不良水文地質(zhì)條件下的斜井施工技術(shù)

王金英，廖成林

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 概述

在土洞斜井施工過(guò)程中，對(duì)地下水的處理尤為重要。由于地下水主要集中于掌子面下部，如果處理的不好，地下水的大量涌出將造成開(kāi)挖工作無(wú)法進(jìn)行，甚至于造成土洞斜井開(kāi)挖失敗。在山西萬(wàn)家寨引黃北干支北03-1土洞斜井開(kāi)挖施工中，地下水極為豐富，水量達(dá)到450 m3/h，如此大的水量給斜井開(kāi)挖工作帶來(lái)了極大困難。對(duì)于這樣大的水量，從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料看，目前尚沒(méi)有成熟、完整的施工經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，因此，進(jìn)行特大涌水條件下土洞斜井開(kāi)挖施工工藝研究是非常必要的。

2 工程基本情況

萬(wàn)家寨引黃北干支北03-1支洞位于山西省朔州市平魯區(qū)下水頭鄉(xiāng)境內(nèi)，為土洞斜井施工支洞。支洞全長(zhǎng)410.82 m，傾角18.52°，開(kāi)挖斷面呈城門(mén)洞形，寬、高均為5.4 m。該洞0+000～0+85.95洞段為進(jìn)口段，圍巖為Q3al+pl黃土狀亞砂土，土體結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)定性差;0+85.95～0+354.66段圍巖為N2含礫石紅粘土，土體致密，膠結(jié)程度差，有一定的自穩(wěn)能力，但與Q2土體接觸部位含水量增高，造成巖體穩(wěn)定性變差，地下水位高程為1315 m，故需注意施工涌水問(wèn)題;0+354.66～0+410.82洞段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，具有一定的穩(wěn)定性。

由于該支洞為土洞斜井支洞，為了保證已開(kāi)挖支護(hù)洞段的安全穩(wěn)定，二次鋼筋混凝土襯砌緊跟開(kāi)挖作業(yè)面，并保持二次鋼筋混凝土襯砌距開(kāi)挖掌子面不大于30 m。于是，未襯砌前有地下水大量滲出洞段的部位在襯砌后，地下水被迫在已襯砌的最后一個(gè)倉(cāng)段末端大量滲出，主要匯聚于開(kāi)挖掌子面底部。

在該支洞2006年3月14日開(kāi)挖至0+250.02樁號(hào)時(shí)，底拱開(kāi)始向洞內(nèi)滲水，滲水量為12 m3/h;隨著向前開(kāi)挖，邊墻開(kāi)始向洞內(nèi)滲水;3月29日開(kāi)挖至0+258.5樁號(hào)時(shí)，總滲水量增加至60 m3/h;4月6日開(kāi)挖至樁號(hào)0+260.5時(shí)，匯集的地下水總滲水量達(dá)110 m3/h;5月11日開(kāi)挖至樁號(hào)0+269.52時(shí)，匯集的地下水增加到280 m3/h;5月26日開(kāi)挖至樁號(hào)0+274.66時(shí)，地下水增加到323 m3/h;6月6日開(kāi)挖至樁號(hào)0+282.5時(shí)，地下水增加到450 m3/h。大量的地下水主要以抽排為主。自5月30日開(kāi)始，采用三條主管線四臺(tái)水泵排水，其中三臺(tái)水泵額定排水量為150 m3/h，一臺(tái)為120 m3/h。

3 分部分塊開(kāi)挖施工工藝的提出

支北03-1支洞為土洞斜井支洞，傾角為18.52°。筆者所研究的對(duì)象為該洞的0+250.02～0+354.66洞段，該洞段地下水極為豐富，主要匯集于底部掌子面。盡管可以采取加強(qiáng)排水措施，但仍無(wú)法改變掌子面底部處于淹沒(méi)狀態(tài)的施工作業(yè)環(huán)境。由于該洞段圍巖為N2含礫石紅粘土，在無(wú)水條件下土體質(zhì)密堅(jiān)硬，膠結(jié)程度較好，雖有一定的自穩(wěn)能力，但掌子面底部浸泡于水中非常不利于圍巖穩(wěn)定，易于造成邊墻失穩(wěn)破壞，給開(kāi)挖工作帶來(lái)很大難度。因此，如何解決掌子面出現(xiàn)的地下水，使開(kāi)挖工作在無(wú)水的狀態(tài)下進(jìn)行就成為在地下水極其豐富的條件下進(jìn)行土洞斜井開(kāi)挖的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

在施工進(jìn)程中，通過(guò)帶領(lǐng)工程技術(shù)人員深入實(shí)地、現(xiàn)場(chǎng)勘查，并與現(xiàn)場(chǎng)施工人員一起反復(fù)研究后，提出了分部分塊開(kāi)挖施工工藝。該施工工藝的主要指導(dǎo)思想是:先進(jìn)行上半圓導(dǎo)洞開(kāi)挖，下部中槽先行，最后開(kāi)挖兩側(cè)。這一施工工藝的實(shí)施，有效地解決了這一技術(shù)難題。

4 分部分塊開(kāi)挖施工工藝的基本原理

分部分塊開(kāi)挖施工工藝是針對(duì)存在地下水的土洞斜井設(shè)計(jì)的。所謂“分部分塊”是指上下分為兩部開(kāi)挖，下部又分為幾塊開(kāi)挖，具體分部分塊情況如圖1所示。

圖1 開(kāi)挖分部分塊示意圖

該施工工藝的基本原理如圖2所示。圖2中AD 為I 部上半圓開(kāi)挖掌子面、BE 為Ⅱ1部中槽開(kāi)挖掌子面、CF 為Ⅱ2部?jī)蓚?cè)邊墻開(kāi)挖面。先進(jìn)行上半圓開(kāi)挖，如圖2(a)所示，隨著上半圓開(kāi)挖，其底部高程(A 點(diǎn))越來(lái)越低，當(dāng)其低于滯后的Ⅱ1部中槽開(kāi)挖掌子面底部高程(E 點(diǎn))時(shí)，地下水開(kāi)始逐漸從上部半圓掌子面底部(A 點(diǎn))滲出，如圖2(b)所示。這時(shí)，停止上部半圓的開(kāi)挖，開(kāi)始進(jìn)行下部中槽開(kāi)挖，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，中槽掌子面底部(E 點(diǎn))越來(lái)越低，逐漸低于上部掌子面底部(A點(diǎn))，上部掌子面底部(A 點(diǎn))的少量地下水開(kāi)始滲入中槽底部(E 點(diǎn))，如圖2(c)所示。當(dāng)下部中槽開(kāi)挖至距上部半圓掌子面2 m 左右時(shí)，停止下部中槽的開(kāi)挖。這時(shí)，上部掌子面底部(A 點(diǎn))和兩側(cè)墻開(kāi)挖面底部(F 點(diǎn))均處于無(wú)水狀態(tài)，可以同時(shí)進(jìn)行上半圓掌子面和下部?jī)蓚?cè)墻的開(kāi)挖。上部半圓開(kāi)挖至掌子面底部出水為止，下部?jī)蓚?cè)墻開(kāi)挖至距中槽掌子面底部積水1.5 m 左右時(shí)暫停開(kāi)挖，如圖2(d)所示。這時(shí)開(kāi)始繼續(xù)下部中槽的開(kāi)挖并重復(fù)上述步驟，直到土洞斜井段開(kāi)挖完畢，進(jìn)入巖石開(kāi)挖為止。在以上開(kāi)挖過(guò)程中，地下水始終集中于Ⅱ1部中槽開(kāi)挖掌子面底部(E 點(diǎn));Ⅰ部上半圓開(kāi)挖、Ⅱ2部?jī)蓚?cè)邊墻開(kāi)挖作業(yè)始終在無(wú)水的條件下進(jìn)行。

5 施工工藝的應(yīng)用

5.1 分部分塊情況

圖2 分部分塊開(kāi)挖施工工藝基本原理示意圖

對(duì)于土洞斜井開(kāi)挖，其分部分塊情況如圖1所示。一般分為上、下兩部，上部先行開(kāi)挖，并進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，單循環(huán)進(jìn)尺0.5～1 m;下部分為三塊:中間一塊作為中槽先行，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中地下水主要集中于中槽掌子面底部;兩側(cè)各留一塊作為對(duì)邊墻土體的保護(hù)層，兩側(cè)墻邊開(kāi)挖、邊進(jìn)行全封閉加強(qiáng)支護(hù)。

5.2 上部臺(tái)階超前距離的確定

上部臺(tái)階超前距離與土洞斜井的傾角α及下部臺(tái)階的高度h 有關(guān)，如圖3所示，在圖3中，上部臺(tái)階超前下部中槽掌子面的最大距離ABmax，即滯后中槽掌子面頂部B 點(diǎn)距上部掌子面底部出水點(diǎn)A 的距離，初步設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式估算:ABmax=(h/tgα)+2，單位:m。在下部臺(tái)階一定的情況下，傾角α越小，上部超前下部的ABmax值越大。

圖3 分部分塊超前計(jì)算簡(jiǎn)圖

5.3 中槽掌子面與上部掌子面最小開(kāi)挖距離的確定

中槽掌子面與上部掌子面的最小開(kāi)挖距離ABmin需根據(jù)上部工作面需要確定，如圖2(c)所示。主要考慮施工人員操作方便、小型施工機(jī)具使用停放、材料的堆放等，一般取ABmin=1.5～2.5 m。

5.4 兩側(cè)墻開(kāi)挖面與中槽掌子面之間最小滯后距離的確定

兩側(cè)墻開(kāi)挖面與中槽掌子面之間最小滯后距離BCmin主要由前部中槽掌子面排水過(guò)程中正常積水水面寬度a 確定。初步設(shè)計(jì)時(shí)(圖3)，可按BCmin=a+2確定，單位:m。

6 實(shí)施效果

該施工工藝在山西萬(wàn)家寨引黃北干支北03-1、支北04斜井支洞施工中得到了實(shí)際應(yīng)用，有效地解決了施工過(guò)程中地下水對(duì)開(kāi)挖施工作業(yè)面的影響。上述兩個(gè)施工支洞已開(kāi)挖完畢，并進(jìn)行了永久襯砌和堵水灌漿。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明:在大涌水條件下的土洞斜井開(kāi)挖施工中，分部分塊開(kāi)挖施工工藝能有效地解決地下水對(duì)開(kāi)挖施工作業(yè)面的影響。但這一施工工藝必須與加強(qiáng)排水、合理的施工支護(hù)相結(jié)合，才能達(dá)到應(yīng)有的效果。在開(kāi)挖過(guò)程中，要注意二次鋼筋混凝土襯砌的及時(shí)跟進(jìn)，并需對(duì)已襯砌洞段及時(shí)進(jìn)行堵水灌漿，以減少地下水的滲出量。

［1］熊啟鈞.隧洞［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

［2］康世榮，陳東山.水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)(2)施工技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1990.