富水砂土互層隧道真空降水設(shè)計的施工技術(shù)
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摘要：以蒙華鐵路陽城隧道施工為背景，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)計及施工技術(shù)。對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)場工程地質(zhì)特性、水文地質(zhì)，隧道內(nèi)水的補給形式和涌水量和變化規(guī)律采取真空降水治水設(shè)計和技術(shù)措施，以保證隧道施工安全，確保工程順利施工。
關(guān)鍵詞：地質(zhì)；富水砂土互層；真空降水
1工程概況
陽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7108.25m，隧道最大埋深約207m。陽城隧道區(qū)內(nèi)地形受地臺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，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、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
①掌子面圍巖為砂質(zhì)、黏質(zhì)新黃土交錯、層狀結(jié)構(gòu)，含水率大，高達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，土體自動流淌涌出，不能自穩(wěn)，無法進行開挖作業(yè)。②未成巖的全風化白堊系砂巖，呈松散狀，顆粒級配不良，黏聚力c值小，塑性低。含砂率偏大，顆粒偏細。整體結(jié)構(gòu)松散，觸變性強，對變形非常敏感，稍有擾動即可能發(fā)生大的溜塌，輕者造成空洞，重者引起較大的塌方。③圍巖自身無任何承載力，全靠初支承受荷載。開挖擾動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89cm，初支出現(xiàn)環(huán)向貫通裂縫，縫寬最大達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狀提高圍巖力學強度和自穩(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)
井點降水適用于透水性較強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降水為主。地層含水量大降水困難時輔以超前深孔降水，集水井積水，完善的排水系統(tǒng)將水分級排至洞外。通過超前降水、輕型井點降水措施，圍巖含水量降低，砂巖物理狀態(tài)由流塑狀變?yōu)楣腆w狀提高圍巖力學強度和自穩(wěn)能力。3.1輕型井點真空降水輕型井點降水是豎向排水。輕型井點降水在隧道一側(cè)或兩側(cè)埋設(shè)井點管深入含水層內(nèi)，井點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，啟動抽水設(shè)備，地下水在真空泵的吸力作用下，經(jīng)濾水管進入井點管和集水總管，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。本法機具設(shè)備簡單、使用靈活、裝拆方便、降水費用低降水效果好。輕型井點降水設(shè)計：①井點管設(shè)計。輕型井點降水井點管采用4m長準32mmPRV冷水管，下端接長1m同直徑鉆有準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號鉛絲。連接彎管用膠皮管連接井點管和總管?？偣苡脺?5mmPRV冷水管帶接頭，采用熱熔法密封。②井點管降水機具。真空泵：生產(chǎn)率4.4m3/min；真空度100kPa，電動機功率5.5kW，轉(zhuǎn)速1450r/min。離心水泵：生產(chǎn)率20m3/h；揚程25m；抽吸真空高度7m，吸口直徑50mm；電動機功率2.8kW，轉(zhuǎn)速2900r/min。③井點管布置。井點管布置依據(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，臺階處根據(jù)滲水量大小、臺階高度調(diào)節(jié)，含水層濾管高程應(yīng)高差應(yīng)小于臺階高度1/2倍。輕型井點降水井點管按照雙排線性布置，每排距離初支面大于1m，防止支護過程中對圍巖擾動從而出現(xiàn)井點漏氣，單排行距0.5m，防止距離太小串孔。隧道為排出襯砌背后圍巖和開挖方向地下水井點管豎向設(shè)傾角，保證同一地面高度含水層濾管高程保持一致，臺階處含水層濾管高程應(yīng)高差應(yīng)小于臺階高度1/2倍。上中下臺階布井點管置如下：1）上臺階拱腳兩側(cè)斜向下外插打豎向降水管，降水管長3m，縱向間距為0.5m，外傾角30°，向前傾斜角30°。2）中臺階拱腳兩側(cè)斜向下外插打豎向降水管，降水管長5m，縱向間距0.5m，向外傾斜角60°，向前傾斜角30°。3）下臺階兩側(cè)拱腳斜向下外插打豎向降水管，降水管長5m，縱向間距0.5m，向外傾斜角30°，向前傾斜角60°。④井點施工工藝。施工準備→測量定點→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。井點成孔采用回旋式或沖擊式鉆機成孔，孔徑30cm,井深比井點設(shè)計深50cm；洗井用0.6m3空壓機或水泵將井內(nèi)泥漿抽出；井點徐徐插入井孔中央，外露出地面20cm，倒入5～30mm石子，使管底高50cm。再沿井點管四周均勻投放2～4mm粗砂，上部1m深用黏土填實防漏氣。井點埋設(shè)完成連接總管。部件連接完成后與抽水設(shè)備相連，接通電源進行試抽水，檢查有無漏氣、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。針對掌子面地下水豐富，開挖時易發(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)計超前深孔真空降水管采用12m長準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?？偣苡脺?5mm鋼絲軟管帶接頭密封。超前深孔降水機具同井點管降水機具。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)掘進進尺和出水量決定，必須深入含水層。超前深孔降水沿上臺階周邊按環(huán)向間距0.3m布孔，管長12m，每3m設(shè)置一環(huán)。上臺階核心及底部按橫向間距0.5m布孔，管長12m，每3m設(shè)置一環(huán)。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降水。超前深孔真空降水采用地質(zhì)鉆機（鉆桿為準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接（可點焊）。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地段滲水，作為輕型井點降水、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（自動抽水裝置）集中抽到洞內(nèi)集水箱內(nèi)，井點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
①一套抽水設(shè)備的總管長度一般不大于40～50m。當主管過長時，可采用多套抽水設(shè)備；井點系統(tǒng)可以分段，各段長度應(yīng)大致相等，宜在拐角處分段，以減少彎頭數(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，真空負壓控制在-0.06MPa以下，如果壓力升高，必須對降水管進行逐根排查，看有無漏氣，同時必須檢查插入土層中的井點管密封是否到位，漏氣部位必須采用膠布纏緊。④工地現(xiàn)場備足抽水泵，數(shù)量多于井數(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)及時換泵，壞泵應(yīng)立即修復(fù)，無法修復(fù)的應(yīng)及時更換。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)備在施工前及時做好調(diào)試工作，降水井在降水運行階段，電源必須保證，設(shè)置雙電網(wǎng)，確保降水井正常運行。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)。同時對于反坡隧道，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)場實際情況動態(tài)調(diào)整。即在降水前或降水過程中發(fā)現(xiàn)問題及時處理，達到安全施工。降水系統(tǒng)運行3～5天后水位降到設(shè)計要求，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)濟的，因此，在降水的過程中應(yīng)持續(xù)觀測、記錄地下水位的變化，水位穩(wěn)定后適當調(diào)整排水總量，以達到既經(jīng)濟又安全的效果。對于整個降水系統(tǒng)而言，如果發(fā)現(xiàn)降速太慢或達不到開挖深度時，應(yīng)及時調(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?，開挖時不再流淌，短時間內(nèi)有一定自穩(wěn)能力，提供一定的施工時間。使作業(yè)區(qū)域達到無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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[5]鐵路隧道工程施工技術(shù)指南，2008.
作者:蔣寧 單位:中鐵十七局集團第二工程有限公司