潜水和回旋钻成孔(浅析管井降水在不良地质浅埋隧洞施工中的应用)

Posted 2023-06-01

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潜水和回旋钻成孔(浅析管井降水在不良地质浅埋隧洞施工中的应用)

【摘要】：阐述了某不良地质浅埋隧洞工程施工过程中，通过对管井降水进行计算分析并采取必要的施工控制措施，既保证了隧洞施工顺利进行，又加快了施工进度，确保了工程质量安全，其经验可供同类工程借鉴。
【关键词】管井降水；不良地质；浅埋隧洞；施工；应用

1 概述

引绰济辽输水隧洞工程隧洞六标位于内蒙古自治区兴安盟突泉县境内，主体包含蛟流河倒虹吸和6#输水主洞第一段。其中蛟流河倒虹吸长1.115km，为有压圆型隧洞；6#输水主洞第一段为无压隧洞，长14.687km，开挖断面为圆拱直墙型；工程共布置5条施工支洞，开挖断面均为圆拱直墙型。其中5号施工支洞全长177.23m，开挖断面为7.2m×7.3m，最大纵坡13.13%，最大埋深23.5m，Ⅴ类围岩。

1.1 地质条件

5号施工支洞地貌属冲积平原，地面高程约310.6m，隧洞底高程287.1m，地形平坦。根据超前地质预报，工程地处富水区，上部覆盖层为砾质砂壤土及砂砾石，厚度约4.8m～5.5m；基岩为凝灰质砂岩、凝灰岩，全风化层岩芯多呈散体泥化物夹风化碎石，泥化物多呈软塑～可塑状，局部位置泥质与碎石胶结呈柱状,用手可轻易掰碎,风化碎石多呈棱角状,裂隙面呈黄褐色，全风化层分布厚度大于10m；开挖揭露地下水位埋深约1.8m，为松散层中孔隙潜水，与基岩裂隙水联系密切，地下水主要来源为岩土层间孔隙裂隙水、地表水入渗等。根据设计钻孔常水头注水试验成果，岩层渗透系数平均为7.18×10-3cm/s，覆盖层砂砾石层垂直渗透系数为5.72×10-2cm/s，属强透水层，极易发生突水、突泥及坍塌现象。

1.2 施工重难点分析

（1）施工难度大：根据现场实际情况，明挖段开挖1.8m左右地下水出露，且地下水丰富，补给稳定，在不采取降水措施下，完全处于水下开挖，围岩以全风化凝灰岩为主，遇水软化，施工难度大。

（2）安全风险高：进洞段开挖基坑深度超过5m，属深基坑开挖，由于地下水丰富，施工中易产生流土、管涌等渗透现象，造成基坑失稳，形成安全隐患。

2 管井降水方案的选择

各种管井降水使用条件见表1[1]。

表1 井点降水适用条件表

注：表1来源于《土木工程施工》（中国建筑工业出版社）2003年2月。

根据实际开挖揭露，结合超前地质预报资料，通过对已有类似工程各种堵水、降水、排水等方法进行技术经济比较后，最终选择沿洞轴线两侧施钻超前管井井点降水辅助洞挖支护施工。

管井（深井）井点，又称大口径井点，由滤水井管、抽水设备以及排水管道组成，具有井距大、降水深（＞15m）、降水设备和操作工艺简单等特点。适用于地下水丰富、降水深、面积大、时间长的降水工程应用[2]。

根据现场实际情况，采用无压非完整井的环状深井井点降水。

3 管井参数设计

3.1 井点管高程设计

计算公式：H≥H1+h+iL+l

式中：H1—井点管埋设地表至基坑底面的距离（m），取隧洞最大埋深23.5m；

h—边坡底面至降低后的地下水位线的距离（m），本次取1.5m；

i—降水曲线坡度，与渗透系数、地下水流量等有关，根据测定环状井点取0.1；

L—井点管至坑底中心距离，取7m；

l—滤管长度，取1.5m；

H≥H1+h+i×L+l=23.5+1.5+0.1×7+1.5=27.2m

井点管长度=H+0.3=27.5m，其中井点管高出地面0.3m。

3.2 总涌水量计算

计算公式：

式中：Q—井点系统单井涌水量（m³/d）；

K—垂直渗透系数（m/d），取7.18×10-3cm/s=6.2m/d；

H0—降水影响深度（m），降水深度+滤管长度=23.5-1.8+1.5=24.2m；

S—水位降低值（m），地下线降低高度，取23.5+3-1.8=24.7m；

R—抽水影响半径（m）；

根据常用计算公式：

，计算得出R=590m；

根据公式：

式中：X0—环状井点系统假象半径；

F—环状井点系统包围面积，明挖段+洞挖段=1232.3+163.23×14=3517.5㎡；

通过公式计算得出，X0=33.5m；

故Q=1.366×K×(2H0-S)×S÷(lgR-lgX0)=1.366×6.2×（2×24.2-24.7）×24.7÷（lg590-lg33.5）=3979.6m³/d

3.3 单井出水能力分析

计算公式：

式中 q—单井涌水量（m³/d）；

d—管井直径（m），取0.4m；

l—滤管长度（m），长1.5m；

K—土的垂直渗透系数；

常用计算公式：q=65×3.14×0.4×1.5×6.21/3=225m³/d

3.4 井点数量和井距确定

故沿5号支洞工程两侧布置20口深井进行井点降水可满足降水要求，井点间距D=2×230.75÷20=23m，考虑主支洞交叉段结构稳定，管井间距取20m。

3.5 管井水泵配置

根据单井涌水量，考虑降水深度、水位线与地表高差及功率损耗等影响，每口井配置一台175QJ50-50/11深井泵，流量为50m³/h，扬程50m，功率11kW。其优点是安装简便、耗能少、效率高、成本低[3]。

4 管井施工

4.1 布置方案

管井采用内径400mm，壁厚50mm的混凝土无砂管，沿隧洞轴线两侧各7m间距20m布置，水量大的洞段可适当加密，单口管井最大深度约27.5m。为节约降水施工成本，管井深度随隧洞埋深逐渐增加，超前隧洞掘进布置，管井井点布置示意图详见图1，井点立面布置图详见图2。

图1：超前管井井点布置示意图

图2：管井井点立面布置示意图

4.2 施工工艺

井点测量定位→井口开挖→安装护筒→钻机就位→钻孔洗孔→回填井底垫层→吊放井管→回填过滤料→洗井→安装抽水设备并连接控制电路→试抽水→降水井正常工作→降水完毕水泵拆除并拔井管→封井。

4.3 操作要点及技术要求

（1）定位：根据设计的井位并结合现场实际情况，准确定出各井位置，并做好标记。

（2）采用泥浆护壁回旋钻机钻进成井，管井内径400mm，孔口设置护筒，以防孔口塌方，并在一侧设排泥沟、泥浆坑。

（3）成孔后立即清孔，并安装井管。井管下入后，井管的滤管部分应放置在含水层的适当范围内，并在井管与孔壁间填充砾石滤料。

（4）井管安装完成后，清洗管井，清除井内杂质，然后安装深井泵。

（5）水泵安装后，对水泵本身和控制系统做一次全面细致的检查，合格后进行试抽水，直到井管内排出的水由浑变清，达到正常出水量为止[4]。

（6）随时观测井中地下水位变化，作好详细记录。

4.4 施工方法

4.4.1 测量放线

根据管井设计参数采用全站仪进行放线，清理障碍,用白灰标记井点位置,遇到障碍物时可临时调整管井位置，以满足钻孔需要。

4.4.2 井口开挖及护筒安装

采用人工开挖井口，深度控制在0.3～0.8m，确认无地下管线后下入护筒，护筒外侧填粘土封隔，以防止钻井施工用水大量流失致使塌孔，必要时可采用钢管护壁。如遇地下管线，需适当调整井位，重挖开挖井口。

4.4.3 钻孔、洗孔及回填井底垫层

采用泥浆护壁回旋钻机钻进成井，钻孔直径0.6m，管井直径0.4m，井孔保持垂直，井深施钻至隧洞底板以下3.5m。井管下入前注入清水置换冲洗，高压污水泵抽出沉渣后测定井深。

井孔施钻完成后，倒入小石与砂的混合料作为井底垫层，厚0.5m。

4.4.4 吊放井管

采用钻孔设备将无砂混凝土管井缓缓下入井孔中间，当管口与井口相差0.3m时，接上节井管，接头处用尼龙网裹严，以免挤入泥砂淤塞井管，竖向用3条30mm宽、长1m的竹条固定井，防止上下节错位。为防止雨水泥砂或异物流入井中，井管高出地面0.3m，并加盖临时保护。

4.4.5 回填过滤料

井管下入后立即填入2～40mm干净砾石作为过滤料，滤料沿井孔四周均匀、连续填入，将泥浆挤出井孔。填滤料时，随填随测填入高度，当填入量与理论计算量偏差较大时，及时查找原因，以防滤料不均匀或冲击井壁。洗井后，如滤料下沉量过大，应补填至井口下1m处，上部采用不含砂石的粘土封填，防止漏气。

4.4.6 洗井

根据有关规范要求，设备下井前先采用潜污泵对井壁泥皮冲洗，洗井至砂净水清，符合排水水质要求即可，达到清除井壁泥皮、疏通滤水管，恢复其原来孔隙率的目的。洗井在成井6小时内进行，以免时间过长，护壁泥皮逐渐老化, 难以破坏，影响渗水效果。

4.4.7 安装抽水设备并连接控制电路

管井施作完成后，放入175QJ50-50/11深井泵，采用φ60PE管连接，管井内积水经抽排后，采用系统集水箱收集，经检测水质满足排放标准后，接排水管路排至附近沟渠。

5 效果检测

实施过程中，随掌子面开挖支护进尺提前25m施钻管井，经过降水处理后隧洞掌子面虽然有少量的股状水流渗出，但未发生涌水、突水、坍塌等不良地质现象，确保工程保质保量完成。为检测降水效果，采用相对高程控制法对涌水进行计量量测，降水前后涌水段地质情况对比表详见表2。

表2 管井井点降水效果对比

6 结语

内蒙古引绰济辽输水工程六标5号施工支洞洞挖施工实践证明，通过对不良地质浅埋隧洞管井降水进行计算分析，采用超前管井降水法施工，有效的控制地下水位，改善洞内作业条件，提高施工效率，确保隧洞施工安全和施工进度，对沿线及周边生态环境未造成恶劣影响，对同类地质水文条件下的隧洞工程施工有着一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]《土木工程施工》（中国建筑工业出版社）2003年2月.

[2] 田胜利.建筑与工程.2010年第13期.超前管井井点降水在沙坡头引水隧道中的施工及应用；710048.

[3] 徐岩.井点降水法在输水管线施工中的应用[A]；水利建设与管理.1005-4774（2015）02-0035-04.

[4] 蒲红斌.邓文杰.李洪澄.浅析井点降水在市政工程综合管廊施工中的应用[B]；四川水利发电，第35卷增刊2.

[5] 姚天强.石振华.基坑降水手册.中国建筑工业出版社.

作者简介：

郭文兵（1985-），男，甘肃文县人，中国水电五局三分局引绰济辽项目，生产经理，工程师，现从事水利水电施工现场管理工作；联系方式：手机号码：13881940123；QQ：273536738.

熊亮（1989-），男，四川成都人，中国水电五局三分局引绰济辽项目，工程部主任，助理工程师，从事水利水电施工技术管理工作；联系方式：手机号码：17608044446；QQ：1170440194.

罗飞轮（1983-），男，四川成都人，中国水电五局三分局引绰济辽项目，项目经理，工程师，从事水利水电施工项目管理工作，联系方式：手机号码：15102806655；QQ：25479239.

来源：期刊网