真空轻型井点降水技术在富水粉细砂岩隧道施工中的应用

引言
随着国民经济的发展，铁路建设中隧道的修建数量日益增多。国内隧道施工中，由于隧道受选线条件的限制，个别隧道势必要经过一些水文、地质条件差的地方，无形中加大了隧道的施工难度。例如，桃树坪隧道，地质围岩为第三系富水粉细砂岩，渗透系数为8.1x10－4～9.26x10－4cm/s，洞内日平均涌水量在570m3以上，设计为单洞双线隧道，隧道长3225m，全隧均为Ⅵ级围岩，施工难度大，为极高风险隧道，被国内隧道专家定性为“国内罕见，世界难题”。在整个隧道施工中降水是关键，降水直接影响着隧道施工安全质量及进度，针对该种地层，选择合理的降水工艺显得尤为重要。
在该隧道，降水是建造隧道的关键工序，该工序施工技术的优劣将直接影响隧道施工的整体布局和经济效果，是工程施工成败的关键。国内隧道降水的形式有各种各样，降水一直是隧道修建中的技术难点之一，随着降水理论与技术装备的不断提高，各种各样的降水工艺在隧道中应用越来越广泛。如何才能保证降水的最佳效果，是施工不断改进和研究的方向，而真空轻型井点降水技术在隧道中的应用，在国内类似成功案例较少。对富水粉细砂隧道施工降水进行有益探讨，作为改善施工条件、提高隧道施工环境的一种思路以供参考。
1工程概况
1.1工程简介
桃树坪隧道正洞设计为单洞双线隧道。隧道进口位于兰州东站东端，出口位于兰州市榆中县方家泉村。起讫里程DK3+430—DK6+655，全长3225m。根据施工组安排和工期需要，桃树坪隧道增加5座斜井，如图1所示。其中，本项目承建了兰渝铁路桃树坪隧道4号斜井中的前期施工遗留的56.65m斜井和577m正洞施工。施工中针对该隧道渗透系数小且日涌水量大的特点，摒弃了前期施工中不降水或局部只降开挖轮廓线内的地下水，未形成完整的隧道降水系统且盲目冒进的施工理念，而积极探索，认真研究，针对该种地层经过多次试验、分析、总结，首次提出“开挖轮廓线外超前降水”的理念，最终确定了真空轻型井点降水方法，并将该降水方法纳入日常工序管理之中，使隧道降水形成一个系统工作正常运转。


1.2工程地质及水文地质
根据掌子面开挖揭示掌子面围岩为第三系富水粉细砂岩，Ⅵ级围岩，拱部为松散的粗圆砾土层，掌子面中部及下部发育着3层厚度不均的钙质胶结夹层。地下水位线在拱顶以上，掌子面股状出水，同时，掌子面发育着的3层钙质胶结层，改变了地下水的发育及分布，同时，钙质胶结层也为降水带来一定难度。
通过现场取样，在饱和状态下试样压力为2～3MPa，非饱和状态为7～8MPa;砂层较洁净，含泥量5%～10%，成岩作用差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，在富水时基本无自稳能力，呈流塑状，极易发生溜塌。围岩在渗水情况下，原状土易迅速恶化呈流砂外涌。在建井过程中，掌子面极易流垮，边墙两侧及拱顶极易垮塌，初支开裂变形严重。桃树坪隧道被国内专家定为“国内罕见、世界难题”。
2方案设计
降水设计采用分台阶真空轻型井点降水。
2.1降水量计算
根据现场实际情况，对隧道降水量进行建模选型，初步采用均质含水层潜水非完整井涌水量计算模式，计算得出570.4m3/d，与现场实测涌水量接近。目前，隧道涌水量主要包括四周和坑底流入的水量，如图2所示。

2.2降水设备选型
根据隧道涌水量及水泵的排水能力，进行真空泵及抽水泵的选型及购置;
真空泵可采用山东菏泽沪方真空降水设备有限公司生产的产品，水平扬程达20m，垂直扬程达2m，功率7.5kW，排水量60m3/h，能满足现场降水要求。
3降水原理
真空轻型井点降水方法利用真空原理，使土中的水分和空气受真空吸力作用而产生水气混合液，经管路系统向上被吸入到水气分离器中。由于空气比水轻，空气经分离器上部由真空泵排出。在降水深度范围内，土体的重度由原来的浮重状态逐步改变为饱和重度，土体内部应力改变，增加了垂直附加土压力，土层在增加的自重应力作用下逐渐固结，增大土体抗剪强度，提高围岩的稳定性。
4方案实施
4.1斜井降水管布设井点管的埋设采用冲孔法成孔，井孔直径宜≤400mm，孔深宜比滤管底深0.5～1.0m。在井管与孔壁间及时用洁净中粗砂填灌密实均匀。
图3中洞内水平真空轻型井点降水:在掌子面拱顶120°范围内，按环向间距0.4m布设4m长的掌子面超前真空降水管1，外插角10°，纵向搭接≥1m;如无法满足拱部开挖要求，拱顶降水管间距调小，进行加密。


洞内垂直真空轻型井点降水:首先，开挖上台阶6，在上台阶6两侧拱脚下返h=50cm各安设1排长4m第1真空降水管2，外插角60°。然后，开挖中台阶9，在中台阶9两侧拱脚下返h=50cm各安设1排长4m第1真空降水管2，外插角60°。
为了降低仰拱底部水位，可在开挖下台阶10后，在下台阶10两侧或仰拱底面12两侧各加设1排第2真空降水管3，外插角30°，长5m。
位于上台阶两侧拱脚下的第1真空降水管2、位于中台阶两侧拱脚下的第1真空降水管2以及位于下台阶两侧或仰拱底面两侧的第2真空降水管3的纵向间距为0.5m，第1和第2真空降水管均与集水总管7连接，将水通过集水总管7排出。
此外，可在斜井上台阶6下返h=50cm设3根4m长水平超前真空降水管8。
4.2正洞降水管布设


图4中洞内水平真空轻型井点降水:在掌子面拱顶120°范围内，按环向间距0.4m布设4m长的掌子面超前真空降水管1，外插角10°，纵向搭接≥1m;如无法满足拱部开挖要求，拱顶降水管间距调小，进行加密。
洞内垂直真空轻型井点降水:首先，开挖左、右侧壁Ⅰ部13和Ⅲ部16，在Ⅰ部13和Ⅲ部16拱脚下返h=50cm安设1排长4m第1真空降水管2，外插角60°。然后，开挖左、右侧壁Ⅱ部14和Ⅳ部17，在Ⅱ部14和Ⅳ部17拱脚下返h=50cm安设1排长4m第1真空降水管2，外插角60°。
为了降低仰拱底部水位，开挖左、右侧壁Ⅴ部15和Ⅵ部18，在Ⅴ部15和Ⅵ部18或仰拱底面两侧各加设1排第2真空降水管3，外插角30°，长度5m。在左、右侧壁纵向布置的Ⅰ部13和Ⅲ部16、Ⅱ部14和Ⅳ部17以及Ⅴ部15和Ⅵ部18之间通过水平支撑装置分隔。位于左、右侧壁的Ⅰ，Ⅲ部拱脚下的第1真空降水管2，位于左，右侧壁的Ⅱ，Ⅳ部拱脚下的第1真空降水管2以及位于左、右侧壁的Ⅴ，Ⅵ部或仰拱底面两侧的第2真空降水管3的纵向间距为0.5m，第1和第2真空降水管与集水总管7连接，将水通过集水总管7排出。
此外，可在正洞左，右侧壁的Ⅰ部13，Ⅲ部16下返h=50cm各布设3根4m长水平超前真空降水管8;在正洞双侧壁大跨位置Ⅱ部14，Ⅳ部17下返h=50cm各布设5根4m长水平超前真空降水管8。
4.3真空井点系统




如图5，6所示，真空井点系统由降水管21(管下端有滤管)、连接管22、集水总管7和抽水设备等组成，抽水设备可包括抽水机19和真空泵20。
降水管21采用Φ32mmPP2管，集水总管7采用Φ75mmPP2管;插入土层的降水管21必须包含双层100目滤网。每排降水管与集水总管连接，集水总管7接入真空泵20。降水管和集水总管之间采用32mm钢丝软管连接，并在连接部位加设阀门，控制井管降水;集水总管和真空泵采用75mm钢丝软管连接。
4.4井点使用
井点使用前应进行试抽水，确认无漏水、漏气等异常现象后，应保证连续不断抽水。应备用双电源，以防断电。一般抽水3～5d后水位降落漏斗渐趋稳定。出水规律一般是“先大后小、先浑后清”。
井点试运行后的真空度一般不应低于400～500mm水银柱高，如果真空度不够，通常是管路漏气造成的，应及时修复。同时检查井点管是否堵塞，可采用手扶管壁感到振动情况判断，也可根据透明塑料连接管观察，发现堵塞并影响抽水效果，要及时用高压水冲洗，或重新布设。
在抽水过程中，应定时观测水量、水位、真空度，并应使真空泵保持在55kPa以上。
降水过程中，真空负压控制在－0.06MPa以下，如果压力升高，必须对降水管路进行逐根排查，看有无漏气情况，同时必须查看插入土层中的降水管密封是否到位，漏气部位必须采用胶布缠紧。
4.5降水施工质量检验标准(见表1)


如果工作面降水情况差时，从真空泵开始检查，检查真空泵的密封情况，是否有漏风、松动现象;检查降水管路，是否有阻力、破裂现象影响工作面降水。
4.6降水成果
在前期施作桃树坪隧道4号斜井时，未采用真空轻型井点降水，导致整个作业面泥泞不堪，且掌子面经常性出现溜垮，施作初期支护段变形大，存在着很大安全风险。
采用真空轻型井点降水方法后，降低地下水位，围岩稳定性明显增强，未出现一起掌子面溜垮。且初期支护变形很小，均在规范要求值内。






5施工过程中容易出现的问题及处理方法
5.1降水不到位导致开挖困难
降水不到位时，掌子面开挖会面临坍塌、溜坍等施工难题，应加强降水，待满足开挖作业条件时方可开挖。降水班组与开挖班组配合很关键，尤其是降水管布设后，严禁开挖作业时将降水管拔出，从而导致降水失效，因此施工现场设置领工员统一协调开挖与降水工作。
5.2降水管钻孔施工过程中出现施工误差在施工过程中严格控制钻孔角度，在降水孔施工完成后及时进行测斜纠偏，适当调整钻孔角度最大程度保证孔位在原设计位置。若误差不符合规范要求的，与设计单位进行沟通确认是否要进行补孔。
5.3施工时可能发生损坏降水管为防止日常施工时可能损坏降水管，施工前首先对值班人员进行交底，若损坏降水管，值班人员应迅速关闭相应组阀门，并对被损坏的降水管进行重新安装。
6结语
6.1真空轻型井点降水的基本原理、特点
1)基本原理在掌子面开挖前，预先在掌子面四周埋设一定数量带过滤器的井点管，并在顶部回填黏土闭气，上部用软式透明管接于集水总管，然后与真空泵相连，利用真空泵的抽吸作用产生压力差，使得地下水被吸出施工区域而排除，可极大提高富水粉细砂隧道的施工安全及进度。
2)特点①工艺简单，施工操作方便;②能耗低，施工成本低，排水效果好;③施工设备配套简化，安装简单。
6.2社会效益分析
采用本方法进行施工降水，由于其工艺简单可靠、经济高效的特点，特别是易操作，有利于广泛推广应用，可以较好地解决富水粉细砂隧道的施工技术难题，获得了较满意的降水效果，保证了施工顺利进行，达到预期目的。
有效地控制施工中的安全风险，保护施工人员的作业安全，确保劳动法规等国家法令、法规的落实。
根据施工需要，现场可成立单独的降水班组，将降水纳入工序管理。
6.3经济效益分析
1)能够有效降低地下水位，对于增强围岩稳定性、确保施工安全均十分重要。
2)采用真空轻型井点降水效果较显著，日开挖循环进尺可达1～1.5m，是前期施工进度的2倍;且有效抑制了前期施工中存在的掌子面流垮、两侧垮塌及初支变形的难题，施工期间隧道的安全质量得到了有效控制。