富水軟巖隧道淺埋沖溝段管井降水技術(shù)探討

張會(huì)安 謝江勝

（1.中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266061；2.中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 前言

隧道施工地下水引排是否及時(shí)對隧道開挖施工安全至關(guān)重要。目前國內(nèi)外在對隧道施工地下水處理上主要采取截、排、引、堵四種方式［1-2］。合理選擇隧道地下水處理方式在工程造價(jià)、安全、工期方面有著明顯的差別。討論、研究隧道施工過程中地下水合理的處理方式有十分重要的意義。

本文借鑒適用于均質(zhì)富水砂土、碎石土管井降水技術(shù)［3-6］，通過地質(zhì)及水文分析，采用管井在山嶺隧道富水軟弱巖層破碎段進(jìn)行降水施工，取得了較好效果，具有一定的借鑒參考價(jià)值。

2 工程概況

蒙華鐵路麻科義隧道DK361＋900～DK362＋500段，地形起伏較大，埋深22～90 m，隧道兩次穿越溝谷淺埋地帶。該段范圍內(nèi)地層巖性變化大，地質(zhì)情況較復(fù)雜，地層自上而下依次為砂質(zhì)新黃土、黏質(zhì)老黃土、粉質(zhì)黏土、泥巖砂巖互層。

隧道兩次穿越淺埋地段分別為DK362＋500～DK362＋460段和DK361＋970～DK362＋040段。首先施工的DK362＋500～DK362＋460段根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘探及現(xiàn)場開挖揭示該段地質(zhì)為：隧道埋深38 m，隧道洞頂覆蓋層依次為砂質(zhì)新黃土（厚度約16 m）、粉質(zhì)黏土（厚度約14 m）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖泥巖互層（厚度約6 m）。水平構(gòu)造，巖層較薄，巖體較破碎，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；巖層裂隙水發(fā)育滲水，呈淋雨?duì)罨蚬蔂钏砍觯瑖鷰r整體穩(wěn)定性較差。

2017年6月施工DK362＋500～DK362＋460段時(shí)，由于圍巖裂隙水及土石界面富水層大量滲涌水，隧道掌子面出現(xiàn)坍塌，形成長10 m、高6 m、寬11 m空腔。后續(xù)采取回填反壓、地表注漿加固處理方案，處理周期50 d，嚴(yán)重影響到施工安全及工期要求。

后續(xù)施工的DK361＋900～DK362＋040段位于DK362＋500～DK362＋460段下游，該段隧道埋深22 m。隧道洞頂覆蓋層依次為砂質(zhì)新黃土（厚度約6 m）、粉質(zhì)黏土（厚度約10 m）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖泥巖互層（厚度約6 m）。水平構(gòu)造，巖層較薄，巖體較破碎，呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，巖層裂隙水發(fā)育。經(jīng)多方根據(jù)設(shè)計(jì)勘察資料研究推測，DK361＋900～DK362＋040段隧道涌水量將增加，該段隧道開挖施工坍塌、冒頂?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)更高，需解決隧道富水難題。

3 方案比選及相關(guān)計(jì)算

3.1 方案比選

為解決DK361＋970～DK362＋040段隧道圍巖富水問題，避免隧道開挖施工出現(xiàn)坍塌險(xiǎn)情，擬定采取3種解決方案。

（1）水泥攪拌樁加固法

采用φ80 cm水泥攪拌樁加固洞頂土層，樁間距0.75 m，加固范圍寬22 m、長70 m、深16 m。攪拌樁共計(jì)3 230根，合計(jì)51 680延米，估算費(fèi)用約469.8萬元［7］。

（2）注漿加固法

采用袖閥管進(jìn)行地表加固注漿，鉆孔間距按2.0m×2.0m等邊三角形布置，鉆孔直徑為φ133 mm。袖閥管材質(zhì)為壁厚3mm無縫鋼管，鋼管直徑φ50mm。注漿材料采用雙液漿，注漿壓力2.0～4.0 MPa，加固范圍為隧道橫向?qū)挾?8 m，長度70 m，加固深度22 m。共計(jì)鉆孔注漿451根，合計(jì)9 922延米，注漿量約 1 010 m3，估算費(fèi)用約 291.9萬元［8］。

（3）管井降水法

采用鉆孔直徑705mm、無砂混凝土管內(nèi)徑300mm管井降水。在隧道開挖線外5 m外布設(shè)管井，井間距30 m，呈梅花形左右布設(shè)。共設(shè)7口管井，井深37m，日抽水量約1 500～2 000m3，抽水時(shí)間3～4個(gè)月，估算費(fèi)用約130萬元。

三種方案對比見表1。

表1 方案對比

水泥攪拌樁對隧道上層土體加固效果好，能夠起到固結(jié)土體的作用，防止隧道出現(xiàn)開挖冒頂險(xiǎn)情，但對于隧道上方泥巖砂巖互層無法進(jìn)行固結(jié)，無法阻擋地下裂隙水及土石界面水滲涌入隧道，施工依然存在坍塌風(fēng)險(xiǎn)，工期偏長且費(fèi)用最高；注漿法能夠加固隧道頂土體、填充固結(jié)巖層間裂隙，達(dá)到固結(jié)土體及巖層的目的，同時(shí)具有封堵地下水進(jìn)入隧道的作用，效果最好，費(fèi)用居中；降水法造價(jià)最低，采用引排地下水的方式達(dá)到土體固結(jié)的目的，且工期相對較短。

通過對3種方案進(jìn)行綜合比選，最終確定采用地表管井降水方案。及時(shí)降低隧道開挖范圍內(nèi)周邊土層的地下水，使土體得以壓縮固結(jié)，以提高土層的水平抗力，防止隧道開挖面發(fā)生坍塌，保證隧道暗挖施工順利進(jìn)行。

3.2 隧道涌水量預(yù)測

隧道埋深22 m，洞身開挖高度按12 m計(jì)，降水水位至隧道基底以下4 m，降水深度30.5 m，降水范圍在隧道開挖線外側(cè)5 m處，距中線距離11 m。

根據(jù)結(jié)構(gòu)出水特點(diǎn)采用的滲透系數(shù)按0.224 m/d計(jì)算。依據(jù)《工程地質(zhì)手冊》、《建筑施工手冊》、《路橋施工計(jì)算手冊》公式［9-11］：

Q為隧道涌水量（m3/d）；R為影響半徑（m）；r0為洞身橫斷面等效降水引用半徑（m）；K為滲透系數(shù)，K＝0.224 m/d；H為含水層厚度，H＝30.5 m；a為隧道降水區(qū)域長度，a＝80 m；b為隧道降水區(qū)域?qū)挾龋琤＝22 m；η為 b/a的修正系數(shù)，η＝0.13；S為降水深度，S＝30.5 m。

依據(jù)庫薩金計(jì)算影響半徑經(jīng)驗(yàn)公式：

預(yù)測隧道涌水量，先計(jì)算洞身開挖降水的引用半徑r0。

隧道范圍內(nèi)涌水量計(jì)算：

3.3 單井出水量

根據(jù)降水工程的經(jīng)驗(yàn)做法及現(xiàn)場實(shí)際情況，擬定采用如下管井結(jié)構(gòu)形式降水：管井成孔直徑0.705 m，管井內(nèi)壁直徑0.3m，管井深度37m。井管采用水泥無砂管，其中濾管長度8m，濾管外層包裹兩層尼龍網(wǎng)，井管周邊采用5～10mm天然圓礫石濾料回填。

3.4 管井?dāng)?shù)量計(jì)算及布置形式

（1）單井涌水量q計(jì)算

選用揚(yáng)程50 m潛水泵，排水30 m3/h，單井水泵抽水量360 m3/d。水泵功率滿足抽水量要求。

所需要管井?dāng)?shù)量n計(jì)算：

n＝Q/q＝0.017 9/0.002 7＝6.7，故該段需要設(shè)降水井7孔。

（2）管井布置形式

在隧道埋深最淺溝谷處DK361＋970～DK362＋040段，隧道范圍兩側(cè)交錯(cuò)布置降水井，降水井單側(cè)間距30 m，共布設(shè)7孔管井。隧道上游布設(shè)4孔，下游布設(shè)3孔，管井距隧道開挖線5m，管井橫向布置如圖1，管井構(gòu)造見圖2。降水井成孔直徑705 mm，全孔下入φ400 mm水泥礫石濾水管，濾水管外包2層150 g/m2透水土工布。井深范圍內(nèi)水泥礫石濾水管和降水井內(nèi)壁之間回填5～10 mm天然圓礫石。

圖1 管井降水結(jié)構(gòu)（單位：m）

圖2 管井構(gòu)造

4 施工方案

降水井埋設(shè)深度為36 m，井徑φ705 mm，全孔下入φ400 mm水泥礫石濾水管，井深范圍內(nèi)回填5～10 mm天然圓礫石濾料。成孔施工機(jī)械設(shè)備選用小型沖擊鉆機(jī)，采用沖擊鉆成孔工藝，人工配合機(jī)械下放井壁管、濾水管，圍填圓礫石、黏性土等（見圖3）。其施工流程如下：測量井位→埋設(shè)護(hù)口管→安裝鉆機(jī)→鉆進(jìn)成孔→清孔→下井管→填濾料→井口封閉→洗井→安裝與試抽及降水運(yùn)行。

圖3 管井施工

5 降水效果比較

（1）降水前

未采用管井降水前，隧道內(nèi)掌子面距二襯仰拱距離一般為120～150 m，該段落在二襯仰拱端一般布置2臺(tái)18.5 kW污水泵（每臺(tái)1 h抽水60m3），日抽水量約為1 500～2 900 m3。現(xiàn)場掌子面拱頂圍巖及拱頂初支呈淋雨?duì)顫B水，水量較大，拱頂極易出現(xiàn)掉塊，圍巖穩(wěn)定性較差；初支表面噴射混凝土因滲水嚴(yán)重凹凸不平且不密實(shí)；洞內(nèi)道路泥水較多，需穿雨靴進(jìn)入掌子面；初支仰拱開挖時(shí)基底有滲水。施工現(xiàn)場見圖4。

受隧道圍巖裂隙水影響，隧道開挖過程中經(jīng)常性出現(xiàn)拱頂?shù)魤K、坍塌情況［12］。在噴射混凝土作業(yè)時(shí)，受滲涌水影響，無法將初支表面噴射飽滿圓順，并造成噴射混凝土超方嚴(yán)重，超出設(shè)計(jì)量100%～200%，嚴(yán)重情況下超出設(shè)計(jì)量300%，嚴(yán)重降低施工工效，月開挖進(jìn)尺40～50 m。

（2）降水后

圖4 管井降水前現(xiàn)場

地表經(jīng)過7孔管井同時(shí)降水后，隧道洞內(nèi)掌子面至二襯仰拱段采用2臺(tái)7.5 kW水泵（每臺(tái)1 h抽水20 m3）即可抽排洞內(nèi)滲積水，日抽水量約為200～300 m3。管井降水后，隧道洞內(nèi)滲涌水量明顯減少，掌子面呈無水或偶有滲水狀，圍巖較穩(wěn)定；初支表面噴射混凝土因拱頂無水能夠噴射平整密實(shí)；洞內(nèi)積水較少不用雨靴即可進(jìn)入掌子面；初支仰拱開挖時(shí)呈無水或少量滲水現(xiàn)象。降水后現(xiàn)場施工情況見圖5。

圖5 管井降水后現(xiàn)場

DK361＋970～DK362＋040段采取管井降水后，開挖過程中掌子面及拱頂無水或少量滴水，對施工影響較小，噴射混凝土用量也處于穩(wěn)定狀態(tài)，較設(shè)計(jì)量超耗在50%～80%之間，一次性能夠?qū)⒊踔П砻鎳娚滹枬M圓順，同時(shí)提高了施工效率，月開挖進(jìn)尺在60～70 m之間。

6 結(jié)束語

隧道地下水的存在對軟巖的軟化作用較強(qiáng)，降低了圍巖承載力，影響圍巖自穩(wěn)性，增大了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)處理地下水對隧道開挖工作至關(guān)重要。本文根據(jù)地質(zhì)條件、地下水存在的狀態(tài)進(jìn)行研究分析，確定采用管井降水以提前截排隧道周邊地下水以防滲涌至隧道內(nèi)，加強(qiáng)了軟土巖體固結(jié)程度，提高了圍巖自身穩(wěn)定性，使得隧道開挖安全順利通過，可為同類地質(zhì)隧道地下水截排施工提供借鑒。