未成巖富水地層隧道洞內(nèi)綜合降水施工技術(shù)

鄒 翀，張文新

(1.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 511458； 2.中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

針對未成巖富水地層，為了施工安全和順利，降水措施是隧道施工的關(guān)鍵工序，也是工程施工成敗的關(guān)鍵。通過降水，使地下水位降至開挖面以下，降水作用主要體現(xiàn)在3個方面：防止地下水因滲漏流而產(chǎn)生流沙或管涌等破壞現(xiàn)象；消除或減少隧道邊墻或基坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的靜水壓力和滲透壓力，提高隧道或基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；避免帶水作業(yè)，使隧道或基坑施工能在水位以上進(jìn)行，為施工提供方便，也利于提高施工質(zhì)量。

1 工程概況

某鐵路隧道設(shè)計為單洞雙線隧道，隧道進(jìn)口位于蘭州東站東端，出口位于蘭州市榆中縣方家泉村。起訖里程 DK3+430—DK6+655，全長3 225m。根據(jù)施工組安排和工期需要，隧道增加 5 座斜井。隧道穿越地層為第三系富水粉細(xì)砂；巖層致密，無膠結(jié)；成巖作用差，稍有擾動即呈松散粉狀結(jié)構(gòu)，在富水時呈流塑狀，基本無自穩(wěn)能力，極易發(fā)生溜塌。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，預(yù)測隧道正常涌水量為558.4m3/d，最大涌水量為1 1l6.8m3/d，孔隙率為22%～26%，孔隙比為0.36～0.4，飽和度為3.9%～20%，實測最大飽和度為20%，密度為2.63g/cm3，飽和試樣壓力為2～3MPa，非飽和試樣壓力為7～8MPa，滲透系數(shù)為2.3×10-3cm/s，含泥量5%～10%(較潔凈)。

隧道穿越的弱膠結(jié)砂巖地層在富水時基本無自穩(wěn)能力，呈流塑狀，極易發(fā)生溜塌。圍巖在滲水情況下，原狀土易迅速惡化呈流沙外涌。在隧道施工過程中，掌子面多次發(fā)生流坍，邊墻兩側(cè)及拱頂極易垮塌，初期支護(hù)開裂變形嚴(yán)重。

2 降水方案設(shè)計

隧道施工中采用臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、超前雙導(dǎo)洞法等施工，不同施工都采取了相應(yīng)的降水措施。總體而言，不同施工方法的降水措施都是以臺階法施工的降水措施為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)簡化來適用其工法施工。洞內(nèi)超前綜合降水實現(xiàn)隧道開挖范圍內(nèi)全方位降水，為隧道創(chuàng)造無水或少水條件施工。基于此，隧道超前降水分為工作面超前深孔降水、洞內(nèi)輕型井點降水和垂直降水井降水3部分，三級降水在施工中有所不同。三級降水方式井管布置如圖1所示。

圖1 三級綜合降水方式井管布置示意

洞內(nèi)綜合降水方案參數(shù)分述如下。

1)工作面超前深孔降水 掌子面中下臺階兩側(cè)環(huán)向打設(shè)8個間距1m、長20m、直徑65mm的超前真空降水孔，所有降水孔末端與真空泵相連接，利用真空泵的負(fù)壓將掌子面前方未開挖圍巖內(nèi)的飽和水集中抽排，以保證在開挖過程中圍巖達(dá)到無水、少水、無壓狀態(tài)。

2)輕型井點降水 正洞在中臺階布置長度4.0m的φ32 PVC管，外插角60°，縱向間距0.5～0.75m；下臺階兩側(cè)拱腳安設(shè)長度5.0m的φ32 PVC管，外插角30°，縱向間距0.5～0.75m，2排真空降水管縱向間距0.75m。

3)垂直降水井降水 垂直降水井井管直徑為150mm、深度為5m、沿隧道方向間距10m、左右梅花形布置，開挖仰拱前在下臺階位置進(jìn)行施作。

4)真空泵采用7.5kW功率真空泵進(jìn)行抽水。

3 降水施工

洞內(nèi)超前綜合降水主要包括工作面超前深孔降水、洞內(nèi)輕型井點降水和垂直降水井降水3部分，三級降水在施工中有所不同：①超前深孔降水孔施作在上臺階掌子面前方，預(yù)先有效降低工作面前方地下水，為在降水施工中處于最先施工的降水措施；②輕型井點降水應(yīng)用于隧道開挖施工中，布置在各臺階底面兩側(cè)拱腳位置抽排局部有水地段；③仰拱開挖前在下臺階底面位置設(shè)置垂直降水井，以抽排隧道基底以下范圍的地下水，為最后施工的降水措施。因此，三級降水在施作時間和空間上有不同，與施工工序的銜接也存在不同。三級降水與施工關(guān)系流程如圖2所示。

圖2 三級降水與施工關(guān)系流程

3.1 超前降水的施作

超前深孔降水孔施作以有效降低工作面前方地下水為主要任務(wù)，因此施作掌子面前方。施工中調(diào)整超前降水管的數(shù)量和布設(shè)位置，縮短超前降水管長度，減少超前降水孔的施工工作量，使降水管長度與干式真空泵的抽水能力相匹配，同時也達(dá)到了降水效果，為后續(xù)施工超前降水布置奠定了基礎(chǔ)(見圖3)。

圖3 超前降水管與真空泵現(xiàn)場布置

3.2 輕型井點降水施作

降水初期輕型井點降水管分別布置在隧道上、中臺階拱腳下50cm處，降水管長度4m，外插角60°，同時為了降低仰拱底部水位，在下臺階拱腳布置的降水管外插角30°，長度5m；3排真空降水管縱向間距0.5～0.75m，支管與主管連接，將水通過主管排出，通過現(xiàn)場試驗，逐步優(yōu)化以中、下臺階的降水管降水為主，上臺階降水為輔的布設(shè)方式，在中臺階集中布置的降水管抽排。中、下臺階輕型降水管的抽排是對超前深孔施工降水的補(bǔ)充。輕型井點降水管布置如圖4所示。

圖4 輕型井點降水管布置

3.3 垂直降水井降水設(shè)計

隧道在進(jìn)行了超前深孔降水和輕型井點降水后，掌子面圍巖自穩(wěn)性較好，開挖施工較順利，但在仰拱施工過程中仍有涌泥涌水現(xiàn)象，說明下臺階布置的輕型井點降水對仰拱處的降水未達(dá)到預(yù)期效果，仰拱位置的地下水還需繼續(xù)抽排。

仰拱處地下水采用大口徑垂直降水井降水方式，布設(shè)在開挖仰拱段前方下臺階地面位置，沿隧道中線左、右側(cè)各設(shè)1口，降水井采用梅花形布置，單側(cè)間距10m。濾水管井口1～2m與周邊富水粉細(xì)砂層之間的空隙采用M10砂漿封孔，封孔必須搗固密實，防止漏氣影響降水效果。

降水井井口高程為隧道底板頂面高程，降水井打設(shè)深度約5m，基本上制止了仰拱出現(xiàn)大的涌砂涌水現(xiàn)象，保證了仰拱順利施工，現(xiàn)場施作如圖5所示。

圖5 垂直降水井現(xiàn)場施作

通過超前深孔預(yù)先降水降低隧道范圍內(nèi)地層含水量，輕型井點的快速抽排近距離范圍地下水和垂直降水井抽排的下部地層地下水，從多個角度進(jìn)行了降水，使得降水后的開挖掌子面保持穩(wěn)定，為隧道施作初期支護(hù)、下循環(huán)降水管施工提供了充足時間，有力保證了隧道施工。

4 應(yīng)用效果

4.1 含水率變化

降水施工中，在隧洞仰拱的下部和隧洞的邊墻位置埋設(shè)相應(yīng)的孔隙水壓力計，來量測相應(yīng)點處的孔隙水壓力，并換算得到該處的壓力水頭為0的點的位置(位于水位線上的點壓力為0)，從而大致確定降水后的水位，并在下臺階底部、邊墻墻角的附近區(qū)域，采取現(xiàn)場取樣并及時密封進(jìn)行含水量測試。

隧道采用綜合降水方案對降水前后圍巖含水率進(jìn)行測試，在下臺階底部、邊墻墻角附近，采取現(xiàn)場土樣并及時密封。如圖6所示，T1，T2分別為左、右側(cè)的取樣含水率測試數(shù)據(jù)。

圖6 含水率變化曲線

由圖6可知，在隧道施工過程中，隨著降水進(jìn)行，地層含水量逐漸下降，在仰拱施工中下降到最小，隨著仰拱施作完成，降水逐步停止，地下水位回升。

4.2 水壓力變化

洞內(nèi)綜合降水過程分3步施工，每部做完便開始降水，在垂直降水井施作完成2d后，水位基本趨于穩(wěn)定，根據(jù)測得水壓力的數(shù)據(jù)初步勾勒出地下水位線，如圖7所示。

圖7 洞內(nèi)綜合降水垂直降水井施作2d后實測水位

由圖7所示水位線可知，實測降水漏斗曲線與分析計算得到的曲線形狀相似，由于施工現(xiàn)場的環(huán)境較復(fù)雜，實測曲線與計算得到的曲線在數(shù)值上存在一定誤差，但規(guī)律一致。

隨著綜合降水繼續(xù)，仰拱處設(shè)置的垂直深井的降水趨于穩(wěn)定，這時，隧洞掌子面兩側(cè)和上方的地下水開始沿不透水的初期支護(hù)匯入斜插的降水管和仰拱處的輕型井點中，最終形成穩(wěn)定的降水漏斗曲線，并且水位鉆時間內(nèi)降至掌子面之下，可滿足仰拱的施作條件。

降水提高了降水效果，有效降低砂層含水率，防止涌水涌砂，保證了開挖面穩(wěn)定，使隧道日平均進(jìn)尺提高到0.6～0.8m，有力保證了隧道施工安全，加快了施工進(jìn)度，降低了施工成本，提高了工程質(zhì)量，保護(hù)了周圍環(huán)境。

5 施工中注意事項

1)綜合降水管設(shè)計應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)、高效的原則。

2)降水過程中認(rèn)真檢查真空降水管路和井口封堵是否嚴(yán)密，使降水正常運轉(zhuǎn)。尤其是超前深孔降水孔端頭的密封性，通過現(xiàn)場施工應(yīng)用，改進(jìn)了端頭密封方法，如圖8所示。

圖8 降水管端頭密封

3)未成巖富水地層中，降水和注漿都按隧道施工作業(yè)中的工序考慮，降水要每循環(huán)都需施作，保證抽水連續(xù)性；而注漿是間斷性施作，起到關(guān)鍵位置輔助加固作用。

6 結(jié)語

1)結(jié)合未成巖富水地層特點，通過采用工作面超前深孔降水、開挖輕型井點緊跟降水和后續(xù)仰拱底面垂直降水井后續(xù)降水相結(jié)合的洞內(nèi)三級綜合降水方式，從施工的多個角度進(jìn)行降水，有效降低了地層中的地下水含率。

2)三級降水與隧道開挖支護(hù)施工密切相關(guān)，且把降水納入隧道施工工序進(jìn)行管理，使其循環(huán)施作，連續(xù)抽水使地層達(dá)到無水或少水狀態(tài)。

3)未成巖富水地層的施工應(yīng)遵循“降水是基礎(chǔ)，超前加固是保障，快速封閉施工是關(guān)鍵”的原則，使超前注漿加固與綜合降水相結(jié)合進(jìn)行補(bǔ)充，并采用強(qiáng)支護(hù)，使隧道施工順利。