大梁山隧道通风斜井涌水治理技术
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摘要：大梁山隧道通风斜井存在涌突水量大的施工难题，难以完全按照传统的施工方法进行施工。在确保安全的前提下，通过对大梁山隧道通风斜井设计和施工技术的实践论证，合理的排水系统和注浆堵水方案得以建立，有效地解决了富水段通风斜井掌子面的各种施工难题；且加快了施工进度，减少了工程投资。其能够为类似工程提供参考与借鉴。
关键词：通风斜井；施工技术；排水系统；注浆
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1、工程概况
大梁山隧道位于山西省北部阴山山脉大梁山基岩山区内，隧道所穿越的大梁山总体走向呈近东西向，属于雁北地区西洋河与南洋河的分水岭。隧址区地貌单元为构造剥蚀基岩中山区，地形起伏较大，基岩冲沟与基岩山脊发育，其地质构造较为复杂，断裂构造十分发育，以阻水性构造为主，但部分含水构造含水性较强。斜井区域内强富水区主要赋存于两个斜井之间岩体，富水性强，在该区域内将在较长的段落内出现涌水的现象[1]。
大梁山隧道通风斜井是目前国内在建斜井中涌水量大的斜井之一，属于天大高速公路全线重点控制工程之一。斜井平面长度665.35m，纵坡坡度为14.36%，井口标高为1355.3米，斜井底端设计高程为1240.3米，相对高差115米。围岩主要为片麻岩、辉绿岩等。当斜井进尺到150m，出现滴渗水（已到地下水位线），并随着进尺的加深，水量逐渐变大，最大涌水量为14500 m3/d，斜井正常涌水量达到10000m3/d左右。
2、斜井数值分析
采用大型有限元软件ANSYS中的荷载－结构模型对大梁山隧道斜井进行简要分析，隧道支护是采用梁单元来模拟，隧道结构与围岩之间接触关系采用弹簧单元模拟。
取拱顶水压30kPa，水压环向分布于隧道支护结构周边，径向垂直作用于隧道的支护结构，水压随着埋深增加而增加[3]，计算得到结果的轴力图、弯矩图可以看出，隧道在拱顶、拱肩、拱脚处的单元应力是比较大的，尤其拱顶处的应力最大，其弯矩值、轴力值分别为17622kN·m、295010kN。
3、施工方案概述
大梁山隧道通风斜井在施工过程中作为施工斜井，参与正洞施工，且运营后作为永久性的通风斜井，采用的是单线开挖方式。
（1）大梁山隧道通风斜井每掘进150m进行一次超前地质预报，预测前方围岩，确定工程及水文地质情况；遇到断层及涌水段施工时，采用超前地质钻探技术和红外线超前探水技术，对前方围岩的水文及地质情况进行系统观察、分析地下水的活动情况，制定系统可靠的安全施工技术措施。井身各类围岩均采用超短两台阶法施工，每个台阶长度不大于5m。超前支护采取小导管局部注浆加固，初期支护采用“喷、锚、网、喷+钢拱架”支护体系，根据围岩条件进行组合。
（2）在排水方面，由于实际用水量已经远远超出设计最大涌水量（根据设计文件说明，斜井含水段长度为1152m，最大涌水量为910 m3/d，正常涌水量为180 m3/d，而实际进尺到350m时涌水量达到12000 m3/d左右），原先按照设计最大涌水量进行布设的排水设施无法满足施工需要，为保证正常施工，根据出水情况，项目部成立专门的抽水工班，斜井设置大型泵站，采用“固定高扬程大流量抽水泵站、低压接力泵站与移动泵站”相结合的排水系统，将隧道内的水一级一级的排出洞外。
4、涌水治理实施方案
结合施工实际情况及数值分析计算，为合理解决涌水问题给工期造成的压力，采用“以堵为主，以排为辅，排堵相结合”的总体施工方案和治水原则，并对拱脚局部的初期支护进行加强。
4.1设计方案的变更
由于大梁山隧道通风斜井涌水量的增加，施工图设计无法满足斜井整体结构安全性的需要，尤其进入III级围岩段后，涌水量急剧变大。业主、设计院和施工方在组织隧道、水文、地质等专业人员赴现场考察后，确定了“以堵为主，以排为辅，排堵相结合”的原则，并将原施工图设计中的III级围岩段衬砌支护参数进行加强。原衬砌支护参数如下：Φ22全螺纹砂浆锚杆（系统锚杆）长度2.5m，间距1.2*1.2m；Φ8钢筋网（25*25cm，局部铺设）；初支为12cm 厚的C25混凝土；二衬为35cm 厚的C30混凝土。变更后的衬砌支护参数如下： 4.5m长的Φ42小导管超前支护，环向间距30cm（局部双层）；I20a工字钢，间距为60cm；Φ25中空注浆锚杆（系统锚杆），长度3.5m，间距60*80cm；Φ8钢筋网（20*20cm，满铺，局部双层）；初支为26cm 厚的C25喷射混凝土，二衬为50cm厚的C30混凝土；隧道底增设仰拱封闭成环；对已完成初期支护段的集中出水点采用Φ42小导管径向注浆堵水，封堵渗水通道；注水泥水玻璃浆液，配比1：(0.5～1)，注浆压力大于1MPa，必要时可在孔口处设置止浆塞。
4.2涌水抽排方案
针对斜井，采用抽排水方案为：固定高扬程大流量抽水泵站、低压接力泵站与移动泵站相结合的排水系统，将斜井内的水一级一级的排出洞外。
在泵站的设计上，建立泵站的目的是将掌子面处的水通过接力的方式排出洞外，并对井身各泵站间的裂隙水进行截留，每30m设置一个小型集水坑，将此段裂隙水截断，分段抽向泵站以防止水倒流，所以泵站水仓容量的大小至关重要。经计算泵站水仓设计为一个沿隧道开挖方向长6m、高3.5m、深4m的深坑，储水量为40 m3。开挖后对围岩进行挂网、喷混凝土，视围岩的具体情况施作加强支护，在泵站口设置高度为1m的混凝土坎，以增加存水容量，混凝土坎上预留4个排水管道，其中3个管道为150mm管道，一个管道为200mm管道。
由于掌子面距洞口约500m左右，为顺利的将水抽出洞外，共设立3个泵站，泵站与泵站之间的距离在150m左右，其中1号泵站距掌子面50m，3号泵站距洞口150m，泵站布置如图4。要及时施工洞内30cm后铺底混凝土，铺底混凝土采用人字坡形式，铺底混凝土两侧预留水沟，裂隙水可通过水沟下泄，在泵站位置处设置一盲沟，盲沟宽度30cm，将断面裂隙水引至水仓内。
图4泵站布置图
由于斜井掌子面为反坡开挖，掌子面局部涌水量大，在放炮、出渣过程中掌子面会出现大量囤积水。应快速进行抽排水使掌子面具备施工条件，为施工的下一工序节约时间。且隧道围岩以砂岩为主，开挖爆破后呈粉末状，遇水易软化，造成水中泥沙量较大，抽水泵应优先采用泥浆泵。
4.3注浆堵水方案
(1)注浆材料的选择
根据参考资料，注浆材料的选取应综合考虑不同地质条件、凝胶时间、可注性、强度、抗分散性、耐久性和可操作性等因素[5~6]。康家楼斜井综合考虑了各个方面的情况，且从无毒低污染出发，对局部注浆段采用水泥—水玻璃双液浆，补充注浆段采用超细水泥浆和超细水泥一水玻璃双液浆。水泥—水玻璃双液浆是以水泥和水玻璃作为灌浆材料的主剂，按要求的比例同时注入混合器内使其充分混合而形成双液浆。这种双液浆具有价格便宜、无毒、凝结时间短、速度快和结石强度高等特点，不仅具有水泥浆液的优点，而且还有化学浆液的一些特性，凝结时间可以从几秒钟到几十分钟，灌后结石率可达100％，可灌性比纯水泥浆明显提高。
(2)注浆方案的选择
注浆方案主要取决于地质条件、设计要求和施工的具体条件，大梁山隧道地质条件比较复杂，主要包含断层破碎带、节理、裂隙发育带及高压、富水地层。大梁山隧道斜井设计原则为“以堵为主，以排为辅，排堵相结合”，对隧道防水要求很高，因此必须依据地层、岩性、岩体结构和构造、水量和水压大小、突泥的危险程度等条件确定注浆方案。大梁山隧道斜井采取的是局部注浆和补充注浆方案，主要为对深水孔及附近围岩采取的一种堵水和加固措施。
局部注浆包括隧道开挖完成后局部流水、股水、滴漏水、渗水部位的堵水和加固，注浆加固范围根据实际情况进行动态调整。注浆采取定压注浆，注浆终压采取的是终压=水压+1~2MPa。补充注浆是在超前局部注浆或径向局部注浆完成后，经过效果检查还未达到设计要求，需增加钻孔和注浆孔数量，进一步改善注浆效果和提高围岩和初期支护结构承载能力的一种强化措施，补充注浆厚度一般为初支结构背后40~60cm，注浆压力0.5~1.5MPa。补充注浆一方面可以充填初期支护背后空隙，挤密围岩，增强堵水效果，另一方面可以提高围岩和初期支护承载能力和稳定性。局部注浆和补充注浆采取全孔一次性注浆方式进行。
(3)注浆方案实施
依据实际涌水情况，大面积散状淋水主要采取局部注浆的方法进行堵水。局部注浆施工参数为：注浆量为0.1~0.5 m3/孔，在现场施工中应根据实际情况进行动态调整。大的股状水采取深孔(孔浆管采用42mm，呈梅花形布置，孔间距2m)前进式分段局部注浆进行封堵。径向局部注浆在正洞开挖完成后，距离工作面150~200m后，每20m设一自然段进行注浆堵水，与工作面开挖施工平行推进，循序渐进。注浆作业三班轮换进行，人停机不停。掘进工作面也能连续作业，保证施工进度。掘进过程中，如果靠近工作面出现大股集中涌水，应停止掘进，对股状水立即组织注浆封堵，基本控制后再进行开挖作业。对局部较小的渗流水采取补充注浆方案。补充注浆施工根据现场出水情况采用孔口管和钻设引流孔的方式进行。为防止串浆、跑浆及注浆过程中水流通道发生变化，提高注浆效果，部分地段视具体情况采用了由疏到密跳孔注浆、先拱顶后边墙、先隧道内侧后外侧等不同的方法进行注浆堵水，局部迁移性出水段落采取针对性补充加强注浆措施。
5、结语
大梁山隧道通风斜井是一座富水隧道，地下水丰富，水文地质复杂，容易诱发突水突泥灾害，通过建立多级大型抽排水泵站和实施有效的施工排水措施，既保证了施工过程中的人身安全，又加快了施工进度，使涌水问题不再成为制约施工安全、进度的软肋和瓶颈。同时，通过实施有效的注浆堵水措施，有效地减轻了抽排水压力，大量减少了地下水的流失，为隧道施工和隧道防水创造了良好的条件。最终实现了“以堵为主，以排为辅，排堵相结合”的总体施工方案和治水原则。在大梁山隧道涌水治理过程中，通过科学合理设置排水系统和注浆堵水措施的实施，为长大隧道斜井反坡排水提供了一定的经验和范例，在保证工期和施工安全上取得了较好的效果。
作者简介:
龚卫勇男 1971.12 大专 工程师