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富水砂土互层隧道真空降水设计的施工技术

摘要:以蒙华铁路阳城隧道施工为背景,介绍陕北地区黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地层中富水砂土互层设计及施工技术。对于该类富水砂土互层物理特征造成隧道施工极易引发涌水、涌砂、塌方等现象,结合现场工程地质特性、水文地质,隧道内水的补给形式和涌水量和变化规律采取真空降水治水设计和技术措施,以保证隧道施工安全,确保工程顺利施工。

关键词:地质;富水砂土互层;真空降水

1工程概况

阳城隧道位于陕西省榆林市靖边县龙洲乡双城村附近,为单洞双线隧道,隧道总长7108.25m,隧道最大埋深约207m。阳城隧道区内地形受地台抬升及黄土高原水流向源侵蚀的影响,下切作用明显,“V”字型冲沟发育,呈树枝状分布,形成沟壑纵横、支离破碎的特点,地形较为复杂,为典型的黄土高原侵蚀性梁峁沟谷地貌类型。DK245+072~DK245+190段施工中掌子面揭示地层为砂质、黏质新黄土交错、层状结构,泥质胶结、砂质结构、厚层薄层交错层理构造,结构松散、节理裂隙发育富水饱和,呈流塑状,自稳能力极差;地质条件异常复杂,地层变化较大,古冲沟发育,古基岩面(土石分界)起伏较大,地下水受下游麦家沟水库人工蓄水的影响,地下水位抬升。古冲沟内沉积白垩系全风化砂岩,洞身处于地下水位以下。由于地下水的渗流作用,隧道开挖过程中地下水渗入隧道,软化隧道围岩,对软质围岩的影响尤为突出。在该类地层中开挖隧道极易引发涌水、涌砂、塌方现象。

2富水砂土互层特征及施工难点

①掌子面围岩为砂质、黏质新黄土交错、层状结构,含水率大,高达22%。土体松软,渗水量较大,局部呈泥浆状、流塑状,掌子面极易出现开裂、脱落现象,土体自动流淌涌出,不能自稳,无法进行开挖作业。②未成岩的全风化白垩系砂岩,呈松散状,颗粒级配不良,黏聚力c值小,塑性低。含砂率偏大,颗粒偏细。整体结构松散,触变性强,对变形非常敏感,稍有扰动即可能发生大的溜塌,轻者造成空洞,重者引起较大的塌方。③围岩自身无任何承载力,全靠初支承受荷载。开挖扰动在拱脚处易形成流砂,引起涌水涌砂,围岩呈流塑状,造成已施工段落初支沉降、变形较大,最大沉降达89cm,初支出现环向贯通裂缝,缝宽最大达9cm。基于以上特征,通过降低含水率改变泥质胶结砂岩物理状态由流塑状变为固体状提高围岩力学强度和自稳能力是解决富水砂土互层施工的关键。

3富水砂土互层真空降水施工技术

井点降水适用于透水性较强的地层和透水性较差(透水系数10-5~10-2cm/s)的地层。降水方案在砂岩地段主要采用轻型井点降水为主。地层含水量大降水困难时辅以超前深孔降水,集水井积水,完善的排水系统将水分级排至洞外。通过超前降水、轻型井点降水措施,围岩含水量降低,砂岩物理状态由流塑状变为固体状提高围岩力学强度和自稳能力。3.1轻型井点真空降水轻型井点降水是竖向排水。轻型井点降水在隧道一侧或两侧埋设井点管深入含水层内,井点管上端通过连接弯管与集水总管连接,集水总管与真空泵和离心水泵相连,启动抽水设备,地下水在真空泵的吸力作用下,经滤水管进入井点管和集水总管,排出空气后,由离心水泵的排水管排出,使地下水降至基坑以下。本法机具设备简单、使用灵活、装拆方便、降水费用低降水效果好。轻型井点降水设计:①井点管设计。轻型井点降水井点管采用4m长准32mmPRV冷水管,下端接长1m同直径钻有准15mm梅花孔(孔距25mm)的滤管,滤管末头用100目纱网封堵,滤管外侧用100目纱网包裹两层作为滤网,每隔40cm缠10号铅丝。连接弯管用胶皮管连接井点管和总管。总管用准75mmPRV冷水管带接头,采用热熔法密封。②井点管降水机具。真空泵:生产率4.4m3/min;真空度100kPa,电动机功率5.5kW,转速1450r/min。离心水泵:生产率20m3/h;扬程25m;抽吸真空高度7m,吸口直径50mm;电动机功率2.8kW,转速2900r/min。③井点管布置。井点管布置依据隧道宽度、地质水文情况、工程性质、降水深度确定。埋深依据降水深度和含水层位置决定,必须埋入含水层。同一地面高度含水层滤管高程保持一致,台阶处根据渗水量大小、台阶高度调节,含水层滤管高程应高差应小于台阶高度1/2倍。轻型井点降水井点管按照双排线性布置,每排距离初支面大于1m,防止支护过程中对围岩扰动从而出现井点漏气,单排行距0.5m,防止距离太小串孔。隧道为排出衬砌背后围岩和开挖方向地下水井点管竖向设倾角,保证同一地面高度含水层滤管高程保持一致,台阶处含水层滤管高程应高差应小于台阶高度1/2倍。上中下台阶布井点管置如下:1)上台阶拱脚两侧斜向下外插打竖向降水管,降水管长3m,纵向间距为0.5m,外倾角30°,向前倾斜角30°。2)中台阶拱脚两侧斜向下外插打竖向降水管,降水管长5m,纵向间距0.5m,向外倾斜角60°,向前倾斜角30°。3)下台阶两侧拱脚斜向下外插打竖向降水管,降水管长5m,纵向间距0.5m,向外倾斜角30°,向前倾斜角60°。④井点施工工艺。施工准备→测量定点→水冲成孔→安装井管、滤水管→孔口封堵→管线连接→试抽与检查→正式抽水→排水。井点成孔采用回旋式或冲击式钻机成孔,孔径30cm,井深比井点设计深50cm;洗井用0.6m3空压机或水泵将井内泥浆抽出;井点徐徐插入井孔中央,外露出地面20cm,倒入5~30mm石子,使管底高50cm。再沿井点管四周均匀投放2~4mm粗砂,上部1m深用黏土填实防漏气。井点埋设完成连接总管。部件连接完成后与抽水设备相连,接通电源进行试抽水,检查有无漏气、淤塞情况、出水情况是否正常,如有异常检修后使用。3.2洞内超前深孔真空降水超前深孔真空降水水平斜倾向排水。针对掌子面地下水丰富,开挖时易发生涌水、涌砂、塌方现象,采用掌子面超前深孔真空降水。3.2.1降水管设计超前深孔真空降水管采用12m长准32mm钢丝软管,管端2m及管外0.5m段不设降水钻孔,管身剩余部位钻设准8mm孔(孔间距10cm梅花形布置)。管身末头用100目纱网封堵,管身外侧用100目纱网包裹两层作为滤网,每隔20cm缠10号铅丝。深入含水层处管头密封。连接弯管用胶皮管连接降水管和总管。总管用准75mm钢丝软管带接头密封。超前深孔降水机具同井点管降水机具。3.2.2降水管布置降水管布置依据隧道宽度、地质水文情况、工程性质、出水量、出水位置确定。埋深依据掘进进尺和出水量决定,必须深入含水层。超前深孔降水沿上台阶周边按环向间距0.3m布孔,管长12m,每3m设置一环。上台阶核心及底部按横向间距0.5m布孔,管长12m,每3m设置一环。3.2.3超前深孔真空降水施工工艺超前深孔真空降水施工工艺流程同井点降水。超前深孔真空降水采用地质钻机(钻杆为准73mm套管)成孔,成孔后退出。然后开始送降水管,每下一节降水管跟进一节套管,降水管接头焊接,送管后退出套管。降水管采用特殊结构管头的降水管与套管对接(可点焊)。采用C25喷射混凝土全封闭掌子面,厚度10cm。每排降水管与准75mm主管连接。3.2.4集水井设置集水井设置在基底部位每20m左右各设置一处,主要汇集掌子面及已施做支护地段渗水,作为轻型井点降水、真空降水的辅助措施。为尽量减少掌子面渗出的水流对边墙的影响,集水井设置在距离斜井边墙不小于1m处;集水井井深1.5m,井径100cm;集水井(自动抽水装置)集中抽到泵站集水箱再排水出洞外。在隧道设置大型集水箱,设置排水系统。掌子面及已施做支护地段的渗水通过隧道两侧排水沟汇集到集水井内,集水井(自动抽水装置)集中抽到洞内集水箱内,井点降水直接抽到集水箱。待集水箱内淤泥沉积后转抽到中心大型集水箱内,再用离心泵通过排水管路排水洞外。

4施工注意事项

①一套抽水设备的总管长度一般不大于40~50m。当主管过长时,可采用多套抽水设备;井点系统可以分段,各段长度应大致相等,宜在拐角处分段,以减少弯头数量,提高抽吸能力;分段宜设阀门,以免管内水流紊乱,影响降水效果。②集水总管标高宜尽量接近地下水位线并沿抽水水流方向有0.25%~0.5%的上仰坡度,水泵轴心与总管齐平。③降水过程中,真空负压控制在-0.06MPa以下,如果压力升高,必须对降水管进行逐根排查,看有无漏气,同时必须检查插入土层中的井点管密封是否到位,漏气部位必须采用胶布缠紧。④工地现场备足抽水泵,数量多于井数的10%。使用的潜水泵要做好日常保养工作,经常检查泵的工作状态,一旦发现不正常应及时换泵,坏泵应立即修复,无法修复的应及时更换。⑤降水工作与隧道开挖施工密切配合,确保隧道开挖安全。⑥降水设备在施工前及时做好调试工作,降水井在降水运行阶段,电源必须保证,设置双电网,确保降水井正常运行。⑦为保证降水效果,避免循环降水,务必做好排水系统。同时对于反坡隧道,除做好距离开挖工作面附近2~3m处的集水坑外,对于隧道底板已完成的部分,宜每隔4~6m设置一道截水槽,每隔20~30m设置1处集水坑,集水坑位置在截水槽的一端或两端,以避免底板已完成部分的压力水回灌到工作面处,影响正常施工。⑧施工过程中可根据现场实际情况动态调整。即在降水前或降水过程中发现问题及时处理,达到安全施工。降水系统运行3~5天后水位降到设计要求,如果排水量不变持续抽水,地下水位将持续不断的下降,也是不经济的,因此,在降水的过程中应持续观测、记录地下水位的变化,水位稳定后适当调整排水总量,以达到既经济又安全的效果。对于整个降水系统而言,如果发现降速太慢或达不到开挖深度时,应及时调节泵量,加大排水量;反之,要求减少排水量。

5结论

井点降水、超前深孔降水在富水砂土互层地质条件下施工有效降低了围岩含水率,稳固围岩,围岩由流塑状变为软塑状,开挖时不再流淌,短时间内有一定自稳能力,提供一定的施工时间。使作业区域达到无水或少量渗水的状态,满足隧道施工要求。确保了隧道开挖的质量和安全。

参考文献:

[1]宋秀清,刘杰.隧道施工[M].人民交通出版社,2014.

[2]谭仁辉.隧道工程[D].重庆大学,2011.

[3]肖广智.不良、特殊地质条件隧道施工技术及实例[M].2015人民交通出版社股份有限公司.

[4]铁道第三勘察设计院集团有限公司.《阳城隧道施工图》图号:蒙华浩三段施隧04-01~18.

[5]铁路隧道工程施工技术指南,2008.

作者:蒋宁 单位:中铁十七局集团第二工程有限公司

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