反坡斜井突涌水处理施工技术

王晓斌

反坡斜井突涌水处理施工技术

王晓斌

某特长隧道工程设3座辅助斜井，其中辅助斜井长1000m以上2座，综合坡度11.9%，有超过100m的垂直落差，最大高差达到258m。该隧道途径岩溶富水区，其中涌水量较大的2#斜井设计日平均涌水量9950m3/d，最大涌水量19885m3/d；给施工造成的影响极大。

一、突涌水机理及模式分析

1.机理

该工程穿越岩溶富水区，地下水类型包括岩溶裂隙水以及基岩裂隙水，施工沿线有3处静态储水的溶腔，施工过程中突涌水主要在2#斜井出现，地质条件灰岩地层（Ⅱ～Ⅳ级），表现出以下特点。

（1）斜井的拱部与边墙处集中了大量涌水点，水沿裂缝涌出，呈淋雨状和股状，单个涌水点涌水量比较小，但涌水总量大，出水点富集，但整体水压较低。

（2）股状涌水点比较富集，出水量大，水压达到1.3～2.5MPa。

对2#斜井所在点进行地表水流量监测，在斜井上游（距井口1.2km）、下游（距井口0.4km）布置流量测试断面，采用浮标法，结果如下表所示。

表为地表水测试结果

断面1与断面2间距0.8km左右，从测试结果可见，流经两个断面的地表水流量损失达到3093m3/d，由此可知，地表水会为斜井涌水提供侧向补给。

2.模式

（1）掌子面方面的突涌水模式。包括裂隙—溶隙和构造带突涌水模式。

①裂隙—溶隙突涌水模式体现在局部掌子面裂隙或节理当中出现涌水，呈股状或淋雨状，裂隙—溶隙的含水介质在蓄积水以及过水能力方面较弱，所以在该模式下相对来说并不会出现较大的涌水量及水压。

②在构造带突涌水模式当中，地下水在掌子面构造带当中富集，这种富集具有较长周期，所以一般含水量比较丰富，有着较大水压，施工时会对隔水层形成一定的破坏，进而产生突涌水。

（2）洞身模式。该隧道岩溶属裸露型岩溶，降雨期会使弱径流区产生较大的地下水变幅，当隧道穿越季节变动带，如果是在枯水期，地下水位下降，处于较低位置，洞身渗水情况较稀少，甚至可能出现无水，但是在雨季丰水期，降雨会使地下水位升高，水压也会随之升高，进而使洞身出现涌水点大量集中并剧增的情况。

二、超前探测及计算

1.超前探测

（1）宏观法

利用1∶2.5万的地质测绘及现有地质资料，对施工斜井的断层、围岩、地层界限、涌水等地质问题进行预测，重点预测可能的出水点。

（2）地质雷达

使用进口地质雷达如美国SIR-20型，雷达天线100MHz，这种类型的地质雷达可探测25～30m，每隔15m或20m探测一次，至少于左右洞壁、工作面及洞底各布置一条侧线，洞壁侧线应超过开挖循环进尺。该工程地质雷达探测距离设定15m。

（3）TPS

工作面0～120m，用于预测该范围内及周边地质情况，具体包括地质结构面、地下水状态、地质构造等，设备可采用TPS200或TPS203。该工程采用10m以上超长炮孔，至少6孔。

（4）钻孔探水

可采用XY-P2或TXU-75，钻进深度可达75m，按现场实际情况布置探水钻孔，钻进深度始终确保超过工作面距离25m以上。

2.涌水量计算

针对涌水量计算来说，主要有三种方法，一是理论公式法，但其应用价值不是很高，主要是因为其使用条件相对比较苛刻，以实际的施工条件来看，很难出现与该方法贴合的条件。二是数值计算方法，该方法是较为广泛采用的计算方法，但这种方法计算相对比较复杂，成本较高，不过能够取得相对准确的结果。三是经验公式法，这是目前采用得比较多的计算方法，但在某些特定的工况下单纯的经验公式法也并不一定适用，所以半经验半理论的计算方法采用得更多，其公式如下：

公式中，分别表示隧道穿越含水地段的涌水量（m3/（d m））及总涌水量（m3/d）；分别表示洞内排水水深（）以及洞身横截面宽（）；分别为经验系数（）以及含水层长（），分别表示含水体厚度（m）及隧道底部到隔水层距离（m）；R，K分别代表隧道一侧的影响范围（m）以及含水体渗透系数（m/d）。

三、排水设计

1.排水方案及原则

辅助斜井埋深大，涌水量大，水量变化大等特点，结合上文分析，根据现场情况设临时抽排水系统，同时根据工期进度以及水量变化设置系统排水，确保排水顺畅，系统排水设两个级别的泵站，采用机械排水。

2.临时抽排水

安出水点分布以及涌水量大小布置临时排水系统。如果出水量大，则选择大功率水泵，开挖大容积集水坑，反之则尽量选择小容量集水坑和小功率水泵，排水管道，法兰连接。布置位置为系统排水同一侧，避免影响交通。掌子面则采用消防管道。

3.系统抽排水

储水池按隧道长短、高差决定布置数量，涌水量决定储水池容积，至少要能够存储1h内所辖范围涌水量。为保证排水设施的正常运行，采用双回路电源，有条件可布置发电机组，确保排水设置24h均能正常运行。管路选择焊接钢管，每台水泵配置一条管路。

四、注浆技术

1.裂隙—溶隙涌水注浆防治技术

根据突涌水在该模式下的机理，如果出现涌水且水量较小，且涌水点呈分散状态，按“排水为主”原则，在进行后续施工当中，主要采用掘进，并带水施工，加快施工进度直接强行通过。当涌水量大、涌水点富集时，按“超前封堵”原则，采用顶水注浆的方式对涌水点进行处理，并按照基岩裂隙水体的分布情况，使用分区注浆。

2.构造带涌水注浆防治技术

考虑构造带涌水危害性大，为有效防止出现涌水灾害，需考虑预留足够厚度的岩盘。

从隧道力学角度来看，掌子面前方出现塑性区是必然现象，这种情况会使渗透系数增大，并使岩层阻水等物理力学性能降低，所以需要对起着真正阻水作用的岩体进行考虑。

式中，C表示岩盘周长；c表示饱和粘聚力；A表示安全厚度的岩盘断面面积；分别表示内摩擦角及测压系数；表示埋深。

根据该公式，以隧道圆形截面，安全厚度可作为隧道等效洞径倍数，因此，可得公式：

根据上文的内容，在对突涌水进行处理时需要根据实际情况，采取相应的注浆措施，并根据实际情况以及制定的措施，选取注浆液，推荐使用水泥单液浆。本文列举的隧道工程使用的混凝土强度为C25，设计时采用3m厚止浆墙处理涌水，在隧道周边轮廓当中嵌入厚度1m，同时预留有5m的岩盘。

五、结语

由于斜井反坡掘进施工，突涌水严重影响施工安全。通过对突涌水机理进行分析，同时根据具体的工程实际，采取科学的方法超前探测及计算涌水量，针对突涌水进行重点分析，通过建立止浆墙、预留岩盘等方式，注浆治水。在落实好隧道抽排水系统的基础上，结合超前探测及突涌水防治技术，排水为主，堵水为辅，保证了斜井施工的安全和比较顺利的完成。

（作者单位：中铁二十三局集团第四工程有限公司）