流沙地区水工隧洞负压真空辐射排水固沙施工技术.docx

流沙地区水工隧洞负压真空辐射排水固沙施工技术张建升(中铁十八局集团有限公司隧道分公司 , 天津300222)摘 要 :富含水流沙隧道施工如何采取隔断地下水或排水等措施以保持地下水位在开挖底面以下 ,进行无水环境下的作业是 工程建设的一个重要部分 ,处理方法选择是否得当 ,将会对工 程造价 、工期带来很大的影响。流沙地区水工隧道负压真空辐 射排水固沙技术是处理富含水砂土质围岩的一种行之有效的 方法 。本文以隧洞试验段为例 ,对隧道负压真空辐射排水固沙 技术的原理 、施工方法及处理效果进行分析 。关键词 :水工隧洞 ; 负压真空辐射排水 ; 流沙 ; 施工隧洞穿越的特殊地质为新第三系中新统红柳沟组的未固结的砂岩 ,呈散体状态 ,胶结程度差 ,具有围岩 强度小、掌子面自稳性差 ;围岩强度 、刚性低、变形大和 因涌水掌子面变得不稳定的特点。施工中 ,由于有地 下水的存在 ,隧洞开挖呈流沙状态。砂岩层位不连续 , 以夹层和透镜体为主 ,桔红色 ,暗红色 ,中厚层状 ,泥质 胶结 ,胶结程度差 ,成岩作用差。物理力学指标 : 坚固 系数 110 ,自有膨胀率 14 % 1215 % ,无膨胀性 ,黏聚 力 20 kPa, 内摩擦角 30 , 单位抗力系数 100 N / cm3 , R = 250 kPa。隧洞地下水位埋深 1014 20 m。随 地形起伏 ,含水层主要为第三系砂岩 ,设计合同段隧洞 有地下水 , 涌水量小于 1 m3 / h。地下水属基岩裂隙中图分类号 : U455文献标识码 : B文章编号 : 1004 22954 ( 2008 ) 11200792031 工程概况“宁夏沙坡头水利枢纽北干渠下段扩建改造工程 ”是宁夏回族自治区 2004 年的重点工程。主隧洞断 面形式采用马蹄形 ,开挖断面为 514 m 514 m; 洞室 有效尺寸为 412 m 412 m ,衬砌厚度为 35 cm (加强段 为 40 cm )的 C25 抗硫酸盐钢筋混凝土 ,为无压输水隧 洞 。见图 1。- 2水 ,水的化学类型为 CL - SO4 - N a型 , SO4 离子的含量为 1 0504 790 m g /L ,对普通水泥具强结晶腐蚀性。 而隧洞实际地下水丰富 ,涌水量为 635 m3 / h,沙土在地下水条件下 ,沙粒受到等于或超过颗粒浸水质 量的动水压力时 ,颗粒处于悬浮状态 ,形成流沙 。在沙粒很细而饱水条件下 ,地下水不是简单充填粒间 ,而是粘在颗粒表面 ,此时 ,土体成为类似胶体而具有触变性 质 ,在爆破、振动等某种动力作用下 ,土体也会暂时处 于流动状态 ,极易形成流沙。我单位施工的标段即为一期工程的隧洞工程的 、标段及跨铁路标段 , 总长 2 300 m ( K1 + 500 K3 + 800 ) 。2 工程施工难点及负压真空辐射排水固沙技术方案可行性分析图 1 隧洞初期支护标准断面 (单位 : cm )大量地下水的存在给开挖支护带来极大的施工难度 。针对此砂岩隧洞来说 ,地下水对工程的影响体现 在以下方面 ,其一影响了土体的物理力学指标 ,围岩级收稿日期 : 2008 209 220; 修回日期 : 2008 210 209作者简介 :张建升 ( 1973 ) , 男 ,工程师。处理。待盾构机通过后一段时间 ,桥梁处土体的塑性区不再发展 ,趋于稳定 ,最终的破坏区发展主要集中在 开挖隧道周边 。的风险 ,使用双液浆效果更佳 。参考文献 :王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论 M . 安徽教育出版社 ,2004: 263 2274.张凤祥 ,朱合华 ,傅德明. 盾构隧道 M . 人民交通出版社 , 2004:105 2108.徐永福. 盾构推进引起地面变形的分析 J . 地下工程与隧道 ,2000 , 27 ( 1 ) : 21 225刘建航 ,候学渊. 盾构法隧道 M . 北京 : 中国铁道出版社 , 1991:43 250. 1 3 结论 2 桥墩摩擦桩基对近接隧道施工的反应十分敏感 ,近接施工扰动摩擦桩基周围的土体 ,使得桩基发生大 幅度下沉 ,甚至发生倾斜 ,在施工过程中可以通过预先 注浆加固及适当增加盾构同步注浆可以减免事故发生铁道标准设计 RA ILWA Y S TANDA RD D ES IGN 2 0 0 8 ( 1 1 ) 3 4 79张建升 流沙地区水工隧洞负压真空辐射排水固沙施工技术隧道 /地下工程 别降低是其中的反应之一 ,其二影响了砂 、土层中洞室开挖后的应力状态 ,围岩中有水时 ,洞室开挖后将破坏 原来的赋存环境及水利路径 ,必然导致洞室周围土压 力状态与设计不同。在水中 ,沙质围岩的内摩擦角降 低 ,围岩的视强度降低 ,粒子间的有效应力减小 ,土的 抗剪强度减小 ,这都是造成掌子面不稳定的原因。施工中砂土体会暂时处于流动状态 ,极易形成流 沙 ,动辄出现坍塌 ,虽施工中采取了传统施工中的超前 构件支护 (管棚、锚杆 ) 、加密拱架、钢插板、预衬砌稳 定掌子面等施工措施 ,但大量地下水的存在仍无法满 足开挖要求 ,往往出现边开挖边坍塌的现象 。本隧洞砂土的工程性质主要取决于其结构构造 、 矿物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性质等 ,另一方 面也取决于生成年代的长短 、地理条件的变迁等 。土 体的固体颗粒之间及颗粒与水之间的相互作用 ,使土 的物理力学性质很复杂。在地下洞室开挖以前 ,土层中的各点均处于三向受力的平衡状态 ,但这种平衡状 态并不是一成不变的 ,当地下洞室开挖后 ,地层中的应 力平衡就遭到破坏 ,为了维持新的平衡 ,必须采取一些 新的施工措施来满足施工要求。如何消除地下水的影响是解决此种矛盾的关键所在 ,如何从砂土质隧洞的受力变化机理及设计施工方 面来维持遭到破坏后地层中的应力的新的平衡变得至 关重要。而寻求相应的施工方法和措施是关键 。加强 砂土质围岩中洞室开挖后初期稳定与长期受力变化特 点的研究 ,更好地指导设计与施工 ,加强地下洞室应力 变化基础方面的研究 ,弄清各类地下结构在砂土层中 的受力特点 ,研究砂土质围岩中地下洞室长期应力的 变化情况及各种不同情况下砂土中应力的相应变化 。 明确在各种不同的地质条件下 ,砂土的物理力学参数 随时间的变化情况 ,以此指导设计。开挖工程中 ,要根 治地下水 ,确保隧洞施工在无水环境下安全有效地进 行作业 ,必须采取隔断地下水或排水等措施以保持地 下水位在开挖底面以下 ,进行无水环境下的作业。本标段开工伊始 ,曾因地下水问题 ,造成大小塌方20余次 ,被迫停工长达 6 个月之久 ,而全线因为地下 水丰富造成的误工、停工时间更长 (累计 14 个月之久 ) ,造成巨大的经济损失。采用本技术成功地解决 了流沙质隧洞施工问题 ,为隧洞开挖创造了条件。地基中水流向井中并被抽走 。随着这一过程的发展 ,土体被挤密 ,从而达到增加土体强度的目的。 施工中一般先用高压射水将外径为 3850 mm、下端具有长约 112 210 m 滤管的井管沉到需要的深度 , 并将井管顶部用管路与真空泵相连 ,借助真空泵的吸 力 ,将地下水通过管路排出。井管间距视土质而定 ,一般 018210 m ,可布置成三角形或其他排列形式。施工 设备主要有真空泵、离心泵、水气分离器以及井点管路。适用范围 :对未固结围岩 (其范围大致是 : 新第三 纪鲜新世的低固结、未固结的砂岩 、泥岩 ,第四纪洪积 世的砂层、黏土层 ,其他的冲积层 ,表土、风化岩、岩堆等 )由粉细沙组成的渗透系数较小、层位不连续、易坍 塌的地质 ,尤其对流沙地段的隧洞开挖及楼房、厂矿基 坑的开挖较为适用。3. 2 负压降水设计隧洞单米井点降水设计 :隧洞折按正方形计算 ,深6 m ,宽 615 m ,长 1 m ,如图 2所示 。图 2 单米井点降水设计 (单位 : cm )经地质勘测 ,渗透系数 k = 8 m / d, 地下水位距洞顶以下 115 m。根据本工程地质情况和折合平面形状 ,井点选用 环形布置。基坑平面尺寸为 6 m 615 m ,总管距开挖边缘 015 m。总管长度= ( 6 + 015 2 ) + ( 615 + 015 2 ) 2 = 29 m水位降低值S = 6 - 115 + 015 = 5 m采用循环井点 ,经计算 ,井管埋设深度 (不包括滤 管长度 ) 217 m , 采用 315 m 长的井点管 , 直径 25 mm ,滤管长 1 m ,井管外露 015 m ,埋入土中 310 m (不 包括滤管 ) ,大于 217 m 符合埋深要求。井点管及滤管长 315 + 4 = 715 m ,滤管底距不变 水层 1170 m ,基坑长宽比小于 5 ,可按无压非完整井环 形井点系统计算。根据有关文献 1 2 ,计算出的涌 水量为 234 m3 / d,并根据单管出水量计算出井点管数 量和井距。实际井距取 015 m , 主要根据开挖进尺确定为015 m。实际布置抽水管根数为每米单侧各 6 根 , 底部4 根。( 4 )抽水设备选用L3 主要施工工艺及要点3. 1 技术原理及应用范围技术原理 :在需要处理的地基内设置一定数量的 井点 (滤水管 ) ,利用抽水设备从井中抽水。随着水的 抽出 ,使井中形成负压 (以大气压作为零点 ) , 从而在 土体中产生一个压差 ,空隙水压力向井点区转移 ,同时80铁道标准设计RA ILWA Y S TANDA RDD ES IGN 2 0 0 8 ( 1 1 )张建升 流沙地区水工隧洞负压真空辐射排水固沙施工技术隧道 /地下工程 抽水设备带动总管长达 29 m ,选用离心式自吸清水泵 IZD K 14 ,最大扬程 14 m ,最大流量 6 m3 / h,最大孔径方向经检验符合验收标准要求 ,即可插带滤网地塑料管。插管时注意要使塑料管的端头超过探水管的 尖端部 ,见图 6。吸程 8 m。3. 3 施工工艺流程 (图 3 )图 6 塑料井管插装示意 (单位 : m m )( 6 )拔探水管。拔管时要注意的是在两管 (探水管 、塑料抽水管 )间回填细粒料 ,并且边填边拔。然后 在距地面 50 cm 处用红胶泥封堵 (也可不填滤料即做 封堵 ) 。封堵及回填滤料是为了防止堵孔。( 7 )安装自制压水井头 (图 7 ) 。图 3 负压真空辐射排水施工工艺流程图 7 压水井头示意3. 4 施工工艺及技术要点( 1 )根据负压井点设计选择购买 25 mm 的塑料 管 。塑料管承压要达到设计水压要求 ,管壁厚度要均 匀一致 ,无漏气现象 。( 2 )打滤水孔 。沿管周围打 3 个 5 mm 孔 ,呈梅 花形布置 , 顺管方向孔间距 150 mm。滤水管段长为1 500 mm (钻孔采用家用剪刀或小型手钻即可 ) 。钻 孔要均匀 ,管渣要清除干净。孔周围要磨平光滑 。如 图 4所示。( 8 )初抽水。将压水井接管部位与塑料管相接 ,注意不能漏气 ,然后压水 ,抽水直至由浑水变为清水后 方可停止。同时抽水时可观察出水量 ,为井管布设及水泵、井管串联个数提供参考 。( 9 )安装负压真空泵。按洞内设计布线 ,将真空泵 安在出水井管上。水泵安装好后 ,检查电源、接头、管线 等 ,检查合格后即可抽水。抽水要连续 ,如果 3 根串联 仍达不到抽水要求 ,则可根据情况增加出水管数量。3. 5 质量检查及验收( 1 )检验水管及滤水管。水管按塑料标准检验 。 滤水孔孔径控制在 1 mm 左右 ,孔距控制在 10 mm。( 2 )探水器管方向及深度检查。方向角度控制在1 范围以内 ,深度控制在 50 mm。3. 6 机具设备本施工方法仅需用 50 mm 钢管 4 m ,自制压水井图 4 打滤水孔示意( 3 )绑扎滤水管网 。用胶及铁丝将滤水网绑在钻完孔的塑料管上。管底部分要做封闭处理。封堵长度 为 20 mm ,滤水管网主要起过滤及阻挡泥沙进入管内 的作用。防止泥沙堵坏水泵。( 4 )用长 4 m , 50 mm 的钢管先探水源。由于地 质层位不连续 ,如果水管处于渗水差的土质中 ,排水效 果不明显。探水管如图 5 所示。探水管前端呈尖状 ; 但不封闭 ,开口 30 mm。施工时可用风钻带动干钻成 孔 ,也可利用高压水成孔 (即水成孔法 ) 。钻孔时要严格按照设计的角度和方向施工。探水管钻至一定深度 后 ,要对钻探的地层地质情况进行编录分析 ,以判断该 层含水情况 。头 1 个 ,塑料管根据施工长度确定。风钻 1 把 , ID K14水泵若干台 ,电线若干。4 施工效果评价4. 1 降水效果明显洞内负压降水尤其是针对透水性较好砂岩段的基 底开挖施工 ,可谓立竿见影。因在有水条件下 ,砂岩遇 水形成流沙 ,开挖时 ,围岩基本无任何胶结能力 ,时常造成边挖边塌现象 ,负压降水较好地解决了洞内水大 无法开挖这一施工难的问题 。同时 ,针对本隧洞的围 岩特点 ,负压降水周期相对较短 ,一般为 2 18 h,半导 坑开挖时基底降水时间一般平均为 4 h,为开挖和快速(下转第 85页 )图 5 探水管示意 (单位 : m m )( 5 )插塑料井管。如果探明该孔处于富含水区 ,铁道标准设计RA ILWA Y S TANDA RD D ES IGN 2 0 0 8 ( 1 1 )81任晓琴 金寨隧道安全优质快速施工技术隧道 /地下工程 混凝土。这种施工工艺因为在小边墙与拱圈混凝土之间有一道纵向施工缝 ,从而影响了隧道混凝土结构的 整体性 ,经常出现“烂墙角 ”的现象。项目部积极组织 技术人员进行攻关 ,改变了二次衬砌先施作小边墙的 传统施工工艺 ,实现了二次衬砌从边墙底部到拱顶一 次灌注成型 ,既简化了工序 ,又提高了施工质量 。同的施工方法 ,既保证了施工安全 ,又保证了工程质量和进度。( 2 )长大隧道施工中 ,长隧短打 、长探短进对解决 通风排烟、超前探明地质、增强爆破效果有重要意义。 ( 3 )精心选择施工方案是决定整个隧道施工的关键。( 4 )安全快速施工是缩短工期和降低成本的手段。( 5 )动态施工管理是隧道施工的命脉。参考文献 :9 施工效果与体会一般长大隧道施工速度随着洞身延伸呈下降趋势 ,通过不断完善应用本项施工技术 ,金寨隧道施工进 度和质量逐步提高 ,成为全线施工的“领头雁 ”, 连续11次获得业主 、上级部门工程综合和单项大检查第一 名 。金寨隧道提前顺利贯通 ,尤其是斜井项目部以共 完成隧道掘进 5 215 m 优异表现 ,创造了全国隧道斜井 单口施工最佳成绩。( 1 )根据“岩变我变 ”的原则 ,不同的地质采用不铁建设 2005 160 号 ,客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准 S .DBJ04 253 2007 ,建筑工程施工安全管理标准 S . TZ214 2005 ,客运专线铁路隧道工程施工技术指南 S .管德鹏 ,汶文钊. 客运专线铁路隧道施工要点探索 J . 铁道标准 设计 , 2007 ( 6 ) : 90 294.黄春峰. 合武铁路隧道超前地质预报技术综述 J . 铁道标准设 计 , 2007 ( S1 ) . 1 2 3 4 5 (上接第 81 页 )支护创造了很好的条件 。 以本隧洞内一段降水效果为例做一简要阐释。抽水开始 ,地下水位下降较快 , 6 号观测孔仅 12 h,就下降为 212 m ,抽水装置最高真空高度通过压力表显示 为 01072 M Pa,当天就具备开挖条件。经过 24 h开机降水 ,地下水下降趋于基本稳定 ,降水曲线见图 8。后 ,解决了全线 4 165 m 砂岩段部分施工段落施工难的问题。更为可贵的是 ,此技术为具有类似地质的地区 尤其是陕西 、宁夏 、甘肃 、青海等地区的隧洞及基础工 程提供了强有力的技术支持。5 结语本施工技术工艺简单 ,易掌握 ,可操作性强 ,占用空间小 ,施工干扰少 ,开挖与降水可同时进行。所需机 械设备少 ,运行成本低 ,水泵管线可循环利用 ,投资少 ,造价低 ,降水固沙效果明显。而且在施工过程中 ,将相 对理论化和抽象化的井点降水 ,通过反复不断的试验 , 变得更加具有可操作性 ,例如采取自制的压水井等一 些辅助措施 ,使得对处理类似地质的隧洞施工积累了 相对成熟的施工经验由于受地表条件、围岩本身力学性能和分布于岩体的地下水不规律、施工工艺无