长距离通风斜井涌水综合处置措施

长距离通风斜井涌水综合处置措施

【摘要】 康家楼隧道1#斜井地质条件复杂,洞内涌水量大,设计含水段长度为1052米,最大涌水量为19930 m3/d,多为围岩裂隙水。如单纯采用堵水或抽水方案局限性多,难以将涌水彻底治理,施工中确定采用“堵、防、排、截结合,重视生态,因地制宜,综合治理”的涌水治理原则,通过超前小导管注浆、小导管径向注浆、局部出水点集中封堵、设置止水墙分区防水、全断面环向防水以及合理的抽排水方案,确保了现场施工的正常进行,降低了隧道施工对周围生态环境的破坏,取得了良好的效果。

【关键词】 通风斜井涌水综合处置

1 前言

随着我国隧道施工技术的不断发展,特长公路隧道不断增多,采用斜井等形式作为运营通风或运输通道越来越普遍。而对于通风斜井中的涌水是斜井施工中所面临的最主要的地质灾害,隧道施工中的涌水不仅降低围岩整体稳定性,对隧道初期支护及二次衬砌造成破坏,同时对现场施工造成严重影响,极大的制约了隧道施工,同时安全隐患较大。减少涌水对施工的影响,降低过度排水对周围生态的破坏,对隧道内的涌水进行综合处置将是涌水斜井施工中的重点。

概述

康家楼特长隧道为和榆高速公路控制性工程,隧道全长8495m(山西省内6768.556m),康家楼隧道1#斜井为康家楼隧道永久通风斜井,1#斜井全长1337.384m,坡度为-12.7%,开挖断面面积48.82～58.99m3。

1#斜井围岩主要以弱风化巨厚层的砂岩为主,且洞身处在F15号区域性正断层和F17号区域性逆断层构造中间部位,此处为两个区域范围的构造内应力过渡带,容易形成裂隙增强带,并同时在断

层间含水层中形成与增强裂隙配套的次级张性毛细裂隙,使斜井区域裂隙系统最终形成了形似”干渠和毛渠组合的格局”,为地下水的富集和径流提供了充足的空间和通道。水文地质资料显示1号斜井含水段长度为1052米,最大涌水量为19930 m3/d,含水段每延米平均最大涌水量为18.9m3/d。而在现场施工中发现,1#斜井洞身开挖过程中多处出现股状涌水,以裂隙水为主,水压较小,全洞涌水量长期维持在14000m3/d。

3 综合处置措施

由于1#斜井渗涌水量较大,对隧道初期支护及二次衬砌造成严重危害,施工安全风险大,且长期排放会对周围生态造成巨大破坏等因素的考量,确定1#斜井采用“堵、防、排、截结合,重视生态,因地制宜,综合治理”的原则。

施工中通过超前小导管预注浆、小导管径向注浆、局部出水点集中注浆的措

施封堵洞内出水点,减少渗涌水量;通过采用全断面防水板及小导管止水墙分区防水维持原有水系平衡;采用多级泵站接力排水、多设汇水坑截水减少掌子面抽水压力,保证洞内正常施工,多项举措共同作用对1#斜井涌水进行处置。

3.1 超前小导管预注浆

为防止拱部产生突水及塌方影响隧道安全,隧道掌子面前方采用注浆封堵部分出水点,由于全断面帷幕注浆作业时间长,且会造成其他工序无法施工,现场施工采用Φ50超前小导管进行水泥-水玻璃双液注浆,起到堵水和加固前方围岩的作用,减少掌子面开挖渗涌水量。小导管环向间距50cm,长度5m/根,每环纵向搭接2.8m或2.5m(视拱架间距而不同)。具体见图1。

同时将系统锚杆替换为Φ42小导管,即作为初期支护锚杆,又作为径向注浆导管。通过径向注浆,把初期支护与围岩之间的孔隙填满、填密实,一方面可以加固初期支护背后的围岩提高其强度,防止初期支护后土体松弛下沉,同时可以起到在初期支护背后堵水的作用。如果初期支护背后围岩中渗水量比较大,就注水泥~水玻璃双液浆,对初期支护背后围岩进行加固和堵水。

3.2 局部出水点注浆封堵

对初期支护施工完成后的单个集中出水点及裂隙股、线状出水,先用钻机或风钻沿出水处扩孔,安装φ42小导管作为导水管,长度3~5m,在导水管距离管口处设置密封环,以利于止浆。

在导水管周围钻设分流注浆深孔,即先钻深孔找水源分流泄压,从岩面引水后可喷混凝土止浆,再利用分流孔注浆。注浆孔根据裂隙和出水的特点进行布 置,采用大型钻机或风钻钻孔,孔深、钻孔间距和钻孔角度根据现场情况确定,孔位呈梅花形布置,注浆顺序先注导水孔后注分流深孔,先注水量小、水压低的钻孔,后注水量大、水压高的孔,先注外圈孔后注内圈孔。注浆参数及注浆效果分别见图2、图3。

3.3 设置止水墙分区防水

康家楼隧道1#斜井洞内涌水点多,围岩全部为水平层状砂岩,且1#斜井为-12.7%下坡施工,造成已完成初期支护背后水平岩层内裂隙水全部汇集至掌子面,造成施工掌子面积水严重,施工安全风险大。

针对水平岩层裂隙水的特性,施工中采用分段设置止水墙,即1#斜井洞内每100m设置1处止水墙,将洞内涌水分区域进行封堵,维持原有水系补给路线,降低掌子面施工压力。

止水墙纵向长度5m,现场采用Φ50超前小导管进行洞身全环向进行水泥-水玻璃双液注浆,小导管布设间距为100×100cm,梅花形布设,长度6m/根,封闭地下水渗入路径后,将水平岩层裂隙水分区域阻断,岩体自稳性能可大大提高,减少洞内出水量,降低掌子面施工压力。具体见图4。

3.4 全断面防水板闭合防水

康家楼隧道1#斜井衬砌内永久性排水设施众多,包括纵向排水管、横向排水管、中心排水沟等,在斜井衬砌全部完成施工后,围岩内裂隙水仍然会通过洞内排水系统源源不断的排出,长期排放将会造成山体地下水位下降,对生态造成破坏。

针对1#斜井洞内采用全环设置排水板,排水板采用立体防水板,厚度1mm。在隧道仰拱(铺底)开挖后,铺设一层立体防水板,中心水沟、仰拱等设施预留于立体防水板以上。仰拱立体防水板与衬砌防水板焊接成为一体,形成整体防水结构,与小导管注浆止水墙搭配,维持岩体内原有水系平衡,减少隧道施工对周围环境的破坏。

3.5 斜井施工期间抽排水设置

隧道内的所有抽水点全部进行封堵消耗时间过长,且耗费巨大。为保证隧道内正常施工,对于采用封堵后剩余洞内围岩裂隙出水,以及掌子面突发性涌水,采用抽排方式将其引排至洞外,则泵站的建设、水泵、管道的选型即成为保证隧道洞内正常施工的重点。

根据斜井井身为长距离反坡独头施工的特点,排水系统采用反坡、机械排水、设置多级泵站接力排水,施工掌子面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或临时集水坑内,其余已施工地段出水经临时集水坑自然汇集到泵站水池内,泵站集水由工作泵将水经管路抽排至前一泵站内,如此接力抽排至洞外经污水处理后排放。泵站水仓容量按20min设计正常涌水量设计,并考虑施工和清淤方便及具有应急能力综合确定,临时集水坑根据汇水段水量大小确定。

3.5.1 排水设置

采用多级泵站分级接力的排水系统,综合考虑泵站的数量和水泵的选型,泵站的数量尽可能少设置,以节约用电并减少故障率,避免泵站数量过多,一旦一个泵站出现故障,整个抽水系统全部瘫痪。集水泵选用干式液下渣浆泵低扬程大流量水泵;泵站水泵应选用合金耐磨型渣浆泵、扬程富余量不小于10%。根据斜井长度及坡度,1#斜井采用三级抽水方式,设置2个泵站,其中1号泵站设置在距离斜井口446m处、2号泵站设在下方距1号泵站540m处,在1、2#泵站中间位置设置集水坑,集水坑待泵站建好后进行拆除。

3.5.2 参数计算 a流量:

根据设计补勘资料,1#斜井含水段长度为1052m,正常涌水量为2425.9 m3/d,最大涌水量为19930 m3/d 。据《煤矿安全规程》中要求工作水泵的能力,应能在20h内排出掌子面24h的正常涌水量。经计算:

正常涌水量时,每个泵站每小时排水流量的设计值为 Qh=(2425.9*1052/1337.384)/20=95.41 m3/h;

最大涌水量时,每个泵站每小时最大设计值排水流量为 Qh.max= (19930*1052/1337.384)/20=783.85 m3/h。 b管径:

根据以上计算值,查看《工程师手册》附表选择管道直径,正常、最大涌水量两种情况下管径分别要φ125mm和φ380mm。结合项目实际情况考虑,计划采用φ150mm管道两路及φ200mm管道一路,并在φ200高压风管上预留接口,一旦出现大量涌水,利用φ200高压风管进行紧急排水。

c扬程:

根据公式:H=h+

H=446×0.127+=66.602 m (φ200mm) Hmax=446×0.127+=69.952 m (φ150mm)

式中H——扬程;h——水泵出口到排水管路重点的垂直高差;l——管道的沿程长度;v——管中水流的实际流速,根据公式:v=q/A=1.98m/s;q—液体的流量;v—通流截面上的平均流速;A—通流管道的截面积;D—排水管直径;g—重力加速度,9.8 N/kg

根据此计算结果并综合考虑,泵站水泵选择5台75kw+1台132kw隧道专用耐磨合金泵(含1台备用)。

由于1、2#泵站间距离较远,当抽水位置位于两个泵站间时,掌子面水泵扬程

受到限制,无法直接将掌子面出水直接排至泵站,需进行中转,在两个泵站中间设置1处集水坑,水泵随集水坑建成而移动,集水坑采用卧式离心泵ISW125-250,卧式离心泵连接φ150mm水管将水排至泵站,由泵站接力排至洞外污水处理池,待2#泵站建好后,再将集水坑拆除。

通过计算,则总的排水量为:

Qh=132*4+280=808 m3/h>783.85 m3/h

对照所选水泵的型号,泵站所配备的水泵能力较大,这是因为考虑了水泵的实际效率及可靠性的缘故。

d、对于洞内集中出水点,应多设置小型汇水坑,及时将洞内出水分段进行拦截,抽排至泵站,避免裂隙散水全部汇至掌子面,加大掌子面抽水压力,占用过长抽水时间,影响工序施工。

4 结语

为了解决涌水对斜井施工带来的影响,改善掘进、支护和衬砌工作面的作业条件,以及保证隧道施工质量,采用单一的方式难于将涌水彻底治理,通过采用采用“堵、防、排、截结合,重视生态,因地制宜,综合治理”的原则,通过超前小导管注浆、小导管环向注浆、局部出水点集中封堵、设置止水墙防水、全断面环向防水以及合理的抽排水方案,确保了现场施工的正常进行,降低了隧道施工对周围生态环境的破坏,取得了良好的效果。

参考文献:

[1]黄成光.公路隧道施工.北京:人民交通出版社,2001.

[2]张民庆.宜万铁路重点难点隧道工程地质难题与施工对策浅析[J].现代隧道技术增刊,2004.

[3]赵喜斌.象山隧道4#斜井涌水淹井处理技术.隧道建设,2008. [4]牟松,李建斌.厦门翔安海底隧道防排水施工技术.隧道建设,2008.

[5]李建军.公路隧道陡坡长距离通风斜井抽排水施工技术.铁道标准设计,2010.

[6]公路隧道施工技术规范(JTG F60-2009).北京:人民交通出版社,2009.

简介: 吴红军(1981.2— ),男,2004年毕业于石家庄铁道学院土木工程专业,现供职于中铁十二局集团第三工程公司.