富水砂土互層隧道真空降水設(shè)計(jì)的施工技術(shù)論文
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(jì)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(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。
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(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長準(zhǔn)32mmPRV冷水管，下端接長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(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。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(diǎn)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(diǎn)施工工藝。施工準(zhǔn)備→測量定點(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(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(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)備的總管長度一般不大于40～50m。當(dāng)主管過長時(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(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，必須對降水管進(jìn)行逐根排查，看有無漏氣，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(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、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)檐浰軤睿_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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