jié)砂巖物理狀態(tài)由流塑狀變?yōu)楣腆w狀提高圍巖力學(xué)強(qiáng)度和自穩(wěn)能力是解決富水砂土互層施工的關(guān)鍵。

3 富水砂土互層真空降水施工技術(shù)

井點(diǎn)降水適用于透水性較強(qiáng)的地層和透水性較差（透水系數(shù)10-5～10-2cm/s）的地層。降水方案在砂巖地段主要采用輕型井點(diǎn)降水為主。地層含水量大降水困難時(shí)輔以超前深孔降水，集水井積水，完善的排水系統(tǒng)將水分級(jí)排至洞外。通過超前降水、輕型井點(diǎn)降水措施，圍巖含水量降低，砂巖物理狀態(tài)由流塑狀變?yōu)楣腆w狀提高圍巖力學(xué)強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。

3.1 輕型井點(diǎn)真空降水

輕型井點(diǎn)降水是豎向排水。輕型井點(diǎn)降水在隧道一側(cè)或兩側(cè)埋設(shè)井點(diǎn)管深入含水層內(nèi)，井點(diǎn)管上端通過連接彎管與集水總管連接，集水總管與真空泵和離心水泵相連，啟動(dòng)抽水設(shè)備，地下水在真空泵的吸力作用下，經(jīng)濾水管進(jìn)入井點(diǎn)管和集水總管，排出空氣后，由離心水泵的排水管排出，使地下水降至基坑以下。本法機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單、使用靈活、裝拆方便、降水費(fèi)用低降水效果好。

輕型井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)：

①井點(diǎn)管設(shè)計(jì)。

輕型井點(diǎn)降水井點(diǎn)管采用4m長(zhǎng)？準(zhǔn)32mmPRV冷水管，下端接長(zhǎng)1m同直徑鉆有？準(zhǔn)15mm梅花孔（孔距25mm）的濾管，濾管末頭用100目紗網(wǎng)封堵，濾管外側(cè)用100目紗網(wǎng)包裹兩層作為濾網(wǎng)，每隔40cm纏10號(hào)鉛絲。

連接彎管用膠皮管連接井點(diǎn)管和總管。

總管用？準(zhǔn)75mmPRV冷水管帶接頭，采用熱熔法密封。

②井點(diǎn)管降水機(jī)具。

真空泵：生產(chǎn)率4.4m3/min；真空度100kPa，電動(dòng)機(jī)功率5.5kW，轉(zhuǎn)速1450r/min。

離心水泵：生產(chǎn)率20m3/h；揚(yáng)程25m；抽吸真空高度7m，吸口直徑50mm；電動(dòng)機(jī)功率2.8kW，轉(zhuǎn)速2900r/min。

③井點(diǎn)管布置。

井點(diǎn)管布置依據(jù)隧道寬度、地質(zhì)水文情況、工程性質(zhì)、降水深度確定。埋深依據(jù)降水深度和含水層位置決定，必須埋入含水層。同一地面高度含水層濾管高程保持一致，臺(tái)階處根據(jù)滲水量大小、臺(tái)階高度調(diào)節(jié)，含水層濾管高程應(yīng)高差應(yīng)小于臺(tái)階高度1/2倍。

輕型井點(diǎn)降水井點(diǎn)管按照雙排線性布置，每排距離初支面大于1m，防止支護(hù)過程中對(duì)圍巖擾動(dòng)從而出現(xiàn)井點(diǎn)漏氣，單排行距0.5m，防止距離太小串孔。輕型真空井點(diǎn)降水?dāng)嗝鎴D見圖1、圖2。

隧道為排出襯砌背后圍巖和開挖方向地下水井點(diǎn)管豎向設(shè)傾角，保證同一地面高度含水層濾管高程保持一致，臺(tái)階處含水層濾管高程應(yīng)高差應(yīng)小于臺(tái)階高度1/2倍。上中下臺(tái)階布井點(diǎn)管置如下：1）上臺(tái)階拱腳兩側(cè)斜向下外插打豎向降水管，降水管長(zhǎng)3m，縱向間距為0.5m，外傾角30°，向前傾斜角30°。2）中臺(tái)階拱腳兩側(cè)斜向下外插打豎向降水管，降水管長(zhǎng)5m，縱向間距0.5m，向外傾斜角60°，向前傾斜角30°。3）下臺(tái)階兩側(cè)拱腳斜向下外插打豎向降水管，降水管長(zhǎng)5m，縱向間距0.5m，向外傾斜角30°，向前傾斜角60°。

④井點(diǎn)施工工藝。

施工準(zhǔn)備→測(cè)量定點(diǎn)→水沖成孔→安裝井管、濾水管→孔口封堵→管線連接→試抽與檢查→正式抽水→排水。

井點(diǎn)成孔采用回旋式或沖擊式鉆機(jī)成孔，孔徑30cm，井深比井點(diǎn)設(shè)計(jì)深50cm；洗井用0.6m3空壓機(jī)或水泵將井內(nèi)泥漿抽出；井點(diǎn)徐徐插入井孔中央，外露出地面20cm，倒入5～30mm石子，使管底高50cm。再沿井點(diǎn)管四周均勻投放2～4mm粗砂，上部1m深用黏土填實(shí)防漏氣。

井點(diǎn)埋設(shè)完成連接總管。部件連接完成后與抽水設(shè)備相連，接通電源進(jìn)行試抽水，檢查有無(wú)漏氣、淤塞情況、出水情況是否正常，如有異常檢修后使用。

3.2 洞內(nèi)超前深孔真空降水

超前深孔真空降水水平斜傾向排水。針對(duì)掌子面地下水豐富，開挖時(shí)易發(fā)生涌水、涌砂、塌方現(xiàn)象，采用掌子面超前深孔真空降水。

3.2.1 降水管設(shè)計(jì)

超前深孔真空降水管采用12m長(zhǎng)？準(zhǔn)32mm鋼絲軟管，管端2m及管外0.5m段不設(shè)降水鉆孔，管身剩余部位鉆設(shè)？準(zhǔn)8mm孔（孔間距10cm梅花形布置）。管身末頭用100目紗網(wǎng)封堵，管身外側(cè)用100目紗網(wǎng)包裹兩層作為濾網(wǎng)，每隔20cm纏10號(hào)鉛絲。深入含水層處管頭密封。

連接彎管用膠皮管連接降水管和總管。

總管用？準(zhǔn)75mm鋼絲軟管帶接頭密封。

超前深孔降水機(jī)具同井點(diǎn)管降水機(jī)具。

3.2.2 降水管布置

降水管布置依據(jù)隧道寬度、地質(zhì)水文情況、工程性質(zhì)、出水量、出水位置確定。埋深依據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺和出水量決定，必須深入含水層。超前深孔降水沿上臺(tái)階周邊按環(huán)向間距0.3m布孔，管長(zhǎng)12m，每3m設(shè)置一環(huán)。上臺(tái)階核心及底部按橫向間距0.5m布孔，管長(zhǎng)12m，每3m設(shè)置一環(huán)。豎向深孔降水沿上臺(tái)階底部?jī)蓚?cè)各1排，縱向間距0.5m，管長(zhǎng)9m。詳見圖3、圖4。

3.2.3 超前深孔真空降水施工工藝

超前深孔真空降水施工工藝流程同井點(diǎn)降水。

超前深孔真空降水采用地質(zhì)鉆機(jī)（鉆桿為？準(zhǔn)73mm套管）成孔，成孔后退出。然后開始送降水管，每下一節(jié)降水管跟進(jìn)一節(jié)套管，降水管接頭焊接，送管后退出套管。降水管采用特殊結(jié)構(gòu)管頭的降水管與套管對(duì)接（可點(diǎn)焊）。采用C25噴射混凝土全封閉掌子面，厚度10cm。每排降水管與？準(zhǔn)75mm主管連接。

3.2.4 集水井設(shè)置

集水井設(shè)置在基底部位每20m左右各設(shè)置一處，主要匯集掌子面及已施做支護(hù)地段滲水，作為輕型井點(diǎn)降水、真空降水的輔助措施。為盡量減少掌子面滲出的水流對(duì)邊墻的影響，集水井設(shè)置在距離斜井邊墻不小于1m處；集水井井深1.5m，井徑100cm；集水井（自動(dòng)抽水裝置）集中抽到泵站集水箱再排水出洞外。

在隧道設(shè)置大型集水箱，設(shè)置排水系統(tǒng)。掌子面及已施做支護(hù)地段的滲水通過隧道兩側(cè)排水溝匯集到集水井內(nèi)，集水井（自動(dòng)抽水裝置）集中抽到洞內(nèi)集水箱內(nèi)，井點(diǎn)降水直接抽到集水箱。待集水箱內(nèi)淤泥沉積后轉(zhuǎn)抽到中心大型集水箱內(nèi)，再用離心泵通過排水管路排水洞外。

4 施工注意事項(xiàng)

①一套抽水設(shè)備的總管長(zhǎng)度一般不大于40～50m。當(dāng)主管過長(zhǎng)時(shí)，可采用多套抽水設(shè)備；井點(diǎn)系統(tǒng)可以分段，各段長(zhǎng)度應(yīng)大致相等，宜在拐角處分段，以減少?gòu)濐^數(shù)量，提高抽吸能力；分段宜設(shè)閥門，以免管內(nèi)水流紊亂，影響降水效果。②集水總管標(biāo)高宜盡量接近地下水位線并沿抽水水流方向有0.25%～0.5%的上仰坡度，水泵軸心與總管齊平。③降水過程中，真空負(fù)壓控制在-0.06MPa以下，如果壓力升高，必須對(duì)降水管進(jìn)行逐根排查，看有無(wú)漏氣，同時(shí)必須檢查插入土層中的井點(diǎn)管密封是否到位，漏氣部位必須采用膠布纏緊。④工地現(xiàn)場(chǎng)備足抽水泵，數(shù)量多于井?dāng)?shù)的10%。使用的潛水泵要做好日常保養(yǎng)工作，經(jīng)常檢查泵的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)不正常應(yīng)及時(shí)換泵，壞泵應(yīng)立即修復(fù)，無(wú)法修復(fù)的應(yīng)及時(shí)更換。⑤降水工作與隧道開挖施工密切配合，確保隧道開挖安全。⑥降水設(shè)備在施工前及時(shí)做好調(diào)試工作，降水井在降水運(yùn)行階段，電源必須保證，設(shè)置雙電網(wǎng)，確保降水井正常運(yùn)行。⑦為保證降水效果，避免循環(huán)降水，務(wù)必做好排水系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)于反坡隧道，除做好距離開挖工作面附近2～3m處的集水坑外，對(duì)于隧道底板已完成的部分，宜每隔4～6m設(shè)置一道截水槽，每隔20～30m設(shè)置1處集水坑，集水坑位置在截水槽的一端或兩端，以避免底板已完成部分的壓力水回灌到工作面處，影響正常施工。⑧施工過程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。即在降水前或降水過程中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，達(dá)到安全施工。降水系統(tǒng)運(yùn)行3～5天后水位降到設(shè)計(jì)要求，如果排水量不變持續(xù)抽水，地下水位將持續(xù)不斷的下降，也是不經(jīng)濟(jì)的，因此，在降水的過程中應(yīng)持續(xù)觀測(cè)、記錄地下水位的變化，水位穩(wěn)定后適當(dāng)調(diào)整排水總量，以達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又安全的效果。對(duì)于整個(gè)降水系統(tǒng)而言，如果發(fā)現(xiàn)降速太慢或達(dá)不到開挖深度時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)泵量，加大排水量；反之，要求減少排水量。

5 結(jié)論

井點(diǎn)降水、超前深孔降水在富水砂土互層地質(zhì)條件下施工有效降低了圍巖含水率，穩(wěn)固圍巖，圍巖由流塑狀變?yōu)檐浰軤?，開挖時(shí)不再流淌，短時(shí)間內(nèi)有一定自穩(wěn)能力，提供一定的施工時(shí)間。使作業(yè)區(qū)域達(dá)到無(wú)水或少量滲水的狀態(tài)，滿足隧道施工要求。確保了隧道開挖的質(zhì)量和安全。

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