隧洞涌水的防治处理方法解析及应用.doc

隧洞涌水的防治处理方法解析及应用 隧洞涌水的防治处理方法解析及应用 隧洞涌水的防治处理方法有多种，主要分为两类，一类是排水法，另一类是止水法。 排水法 排水法是山岭隧洞施工中最普通采用的方法。采用排水法处理涌水时，大多同时采用两种或两种以上的方法。 明沟排水和集水坑水泵抽水法 考虑到我隧道进口段坡度较缓，只能采用集水坑用水泵将积水抽出，经排水管排出洞外。一般布置是每隔300~450m或在渗水处设置集水坑，并配备合适型号的抽水机在集水坑处，将每个坑内的积水抽至后面一个集水坑。每台抽水机各自操作，容量大小应根据情况需要加以变化，随着掘进工作面向前延伸，后边各集水坑的流量也逐渐加大，原先容量较小的活塞式抽水机将用容量较大的离心式抽水机替换，而把活塞式抽水机往前移动。管道直径尺寸应根据排水量而定，一般在50~250mm。普遍使用100mm的，因其移动困难较少，在一般隧洞的水量下，尚能适应处理所有的渗水。青函隧洞超前导坑和辅助导坑贯通后，龙飞工区为下坡开挖，必须用水泵排水。开挖面四周的涌水和工程排水经由间距约为60m的集水坑和排水管排放到中集水坑，然后从中集水坑抽排到间距为500m的大集水坑，以后再经由各大型集水坑与连接点前方的道床排水沟接通，以自然流水方式排放到斜井底部的水泵房。有的工程不采取上述由一个集水坑把水抽到另一集水坑的办法，而是采用密封的管路，一直抽到洞口或竖井位置，中间设置抽水机。通过止回阀，把水抽入管路。委内瑞拉的雅卡姆布引水隧洞，遇到大量涌水（涌水量达280~300L/s），用2条直径254mm的管道，每隔1000m安装水泵排水。 在竖井的开挖过程中，利用钢丝绳悬吊离心泵抽水。遇到竖井很深时，在竖井壁上挖集水坑，安装增压泵。在美国德拉韦尔输水隧洞上，一个承包商在竖井的不同标高设置几个电动离心泵，把几台泵串联起来进行抽水，而勿须再设中间集水坑。在竖井底安装抽水设备，以处理隧洞内的水。抽水设备安装在井壁外一侧的工作间里，把隧洞内所有的水都收集在一个集水坑中，由水泵把水抽走。德拉韦尔输水隧洞工程抽水机的上升管，以及风管与进水管、电缆管路都 于岩体的松动，会影响正洞的安全。一般采用中心距离15~20m。排水导坑一般放在地下水流的上游，但也有例外，要视地质条件而定。排水导坑应在主隧洞前面掘进，如遇开挖面崩塌，无法掘进时，则开挖面应全面支护，在它的后方10m左右另开岔线，进行迂回掘进。此时可在停止的开挖面上进行钻孔排水，以保障分岔的迂回坑道的掘进。 排水导坑的排水效果因土质的不同而差别很大，但总的看来效果是明显的。如在富士山脉北部开挖一座3.6km的公路隧洞，初测结果表明该隧洞有破碎断层带存在，因此在隧洞施工中反复进行勘探，在接近破碎断层带时采用探扦法进行勘探。但对断层的特性还是没有掌握，以致在掌子面造成1500m3的卵石随着高压水一起坍下来。经测量，破碎断层带由7m厚的断层粘土和30m厚的细晶岩碎粒所组成，约成45°斜角横跨隧洞，地下水的压力为12kg/cm2，温度为2℃。为了继续施工，采取了以下措施：先将隧洞路线移出20m，再凿孔排水和压浆密封。 在正洞两侧，设置了排水钻孔用的工作室，在工作室内沿辐射状方向钻孔，穿过不透水层至含水的破碎断层中，排水孔向外倾斜2°~4°，以利排水，并防止排水管头部的过滤网被泥土淤塞。由于细晶岩碎粒的透水系数极大（10－2~10-3cm/s），因此排水量受降雨量的影响很大，经三个月的连续排水（平均排水量为3m3／min，最大排水量为7.5m3／min）共排出地下水60万m3。同时使掌子面的水压力降低到2~3kg/cm2。配合压浆后，用铁镐进行台阶式开挖。压浆区为3.0m厚，约为隧洞半径的1.2倍，这个断层用了6个月的时间才通过。 还有六甲隧洞的芦屋斜井，在施工中也遇到了一个断层带，与斜井近于垂直相交，此断层带由于为细砂和粘土所组成，以致渗透系数较低（估计为10-5cm/s）。断层厚约12m，背后有裂隙，并发现存有大量的高压地下水。采取的措施是：在破碎带钻孔排水以降低地下水的压力，并用压浆来加固地层；由于地下水的压力过高（达20kg/cm2），在断层钻孔很难实现，因而开挖了很多排水导坑进行排水，如图3－21；然后在斜井两旁的排水室内，进行钻孔以排出断层背后的积水。当最高排水率为250L／min时，地下压力降到5~6kg/cm2，这样就为下一步钻孔压浆工作创造了有利条件。虽然斜井的断面仅19m2，但由于地下水压力过高，因此压浆区的厚度在顶部和两侧均为10m，底部是7m，采用了多阶层的侧壁导坑进行掘进。 我国大瑶山隧洞F9断层上盘破碎带，富含地下水，施工中既有大面积渗漏水，又有沿张裂隙和小断层的股状涌水，该段最大涌水量达48000m3/d，围岩稳定性极差。为了确保隧洞顺利建成，于隧洞右侧25m开凿了一个超前平行导坑。该导坑起到了良好的排水降压作用，它引排了该段2／3的涌水量，大大减小了隧洞正洞的涌水量和水压，保证了隧洞的正常施工。 深井及井点法 深井与井点的采用取决于隧洞的覆盖土、环境、土壤性质及水压力等，在许多工程中采用了这一方法。 井点法适用于未固结地层，设备简单，因此只要没有特殊情况，从经济上考虑，就可采用。如六甲隧洞的上个原工区，地质为砂砾及砂层夹有粘性土，固结程度疏松，为地下水蓄积量较大的不稳定地质，此隧洞在起拱线附近因有未固结的滞水带，故在此稍高位置在隧洞左右侧开挖迂回坑道，并布置深约6m的井点集水管。 井点在左右的迂回坑道和正洞的中槽三处设置，以利掘进侧壁导坑和底槽。 井点按平行布置，前后间距1m，深度以6.5m为标准。考虑地质及各种损耗、水泵性能等，水泵连续工作的的井数平均为60~70眼。 水泵应不停的运转，直至将拱圈混凝土灌完。为了避免接长集水管时要停泵，井点要比开挖面超前一个距离（约70m）。在开挖过程中，由于井点排水作用，取得了超过预料的进度，除出现一些流沙和隆起现象外，边墙的内衬及抑拱混凝土都能进行施工。此外，在东海道新干线的小原隧洞以及新日向川发电站尾水隧洞等，均采用了井点施工方法。 在生田隧洞的出口，采用了深井法降水。该隧洞在施工中遇到了20~30m水头的涌水和级配不良的砂层，各种方法比较后确定用深井法来降低水位。在隧洞两侧设置降水导坑并在其中钻凿深井，其高度选在无流砂现象发生的地点，其横向位置则根据扬水效果及不扰动正洞处地层等条件确定。深井直径采取30cm，深度到正洞施工基面下10m，深井间距15m，左右交错排列。扬水泵功率为5.5kW，扬程为25m。 用深井降水法的特点是可以在大范围内大幅度的降低水位。但此法是重力排水方式，水流入井的浸透速度有一定的限度，当不可能将水完全降低时，还得用井点补充降水。 用深井降水效果很好，使流砂现象一度消失，在上半断面掘进时，完全无涌水。 在榛名隧洞洗小芋工区，该段的土壤固结程度一般都低，虽然流入水量比较小，工作面的支持能力却很差。覆盖层厚约70m，初期地下水位在地面下10~15m，在导洞开挖之前，在正洞旁边的岩体上设置深井以降低地下水位和减少流入水量。深井安装在离正洞中心约15m处，间距为30m，深井下到主隧洞路面高度以下30m，直径450mm，套管直径为300mm。每一处的流入水量差别很大，每一个井从200~300L／min到1000~1500L／min，渗透系数约10-4~10-5cm/s。 在到达工作面之前约三个月开始抽水，除浮石带外，流入水量不大，开挖进行相当顺利。在拱的混凝土衬砌完成后，深井操作便停止，地下水位已在地面以下的30~45m。 （4）定向开挖法 任何一个洞段开挖大多两个方向，如有涌水的可能就应该选择最有利的一端进行开挖，这也是防治突水的有效方法。如大量地下水储存在断层的上盘，当时是从下盘向上盘方向开挖，产生了突水，如果予计到这个问题，可采用反方向掘进，地下水随着开挖进展陆续被排除，突水就不会发生。 锦屏引水隧洞工程根据实际情况显示，单洞稳定用水量为8m3/s，最大单点涌水为3m3/s，全部采用抽水的方式显然是不是很现实，因此在处理涌水时主要以自流为主。 止水法 止水法主要包括预突泥灌浆法、冻结法和压气法三种，其中，前者采用的较多。 预突泥灌浆法 (1）基本原理、假设、方式说明 ①基本原理 突泥灌浆就是在隧洞开挖之前，沿其四周用钻机钻孔,利用突泥灌浆泵通过钻孔将浆液注入到岩层裂隙中，浆液凝固硬化后，堵塞岩石裂隙，达到加固围岩，截断地下水流，减少渗漏水流入作业面，从而为施工创造良好的作业条件。 根据突泥灌浆施工时间不同，隧洞突泥灌浆可分为预突泥灌浆法和后突泥灌浆法。 预突泥灌浆法是在隧洞开挖之前进行的突泥灌浆；后突泥灌浆法是在隧洞开挖之后，衬砌以前进行，或者虽经过预突泥灌浆，但由于开挖爆破震动和预突泥灌浆处理不周，个别地段仍有渗漏水时，为保证衬砌顺利进行和衬砌质量而进行突泥灌浆。 在突泥灌浆施工中，预突泥灌浆堵水与加固围岩效果显著，施工较易进行；而后突泥灌浆由于围岩松动易发生跑浆，突泥灌浆常作为预突泥灌浆处理后的补充手段。 ②基本假设 采用预突泥灌浆法堵水的基本设想是： A．经过突泥灌浆后在隧洞周围形成一圈有一定厚度的止水范围——止水带，防止高压水进入隧洞内。 B．由于突泥灌浆而形成的止水带和加固层的作用，水压和地层将由岩层、支撑和衬砌共同承担，这样可以大大减薄混凝土衬砌的厚度，同时可以减少开挖的数量。 C．由于开挖隧洞产生了山体松动，为防止地下水的侵入，在其外侧需要采用突泥灌浆使其有足够厚度的止水范围。 ③预突泥灌浆法的基本方式 突泥灌浆方式一般可分为单液单注系统、双液单注系统、双液双注系统。 单液单注系统是将一种浆液或两种浆液在注入前预先混合，通过突泥灌浆泵注入到岩层中，这种方法一般适宜于胶凝时间稍长的浆液。单液突泥灌浆系统操作（调节流量）比较方便。 双液突泥灌浆系统是将两种浆液在突泥灌浆管口的混合器混合后再注入到岩层中，采用这种方法浆液胶凝时间可稍短些（一般3~5min均可），这种突泥灌浆方法也有两种工艺流程。 由于突泥灌浆在压注过程中，两种粘度不同，引起泵量变化，当调节某一突泥灌浆泵时，能影响另一突泥灌浆泵的进浆量，使甲、乙浆液比例难以满足设计要求，只能大体上接近。 双液突泥灌浆系统是将两种浆液通过不同突泥灌浆管注入到钻孔内，而在孔内混合的方法，这种方法，一般适于胶凝时间非常短的浆液。 突泥灌浆工艺流程的选择，需根据突泥灌浆目的和使用的突泥灌浆材料性能而定，在实际施工中往往还要结合现场设备等情况而加以改变。 第一步在需要突泥灌浆的地段，钻100mm左右的孔径，如有塌孔危险时，放入套管。 第二步在套管里插入双层管，双层管为内径40mm的聚氯乙烯管，每隔33cm有突泥灌浆孔，外面套有短橡皮套，包住突泥灌浆孔，起到阀的作用。 第三步，在双层管和套管之间注入特制的套筒浆，然后拔出套管。 第四步，在预定要注入的地点，在双层管内插入有双层垫的注入管，进行压注工作。 这种灌浆法有以下优点： （a）可以根据需要的位置有计划的按要求进行压注。 （b）提升和降落注入管可以任意变更压浆的位置。 （c）可以将不同品种的药液反复的注入同一位置，这样在大孔隙的地层可以先压注水泥、膨润土等材料，后再压注水玻璃等溶液，使地基加固成均质状态。 （d）对于需要补充压浆之处，可继续进行而无困难。 （e）钻孔与注入作业可以分开进行，操作简易，节省人力。 套管灌浆是防止注入材料溢出预定段而灌注的，与双层管配合可使注入材料均匀地注入预定地点，有时可以省去套管而用灌浆来代替泥浆。套筒浆具有一定程度的强度，以防止浆液在任意地点漏泄；但又不能太坚固，否则难以压注。一般养生四天后就可进行压浆。浆液从注入管经双层管在橡皮套内挤出，冲破套筒灌浆进入地层，突泥灌浆材料见表5，突泥灌浆范围见表6。 表5 突泥灌浆材料表 注入材料 ①C、B 水泥、膨润土 ②RSG－Ⅱaβ 水玻璃系 主要药剂为3号水