隧道工程超前深孔真空降水技术研究

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摘要：程儿山隧道穿越成岩作用差的第三系富水砂岩地层，砂岩含水率较大，开挖支护时坍塌严重，初支易变形开裂，严重影响施工安全、质量和进度.经多次摸索优化及论证，在坡度较大的1#斜井采用超前深孔真空降水技术，能有效地降低砂岩含水率，使砂岩处于基本稳定状态，通过降水有效地控制了第三系富水砂岩的涌水涌砂影响，降低了施工难度，使得开挖及支护作业正常化、常态化，有效地确保了施工安全、质量，大大提高了工程施工进度，并将为类似地质隧道施工提供借鉴与参考.

关键词：隧道斜井；富水砂岩；超前深孔真空降水

程儿山隧道穿越成岩作用差的第三系富水砂岩地层时，砂岩含水率较大，局部存在股状水带砂涌出，开挖扰动后围岩易软化失稳，初支易变形坍塌，处理不当甚至会发生工程事故.在其他类似地质隧道中一般采用真空轻型井点降水技术[1]，因受降水管材、设备、布管参数等局限性影响，在程儿山隧道富水砂岩应用效果不理想，且降水和开挖工序相互干扰较大.经过多次对降水管材、布管参数摸索优化及论证，最终形成了超前深孔真空降水技术，有效降低了砂岩含水率，降水后砂岩处于基本稳定状态，有效保证了施工安全、质量和进度要求.

1工程概况

程儿山隧道位于宁夏固原市郊，是中铝宁夏能源集团有限公司投资建设的原州区至王洼铁路运煤专线控制性工程，设计技术标准为地方铁路I级，单线隧道，建设单位为宁夏六盘山铁路有限公司.程儿山隧道地处黄土梁峁区，进口位于清石河右岸，出口位于大庄沟边，隧道正洞起讫里程为DK5+345～DK11+788，全长6443m（6m明洞），进出口埋深较小，最小埋深为9m，平均埋深130~140m，最大埋深290m.隧道设2座斜井辅助施工，1#斜井长1038m，2#斜井长1036m，斜井综合纵向坡度为10.6%，最大坡度为12%，隧道正洞及斜井均穿越第三系富水砂岩地层，斜井进入正洞后形成4个掌子面向前掘进，斜井及时穿越第三系富水砂岩地层进入正洞Ⅳ级围岩施工，是保障隧道按计划工期贯通的关键所在.程儿山隧道斜井围岩主要为第四系上更新统风积砂质黄土、第三系富水砂岩.地下水为裂（孔）隙水，大气降水通过沟谷及第四系孔隙垂向渗入补给深层基岩裂（孔）隙或沿基岩面径流，季节性变化较明显，局部砂岩胶结不均，地下水从胶结较差的砂岩处涌出，水路无规律性，常出现较大的集中涌水涌砂情况.第三系富水砂岩在含水率低或无地下水地层，围岩稳定性较好，开挖支护顺利，当砂岩含水率增大，原状砂岩迅速恶化，呈流砂状外涌，开挖扰动后砂岩结构迅速破坏，工程性质迅速恶化，砂岩呈饱和的细砂状，围岩稳定性迅速变差，开挖支护困难.1#斜井斜4+64～斜1+90段为第三系富水砂岩区，由于斜井为12%反坡，砂岩整体含泥量低，渗透性强，四周地下水汇集到掌子面，砂岩随渗涌水被带出，形成较大的空洞，拱部及边墙易变形及坍塌，且危及施工人员及设备的安全.根据现场水表测水量得出：砂岩最大涌水量为1570m3/d，平均涌水量为800~1000m3/d.

2降水设计方案

2.1超前深孔真空降水

超前深孔真空降水断面布置见图1和图2.（1）上台阶拱部降水管布置：沿拱部开挖线布孔，管长12m，环向间距0.3m，沿开挖线外插角15°~30°，每4m设置1环.（2）上台阶核心土降水管布置：管长12m，横向间距0.5m，向上倾角15°~30°，每4m设置1环.（3）上台阶底部降水管布置：管长12m，横向间距0.5m，向下倾角15°，每4m设置1环.（4）下台阶边墙降水管布置：沿上台阶拱脚两侧斜竖向各设1排，管长9m，纵向间距0.5m，向外倾角30°，向前倾角30°，每4m设置1环.（5）断面截断降水管布置：垂直下台阶边墙两侧横向布控，管长6m，间距1m，每隔20m设置1排.（6）降水管连接方法：主管采用准75mm钢管，按间距0.2~0.5m沿管身设置支管连接口，支管（准32mm）和主管之间采用32mm钢丝软管连接，采用10#铅丝绑扎牢固，密封胶布缠紧，并在连接部位加设阀门，控制井管降水，主管每1.5m一节，管一端采用8mm钢板密封焊接牢固，一端采用准75mm钢丝软管和真空泵连接，真空泵悬挂于距操作面高度1.5m左右的两侧边墙上，并整齐摆放固定好.（7）降水管加工：降水管每根长6~12m，采用每节长1.5m的准32高频焊管分段包扎焊接连接而成.降水管壁钻8mm透水孔，间距10cm梅花形布置（管端1.5m不设透水孔），并包双层过滤层，即土工布包裹一层，再包100目滤网一层，降低砂岩的流失率，包完后每间隔20cm采用扎丝绑紧.准32mm降水钢管采用准25mm钢管作为每节管接头，焊接连接.管头底端采用3mm钢板封底，并焊接准8mm圆钢（图3）.（8）降水要求：①降水前应进行试抽水试验，确认无漏水和漏气异常现象，降水过程中，真空负压控制在-0.06MPa以下，真空泵压力控制在55kPa以上，为保证连续不断抽降水，应备用双电源，以防断电[1]；②降水必须根据掌子面开挖及时推进，降水班组与开挖班组必须做好配合工作；③在隧道开挖过程中，将隧道底部潜水位降至隧道底以下不少于1m的深度，防止仰拱开挖涌砂涌水；④加强对隧道内水位的观测，每天观测水位，及时掌握水位变化情况，以指导降水运行及隧道的开挖；⑤当砂岩渗透系数变大，涌水量增加时，宜将真空管间距适当加密；⑥集水总管标高宜尽量接近地下水位线，水泵轴心与总管齐平.

2.2掌子面后方截排水

斜井为12%反坡，如果掌子面后方渗涌水汇集到掌子面，会破坏围岩稳定性，影响降水效果，因此需对后方自流水经横纵向截排水沟汇集到集水井，再由泵站排出洞外，横纵向截排水沟及集水井尺寸按汇水量大小确定（图4）.

3降水成果

3.1未采取降水措施前施工情况

第三系富水砂岩含水率高，开挖扰动后呈淤砂状态（图5），砂岩在水的作用下工程性质迅速变差，基本无自稳性，开挖时涌水涌砂现象严重，初支易变形、背后易形成空洞，仰拱底部淤沙厚，承载力降低，存在很大的安全质量风险.施工过程中采取了旋喷桩、帷幕注浆、轻型井点真空降水等施工方案措施均未达到预期效果，现场基本处于半施工半停工状态.

3.2采取降水措施后施工情况

经过各参建单位不断摸索优化，采取了超前深孔真空降水措施后（图6），将富水砂岩含水率控制在砂岩塑性变形含水率10%以下，使围岩基本处于稳定状态（图7），初支变形减小，降水后采用常规隧道施工技术就可以正常掘进，每月进尺由原来5m提高至15~20m.4结论（1）在第三系富水砂岩地层施工中，地下水处理是重中之重，只有采用合理的降水措施才能保证正常开挖掘进，避免因地下水造成围岩结构破坏、围岩软化变形，甚至发生工程事故[2].（2）超前深孔真空降水措施解决了第三系富水砂岩地层施工难题，有效降低了砂岩含水率，保持围岩处于基本稳定状态，降水后砂岩基本达到潮湿状态，易于开挖支护，施工安全系数高，并有效保证了施工安全、质量和进度要求.（3）超前深孔真空降水技术打破了常规的真空轻型井点降水施工工艺的思路，沿两侧已支护拱墙及底部布孔，大大降低了开挖过程中降水管的影响，确保了边开挖、边降水的效果，工序相互影响小.（4）在坡度较大的斜井施工中，掌子面后方汇集水严重影响掌子面砂岩稳定性及降水效果，利用横纵向截排水系统很好地解决了此问题.（5）超前深孔真空降水技术效果理想，很好地解决了程儿山隧道第三系富水砂岩开挖支护困难等技术难题，1#斜井成功穿越富水砂岩地层，于2015年1月份进入正洞Ⅳ级围岩施工.

参考文献：

[1]李志军，王光伟，王建军.真空轻型井点降水技术在富水粉细砂岩隧道施工中的应用[J].施工技术，2014（增刊1）：410-413.

[2]祁卫华.第三系富水砂岩铁路隧道施工技术[J].现代隧道技术，2015，52（1）：176-183.

[3]中铁隧道集团有限公司.TZ331—2009：铁路隧道防排水施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[4]吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论[M].北京：人民交通出版社，2003.

作者：陈刚 单位：宁夏六盘山铁路有限公司