隧道变形及其控制技术--涌水对策

隧道变形及其控制技术（4）涌水对策及围岩补强（一）涌水对策隧道施工中最大的难题是对地下水的处理。因此，在遇到涌水的场合，首先要“治水”，才能谈到其它，这是不言而喻的。地下水是造成掌子面不稳定的因素之一，围岩遇水后的强度降低，粒子间的有效应力减小，土的抗剪强度减少等都是造成掌子面不稳定的原因。这些问题在土砂围岩中尤为严重。伴随涌水造成掌子面不稳定的现象，是一个起因于水的流动问题。流出的地下水流速超过保持围岩稳定的极限流速v后，掌子面就处于一种流沙状态，完全丧失了自稳性。因此在隧道中地下水对策的概念是用Darcy法则的地下水流速v和渗透系数k及动水坡度i（＝水头h/水平距离l）的关系v＝k·i＝k·h/l表达的。（1）涌水对隧道施工的影响采用矿山法在比地下水位低的位置开挖隧道时，通常在开挖地点产生自由水面，发生涌水是不可避免的。由涌水产生的问题可列举如下。1）伴随涌水，掌子面的稳定性降低；矿山法施工是以掌子面自稳为前提的，但在裂隙发育的脆弱围岩和土砂围岩中，涌水会使掌子面稳定性降低，易于发生拱顶和掌子面的崩塌。2）伴随涌水，隧道的支护质量降低；涌水使喷混凝土与围岩的附着变差，锚杆的锚固材料易于流失，造成支护质量降低。3）基底泥泞化施工中，隧道的底部的含水比高，施工机械的走行扰乱基底使之泥泞化，造成作业效率和安全性降低。泥泞化显著的场合也会造成支护下沉等，对隧道的稳定性的影响是不能忽视的。4）因地下水位降低使地层下沉地下水位下沉会使地层产生压密下沉，也会对地表面结构物产生有害的影响。地下水位降低因比地表面下沉的范围广，不仅在隧道周边，甚至离开数百米的位置，在粘性土的场合，也会产生压密下沉。5）地下水位降低造成井户枯竭。（2）涌水对策的种类和适用性涌水对策，大体上积极进行排水的地下水位降低方法（排水工法）和降低地层渗透系数减少涌水的方法（止水工法）两大类。选定涌水对策时，除维持掌子面自稳性外，与对地表面的影响也有关系。1一般说，山岭隧道中通常采用的地下水对策见表5.1。表5.1隧道涌水对策和主要使用条件分类工法主要适用条件排水坑道大量、高压、未固结围岩排水钻孔适用所有条件重力排水工法井点小埋深、未固结围岩管井水位降低5m以下排水工法强制排水工法真空井点小埋深、未固结围岩复水工法补给复水工法药液注浆工法地层固结工法冻结工法止水壁止水工法压气工法不容许地下水位降低的场合选定涌水对策时可按图5.1的流程进行研究。2图5.1隧道涌水方法的研究流程选择那一类方法除考虑埋深、涌水压、水源等条件外，还要考虑环境影响等条件。一般说，因为降低地下水位对围岩稳定性的效果比较高，因此在涌水对策中，都优先选择排水工法。同时也能够缩减开挖成本和提高施工的安全性。在选择上述对策时，首先要进行详细的涌水调查，掌握地下水的动态和水量的大小及动向。要考虑围岩条件、涌水量、埋深、周边环境条件等综合因素决定。1）围岩条件·地质构成、构造（含水层的赋存状况等）；·涌水量·涌水区间的长度；·埋深等2）周边环境条件·有无近接结构物等；·周边水利用情况；·洞外排水径路的能力等。（3）排水工法排水方法有利用重力的自然排出的排水钻孔、排水坑道以及利用井点的强制排水方法。其选择可参考图5.2的流程进行。3图5.2地下水位降低工法的研究流程地下水位降低对策有利用排水钻孔和排水坑道的自然排水和利用井点和深井点等强制排水两大类。图5.3表示强制排水对策的设计步骤。4图5.3强制排水对策的设计步骤在排水工法中井点和管井是用真空泵作用在排水管前端的负压，强制排出地层中的地下水的方法。因能够缩短降低地下水位的时间，与其它工法比较，在渗透系数小的细砂～粉细砂是适应的。排水工法的选择最重要一点是：是否适合该地质条件和地下水状态。地下水位降低工法是利用水位差使地下水流动的方法，因此，掌握地下水的赋存形态（裂隙水、地层水）和围岩的渗透性是很重要的。地层水与构成地层的土粒子的粒度、组成，渗透性有密切关系。图5.4是重力排水对策能够适应的土的粒度范围。5图5.4排水工法的适用范围采用排水工法时，除考虑埋深、涌水压、水源等，还要考虑地上的状况、周边环境等外部条件。对围岩稳定性来说，降低地下水位的效果是最高的，排水工法比止水工法在缩减开挖成本上、提高施工安全上是比较有利的。隧道埋深小而且涌水量少的场合，与隧道开挖能够并行作业的、经济的井点和管井法也是有利的。隧道埋深大而且涌水量也大的场合，从洞内采用排水钻孔、排水坑道及轻型井点等也是可靠性比较高的。排水时要充分注意细粒成分的流失。未固结的砂质围岩，均质系数在5以下细粒成分在10％以下的场合，由于涌水掌子面易于变得不稳定。从上半断面进行排水时，也要注意因地质条件会出现掌子面松弛的现象。过度的排水，会使围岩的含水量极端降低也有造成掌子面崩塌的可能。要仔细观察掌子面状态管理好地下水位和排水量。5.5.1排水坑道（1）概述排水坑道是以主洞开挖前先行排出地下水为目的，在主洞外施工的。本法适用以下条件。1）断层背后保持大量而且高压的地下水，预计形成突发涌水的场合或者主洞施工因围岩流失而施工困难的场合（迂回坑道）。2）在洪积砂层等文化局围岩中，全线需要降低地下水位的场合。前者的场合，通常与排水钻孔并用（从侧壁向掌子面前方施工），边施工边前进。也有利用其最前端作为排水钻孔基地的场合。后者的场合是在隧道断面外用排水盾构先行施工主洞，或在主洞断面内设下导坑的情况。应该说，在主流的辅助工法中，这是处理有高水压作用的隧道的基本方法。在设计和施工中，采用排水坑道时应注意以下问题。1）在排水没有障碍的范围，比主洞断面稍低的位置设置排水坑道；62）要设置在对主洞施工没有以下的距离外（根据围岩条件约为2～3D左右）；3）采用施工上可能的最小断面，要考虑排水钻孔等，研究合适的断面；4）必要时采用辅助工法施工。下面举例说明排水坑道的应用。1）高压涌水时的应用例隧道：飞弹隧道隧道长度：10.7km（TBM和矿山法）地质条件：强破碎流纹岩及粘土化带排水工法：排水坑道、排水钻孔图5.5是避难坑道及排水坑道的平面图。图5.5排水坑道的断面及平面图TBM施工中在粘土带中发生崩塌约束了机械，但对2t/min的涌水实施注浆，没有改善围岩状况，因此在其左右施工排水坑道，降低地下水位。在线路右侧，用小型TBM向主洞方向掘进2m2的排水坑道，在左侧用矿山法开挖一个8m2。的排水坑道。利用排水坑道中的排水钻孔进行排水。2）先行排水盾构隧道：借宿隧道；隧道长度：2005m：地质条件：未固结堆积物：排水工法：用盾构施工的排水坑道图5.6是主洞及排水坑道的断面图。7图5.6主洞及排水坑道的断面图5.5.2排水钻孔（1）概要在隧道掌子面前方钻50～200mm的先行钻孔，降低掌子面到达前的地下水位（重力排水）。从硬岩到土砂都可采用，适用范围极广。（2）排水钻孔工法的设计及应用排水钻孔因长度（长、短）不同，施工方法（施工位置、施工机械）也不同，其应用根据排水钻孔的目的而定。排水钻孔工法是降低地下水位采用最多的方法。可从洞内或洞外进行。在掌子面钻孔有以下3种模式。·探孔每隔1~2天，进行一次，根据地质调查预测含水层的存在。·短钻孔不妨碍隧道开挖，利用1周一次的作业间歇时间，钻设20~50m的钻孔（超过1周的进尺长度）·长钻孔周期地利用掌子面停工期间进行长钻孔的施工或者扩宽靠近掌子面的钻机机座，或者从支洞与掌子面并行进行钻孔施工。要求施工长度在200m以上。进行排水钻孔设计最重要一点是：预测和施工才的性状或者假定含水层的性状，并考虑合理的排水量及其影响范围来决定施工长度。图5.7是一个水工隧洞决定涌水对策的流程。8图5.7以涌水对策为中心的施工管理流程表5.2列出排水钻孔的目的和规格例。表5.2排水钻孔的目的和规格长度（m）直径（mm）主要目的施工方法概要300～500φ216～86·兼地质调查的长排水钻孔·早期对应的突发涌水·设置钻孔基地·采取岩样50～100φ101·正常的涌水处理·地质调查·从侧壁向斜前方实施50m以下·比较良好围岩的探孔·在掌子面施工9φ65·含水断层等·液压泵排水钻孔最重要一点是尽可能地不让围岩的细颗粒随涌水流出。特别是在未固结围岩中这是发生围岩松弛的主要原因，因此要采取在内管设置滤网，外管周围加以密封等对策。排水钻孔的钻孔视钻孔长度可采用钻机或液压凿岩机进行，但一般长度在30m以内可采用液压凿岩机，超过30m要采用钻机。采用钻机的场合，要兼做地质调查，但长钻孔为减轻与围岩的摩擦力可采用钻孔直径分段的方法（表5.3）。表5.3钻孔直径分段例钻孔深度（m）钻孔直径（mm）摘要0～15236－15～150172外管钻头150～350136外管钻头350～500112外管钻头图5.8是高压涌水地带排水钻孔施工例图5.8高压涌水地带排水钻孔施工例饭山隧道富仓工区属于富水地段，因此采用长短钻孔配合的方法进行探水。10长钻孔长约100～200m，短钻孔约15～20m。长钻孔的布置一般如图5.9所示，钻设在隧道的两侧。短钻孔钻设在掌子面中，如图5.10所示。图5.9长钻孔示例图5.10短钻孔示例5.5.3井点（1）概要从地表开挖井户，用水中泵排出地下水的方法，能够在隧道施工前施工。有易于管理等优点。真空井点，是把真空泵的负压作用在过滤部分，对地下水强制排水，是用水中泵排水的方法，是在隧道施工前能够施工的而且比较易于管理的工法。井点必须相互连协设置，因此在地表有建筑物的场合，要特别考虑好其配置。采用本工法时，要综合研究围岩的粒度分布、渗透系数、扬程、排水量等，但判断需要高扬水能力的场合，可采用在过滤部分用真空泵形成负压的方法。与通常的井点工法比，排水能力高。降低地下水位比较大，对周边的地下水环境影响也大，因此，井点的外侧有时要设置能够供给地下水的补给井点。（2）井点的设计和应用例井点法在排水对策中与其它方法比，施工机械是轻量的，也易于实施。口径约50~80mm滤管与集水管设置到地下水面以下，用真空泵吸引土粒子孔隙的水，此工法适用于渗透性比较大的砂层到粉细沙等渗透系数小（10-4cm/s）的土质。11井点的最大扬水量，视地质条件约在1根70l/min左右，但平均起来1根约在30~40l/min。排水量受到一定限制。为了获得降低水位需要的扬水量，设置间隔应在1~3m以内，根据排水地域的形状、要求的水位降低值，可设单排或多排配置。1台泵可接续10~30个井点。采用井点法时要考虑以下得失，与其它工法进行比较或者并用。【优点】·需要降低水位的场合，能够靠近掌子面设置；·施工比较简便，不妨碍开挖作业，同时扬水量不足时易于增设；·因用真空泵吸引，比重力排水的排水3大能够用于透水性小的地质；·如与导坑压气工法并用效果更好。【缺点】·井点直径小，1根的扬水量小；·1段井点获得的水位降低在6m以下；·串联井点中只要有1个井点吸入空气，真空度就下降、效率降低，因此要进行管的管理；·含水层与不透水层分离，构成复层时，一般每个含水层都要设置；根据地质情况，在洞内采用井点法时，期待其独立地发挥降低水位的效果，但与从地表施工的井点并用，效果更好。图5.11是与深井点法并用的排水方法。图5.12是从超前的作业坑道设置井点降低水位的工法。图5.11与管井法并用12图5.12从超前坑道排水未固结围岩采用的事例示于图5.13。图5.13井点施工例在环境对策上，要把排水处理的清水和污浊水分离。对周边环境影响大的场合，也可在井点范围外设置恢复地下水的补水井点。图5.14是埋深小的井点施工例。图5.14埋深小的土砂围岩中井点施工例5.5.4管井（1）概要管井是把直径约在2～2.5in.，长0.7~1.0m称为就是装置的井点，安装在主管（长5～7m，直径1.5in.左右）的前端，用水流冲击地层，真空吸引对指定区13域进行降低地下水位的工法。在隧道中，沿纵向开挖宽度的两侧，根据地质情况，每隔1.0～4.0m设置管井进行排水（图5.15和5.16）。图5.15管井的概况图图5.16管井的概念图一般可超前上半断面，但埋深小，地表面没有被利用的场合，也可以从地面