反坡斜井突涌水處理施工技術

王曉斌

反坡斜井突涌水處理施工技術

王曉斌

某特長隧道工程設3座輔助斜井，其中輔助斜井長1000m以上2座，綜合坡度11.9%，有超過100m的垂直落差，最大高差達到258m。該隧道途徑巖溶富水區，其中涌水量較大的2#斜井設計日平均涌水量9950m3/d，最大涌水量19885m3/d；給施工造成的影響極大。

一、突涌水機理及模式分析

1.機理

該工程穿越巖溶富水區，地下水類型包括巖溶裂隙水以及基巖裂隙水，施工沿線有3處靜態儲水的溶腔，施工過程中突涌水主要在2#斜井出現，地質條件灰巖地層（Ⅱ～Ⅳ級），表現出以下特點。

（1）斜井的拱部與邊墻處集中了大量涌水點，水沿裂縫涌出，呈淋雨狀和股狀，單個涌水點涌水量比較小，但涌水總量大，出水點富集，但整體水壓較低。

（2）股狀涌水點比較富集，出水量大，水壓達到1.3～2.5MPa。

對2#斜井所在點進行地表水流量監測，在斜井上游（距井口1.2km）、下游（距井口0.4km）布置流量測試斷面，采用浮標法，結果如下表所示。

表為地表水測試結果

斷面1與斷面2間距0.8km左右，從測試結果可見，流經兩個斷面的地表水流量損失達到3093m3/d，由此可知，地表水會為斜井涌水提供側向補給。

2.模式

（1）掌子面方面的突涌水模式。包括裂隙—溶隙和構造帶突涌水模式。

①裂隙—溶隙突涌水模式體現在局部掌子面裂隙或節理當中出現涌水，呈股狀或淋雨狀，裂隙—溶隙的含水介質在蓄積水以及過水能力方面較弱，所以在該模式下相對來說并不會出現較大的涌水量及水壓。

②在構造帶突涌水模式當中，地下水在掌子面構造帶當中富集，這種富集具有較長周期，所以一般含水量比較豐富，有著較大水壓，施工時會對隔水層形成一定的破壞，進而產生突涌水。

（2）洞身模式。該隧道巖溶屬裸露型巖溶，降雨期會使弱徑流區產生較大的地下水變幅，當隧道穿越季節變動帶，如果是在枯水期，地下水位下降，處于較低位置，洞身滲水情況較稀少，甚至可能出現無水，但是在雨季豐水期，降雨會使地下水位升高，水壓也會隨之升高，進而使洞身出現涌水點大量集中并劇增的情況。

二、超前探測及計算

1.超前探測

（1）宏觀法

利用1∶2.5萬的地質測繪及現有地質資料，對施工斜井的斷層、圍巖、地層界限、涌水等地質問題進行預測，重點預測可能的出水點。

（2）地質雷達

使用進口地質雷達如美國SIR-20型，雷達天線100MHz，這種類型的地質雷達可探測25～30m，每隔15m或20m探測一次，至少于左右洞壁、工作面及洞底各布置一條側線，洞壁側線應超過開挖循環進尺。該工程地質雷達探測距離設定15m。

（3）TPS

工作面0～120m，用于預測該范圍內及周邊地質情況，具體包括地質結構面、地下水狀態、地質構造等，設備可采用TPS200或TPS203。該工程采用10m以上超長炮孔，至少6孔。

（4）鉆孔探水

可采用XY-P2或TXU-75，鉆進深度可達75m，按現場實際情況布置探水鉆孔，鉆進深度始終確保超過工作面距離25m以上。

2.涌水量計算

針對涌水量計算來說，主要有三種方法，一是理論公式法，但其應用價值不是很高，主要是因為其使用條件相對比較苛刻，以實際的施工條件來看，很難出現與該方法貼合的條件。二是數值計算方法，該方法是較為廣泛采用的計算方法，但這種方法計算相對比較復雜，成本較高，不過能夠取得相對準確的結果。三是經驗公式法，這是目前采用得比較多的計算方法，但在某些特定的工況下單純的經驗公式法也并不一定適用，所以半經驗半理論的計算方法采用得更多，其公式如下：

公式中，分別表示隧道穿越含水地段的涌水量（m3/（d m））及總涌水量（m3/d）；分別表示洞內排水水深（）以及洞身橫截面寬（）；分別為經驗系數（）以及含水層長（），分別表示含水體厚度（m）及隧道底部到隔水層距離（m）；R，K分別代表隧道一側的影響范圍（m）以及含水體滲透系數（m/d）。

三、排水設計

1.排水方案及原則

輔助斜井埋深大，涌水量大，水量變化大等特點，結合上文分析，根據現場情況設臨時抽排水系統，同時根據工期進度以及水量變化設置系統排水，確保排水順暢，系統排水設兩個級別的泵站，采用機械排水。

2.臨時抽排水

安出水點分布以及涌水量大小布置臨時排水系統。如果出水量大，則選擇大功率水泵，開挖大容積集水坑，反之則盡量選擇小容量集水坑和小功率水泵，排水管道，法蘭連接。布置位置為系統排水同一側，避免影響交通。掌子面則采用消防管道。

3.系統抽排水

儲水池按隧道長短、高差決定布置數量，涌水量決定儲水池容積，至少要能夠存儲1h內所轄范圍涌水量。為保證排水設施的正常運行，采用雙回路電源，有條件可布置發電機組，確保排水設置24h均能正常運行。管路選擇焊接鋼管，每臺水泵配置一條管路。

四、注漿技術

1.裂隙—溶隙涌水注漿防治技術

根據突涌水在該模式下的機理，如果出現涌水且水量較小，且涌水點呈分散狀態，按“排水為主”原則，在進行后續施工當中，主要采用掘進，并帶水施工，加快施工進度直接強行通過。當涌水量大、涌水點富集時，按“超前封堵”原則，采用頂水注漿的方式對涌水點進行處理，并按照基巖裂隙水體的分布情況，使用分區注漿。

2.構造帶涌水注漿防治技術

考慮構造帶涌水危害性大，為有效防止出現涌水災害，需考慮預留足夠厚度的巖盤。

從隧道力學角度來看，掌子面前方出現塑性區是必然現象，這種情況會使滲透系數增大，并使巖層阻水等物理力學性能降低，所以需要對起著真正阻水作用的巖體進行考慮。

式中，C表示巖盤周長；c表示飽和粘聚力；A表示安全厚度的巖盤斷面面積；分別表示內摩擦角及測壓系數；表示埋深。

根據該公式，以隧道圓形截面，安全厚度可作為隧道等效洞徑倍數，因此，可得公式：

根據上文的內容，在對突涌水進行處理時需要根據實際情況，采取相應的注漿措施，并根據實際情況以及制定的措施，選取注漿液，推薦使用水泥單液漿。本文列舉的隧道工程使用的混凝土強度為C25，設計時采用3m厚止漿墻處理涌水，在隧道周邊輪廓當中嵌入厚度1m，同時預留有5m的巖盤。

五、結語

由于斜井反坡掘進施工，突涌水嚴重影響施工安全。通過對突涌水機理進行分析，同時根據具體的工程實際，采取科學的方法超前探測及計算涌水量，針對突涌水進行重點分析，通過建立止漿墻、預留巖盤等方式，注漿治水。在落實好隧道抽排水系統的基礎上，結合超前探測及突涌水防治技術，排水為主，堵水為輔，保證了斜井施工的安全和比較順利的完成。

（作者單位：中鐵二十三局集團第四工程有限公司）