未成巖富水地層隧道洞內(nèi)綜合降水施工技術(shù)

鄒 翀，張文新

(1.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458； 2.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

針對(duì)未成巖富水地層，為了施工安全和順利，降水措施是隧道施工的關(guān)鍵工序，也是工程施工成敗的關(guān)鍵。通過(guò)降水，使地下水位降至開(kāi)挖面以下，降水作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：防止地下水因滲漏流而產(chǎn)生流沙或管涌等破壞現(xiàn)象；消除或減少隧道邊墻或基坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的靜水壓力和滲透壓力，提高隧道或基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；避免帶水作業(yè)，使隧道或基坑施工能在水位以上進(jìn)行，為施工提供方便，也利于提高施工質(zhì)量。

1 工程概況

某鐵路隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道，隧道進(jìn)口位于蘭州東站東端，出口位于蘭州市榆中縣方家泉村。起訖里程 DK3+430—DK6+655，全長(zhǎng)3 225m。根據(jù)施工組安排和工期需要，隧道增加 5 座斜井。隧道穿越地層為第三系富水粉細(xì)砂；巖層致密，無(wú)膠結(jié)；成巖作用差，稍有擾動(dòng)即呈松散粉狀結(jié)構(gòu)，在富水時(shí)呈流塑狀，基本無(wú)自穩(wěn)能力，極易發(fā)生溜塌。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，預(yù)測(cè)隧道正常涌水量為558.4m3/d，最大涌水量為1 1l6.8m3/d，孔隙率為22%～26%，孔隙比為0.36～0.4，飽和度為3.9%～20%，實(shí)測(cè)最大飽和度為20%，密度為2.63g/cm3，飽和試樣壓力為2～3MPa，非飽和試樣壓力為7～8MPa，滲透系數(shù)為2.3×10-3cm/s，含泥量5%～10%(較潔凈)。

隧道穿越的弱膠結(jié)砂巖地層在富水時(shí)基本無(wú)自穩(wěn)能力，呈流塑狀，極易發(fā)生溜塌。圍巖在滲水情況下，原狀土易迅速惡化呈流沙外涌。在隧道施工過(guò)程中，掌子面多次發(fā)生流坍，邊墻兩側(cè)及拱頂極易垮塌，初期支護(hù)開(kāi)裂變形嚴(yán)重。

2 降水方案設(shè)計(jì)

隧道施工中采用臺(tái)階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、超前雙導(dǎo)洞法等施工，不同施工都采取了相應(yīng)的降水措施。總體而言，不同施工方法的降水措施都是以臺(tái)階法施工的降水措施為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化來(lái)適用其工法施工。洞內(nèi)超前綜合降水實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)全方位降水，為隧道創(chuàng)造無(wú)水或少水條件施工?；诖?，隧道超前降水分為工作面超前深孔降水、洞內(nèi)輕型井點(diǎn)降水和垂直降水井降水3部分，三級(jí)降水在施工中有所不同。三級(jí)降水方式井管布置如圖1所示。

圖1 三級(jí)綜合降水方式井管布置示意

洞內(nèi)綜合降水方案參數(shù)分述如下。

1)工作面超前深孔降水 掌子面中下臺(tái)階兩側(cè)環(huán)向打設(shè)8個(gè)間距1m、長(zhǎng)20m、直徑65mm的超前真空降水孔，所有降水孔末端與真空泵相連接，利用真空泵的負(fù)壓將掌子面前方未開(kāi)挖圍巖內(nèi)的飽和水集中抽排，以保證在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖達(dá)到無(wú)水、少水、無(wú)壓狀態(tài)。

2)輕型井點(diǎn)降水 正洞在中臺(tái)階布置長(zhǎng)度4.0m的φ32 PVC管，外插角60°，縱向間距0.5～0.75m；下臺(tái)階兩側(cè)拱腳安設(shè)長(zhǎng)度5.0m的φ32 PVC管，外插角30°，縱向間距0.5～0.75m，2排真空降水管縱向間距0.75m。

3)垂直降水井降水 垂直降水井井管直徑為150mm、深度為5m、沿隧道方向間距10m、左右梅花形布置，開(kāi)挖仰拱前在下臺(tái)階位置進(jìn)行施作。

4)真空泵采用7.5kW功率真空泵進(jìn)行抽水。

3 降水施工

洞內(nèi)超前綜合降水主要包括工作面超前深孔降水、洞內(nèi)輕型井點(diǎn)降水和垂直降水井降水3部分，三級(jí)降水在施工中有所不同：①超前深孔降水孔施作在上臺(tái)階掌子面前方，預(yù)先有效降低工作面前方地下水，為在降水施工中處于最先施工的降水措施；②輕型井點(diǎn)降水應(yīng)用于隧道開(kāi)挖施工中，布置在各臺(tái)階底面兩側(cè)拱腳位置抽排局部有水地段；③仰拱開(kāi)挖前在下臺(tái)階底面位置設(shè)置垂直降水井，以抽排隧道基底以下范圍的地下水，為最后施工的降水措施。因此，三級(jí)降水在施作時(shí)間和空間上有不同，與施工工序的銜接也存在不同。三級(jí)降水與施工關(guān)系流程如圖2所示。

圖2 三級(jí)降水與施工關(guān)系流程

3.1 超前降水的施作

超前深孔降水孔施作以有效降低工作面前方地下水為主要任務(wù)，因此施作掌子面前方。施工中調(diào)整超前降水管的數(shù)量和布設(shè)位置，縮短超前降水管長(zhǎng)度，減少超前降水孔的施工工作量，使降水管長(zhǎng)度與干式真空泵的抽水能力相匹配，同時(shí)也達(dá)到了降水效果，為后續(xù)施工超前降水布置奠定了基礎(chǔ)(見(jiàn)圖3)。

圖3 超前降水管與真空泵現(xiàn)場(chǎng)布置

3.2 輕型井點(diǎn)降水施作

降水初期輕型井點(diǎn)降水管分別布置在隧道上、中臺(tái)階拱腳下50cm處，降水管長(zhǎng)度4m，外插角60°，同時(shí)為了降低仰拱底部水位，在下臺(tái)階拱腳布置的降水管外插角30°，長(zhǎng)度5m；3排真空降水管縱向間距0.5～0.75m，支管與主管連接，將水通過(guò)主管排出，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，逐步優(yōu)化以中、下臺(tái)階的降水管降水為主，上臺(tái)階降水為輔的布設(shè)方式，在中臺(tái)階集中布置的降水管抽排。中、下臺(tái)階輕型降水管的抽排是對(duì)超前深孔施工降水的補(bǔ)充。輕型井點(diǎn)降水管布置如圖4所示。

圖4 輕型井點(diǎn)降水管布置

3.3 垂直降水井降水設(shè)計(jì)

隧道在進(jìn)行了超前深孔降水和輕型井點(diǎn)降水后，掌子面圍巖自穩(wěn)性較好，開(kāi)挖施工較順利，但在仰拱施工過(guò)程中仍有涌泥涌水現(xiàn)象，說(shuō)明下臺(tái)階布置的輕型井點(diǎn)降水對(duì)仰拱處的降水未達(dá)到預(yù)期效果，仰拱位置的地下水還需繼續(xù)抽排。

仰拱處地下水采用大口徑垂直降水井降水方式，布設(shè)在開(kāi)挖仰拱段前方下臺(tái)階地面位置，沿隧道中線左、右側(cè)各設(shè)1口，降水井采用梅花形布置，單側(cè)間距10m。濾水管井口1～2m與周邊富水粉細(xì)砂層之間的空隙采用M10砂漿封孔，封孔必須搗固密實(shí)，防止漏氣影響降水效果。

降水井井口高程為隧道底板頂面高程，降水井打設(shè)深度約5m，基本上制止了仰拱出現(xiàn)大的涌砂涌水現(xiàn)象，保證了仰拱順利施工，現(xiàn)場(chǎng)施作如圖5所示。

圖5 垂直降水井現(xiàn)場(chǎng)施作

通過(guò)超前深孔預(yù)先降水降低隧道范圍內(nèi)地層含水量，輕型井點(diǎn)的快速抽排近距離范圍地下水和垂直降水井抽排的下部地層地下水，從多個(gè)角度進(jìn)行了降水，使得降水后的開(kāi)挖掌子面保持穩(wěn)定，為隧道施作初期支護(hù)、下循環(huán)降水管施工提供了充足時(shí)間，有力保證了隧道施工。

4 應(yīng)用效果

4.1 含水率變化

降水施工中，在隧洞仰拱的下部和隧洞的邊墻位置埋設(shè)相應(yīng)的孔隙水壓力計(jì)，來(lái)量測(cè)相應(yīng)點(diǎn)處的孔隙水壓力，并換算得到該處的壓力水頭為0的點(diǎn)的位置(位于水位線上的點(diǎn)壓力為0)，從而大致確定降水后的水位，并在下臺(tái)階底部、邊墻墻角的附近區(qū)域，采取現(xiàn)場(chǎng)取樣并及時(shí)密封進(jìn)行含水量測(cè)試。

隧道采用綜合降水方案對(duì)降水前后圍巖含水率進(jìn)行測(cè)試，在下臺(tái)階底部、邊墻墻角附近，采取現(xiàn)場(chǎng)土樣并及時(shí)密封。如圖6所示，T1，T2分別為左、右側(cè)的取樣含水率測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖6 含水率變化曲線

由圖6可知，在隧道施工過(guò)程中，隨著降水進(jìn)行，地層含水量逐漸下降，在仰拱施工中下降到最小，隨著仰拱施作完成，降水逐步停止，地下水位回升。

4.2 水壓力變化

洞內(nèi)綜合降水過(guò)程分3步施工，每部做完便開(kāi)始降水，在垂直降水井施作完成2d后，水位基本趨于穩(wěn)定，根據(jù)測(cè)得水壓力的數(shù)據(jù)初步勾勒出地下水位線，如圖7所示。

圖7 洞內(nèi)綜合降水垂直降水井施作2d后實(shí)測(cè)水位

由圖7所示水位線可知，實(shí)測(cè)降水漏斗曲線與分析計(jì)算得到的曲線形狀相似，由于施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較復(fù)雜，實(shí)測(cè)曲線與計(jì)算得到的曲線在數(shù)值上存在一定誤差，但規(guī)律一致。

隨著綜合降水繼續(xù)，仰拱處設(shè)置的垂直深井的降水趨于穩(wěn)定，這時(shí)，隧洞掌子面兩側(cè)和上方的地下水開(kāi)始沿不透水的初期支護(hù)匯入斜插的降水管和仰拱處的輕型井點(diǎn)中，最終形成穩(wěn)定的降水漏斗曲線，并且水位鉆時(shí)間內(nèi)降至掌子面之下，可滿足仰拱的施作條件。

降水提高了降水效果，有效降低砂層含水率，防止涌水涌砂，保證了開(kāi)挖面穩(wěn)定，使隧道日平均進(jìn)尺提高到0.6～0.8m，有力保證了隧道施工安全，加快了施工進(jìn)度，降低了施工成本，提高了工程質(zhì)量，保護(hù)了周圍環(huán)境。

5 施工中注意事項(xiàng)

1)綜合降水管設(shè)計(jì)應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)、高效的原則。

2)降水過(guò)程中認(rèn)真檢查真空降水管路和井口封堵是否嚴(yán)密，使降水正常運(yùn)轉(zhuǎn)。尤其是超前深孔降水孔端頭的密封性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用，改進(jìn)了端頭密封方法，如圖8所示。

圖8 降水管端頭密封

3)未成巖富水地層中，降水和注漿都按隧道施工作業(yè)中的工序考慮，降水要每循環(huán)都需施作，保證抽水連續(xù)性；而注漿是間斷性施作，起到關(guān)鍵位置輔助加固作用。

6 結(jié)語(yǔ)

1)結(jié)合未成巖富水地層特點(diǎn)，通過(guò)采用工作面超前深孔降水、開(kāi)挖輕型井點(diǎn)緊跟降水和后續(xù)仰拱底面垂直降水井后續(xù)降水相結(jié)合的洞內(nèi)三級(jí)綜合降水方式，從施工的多個(gè)角度進(jìn)行降水，有效降低了地層中的地下水含率。

2)三級(jí)降水與隧道開(kāi)挖支護(hù)施工密切相關(guān)，且把降水納入隧道施工工序進(jìn)行管理，使其循環(huán)施作，連續(xù)抽水使地層達(dá)到無(wú)水或少水狀態(tài)。

3)未成巖富水地層的施工應(yīng)遵循“降水是基礎(chǔ)，超前加固是保障，快速封閉施工是關(guān)鍵”的原則，使超前注漿加固與綜合降水相結(jié)合進(jìn)行補(bǔ)充，并采用強(qiáng)支護(hù)，使隧道施工順利。