不良水文地质条件下的斜井施工技术

王金英，廖成林

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 概述

在土洞斜井施工过程中，对地下水的处理尤为重要。由于地下水主要集中于掌子面下部，如果处理的不好，地下水的大量涌出将造成开挖工作无法进行，甚至于造成土洞斜井开挖失败。在山西万家寨引黄北干支北03-1土洞斜井开挖施工中，地下水极为丰富，水量达到450 m3/h，如此大的水量给斜井开挖工作带来了极大困难。对于这样大的水量，从现有文献资料看，目前尚没有成熟、完整的施工经验可供借鉴，因此，进行特大涌水条件下土洞斜井开挖施工工艺研究是非常必要的。

2 工程基本情况

万家寨引黄北干支北03-1支洞位于山西省朔州市平鲁区下水头乡境内，为土洞斜井施工支洞。支洞全长410.82 m，倾角18.52°，开挖断面呈城门洞形，宽、高均为5.4 m。该洞0+000～0+85.95洞段为进口段，围岩为Q3al+pl黄土状亚砂土，土体结构疏松，稳定性差;0+85.95～0+354.66段围岩为N2含砾石红粘土，土体致密，胶结程度差，有一定的自稳能力，但与Q2土体接触部位含水量增高，造成岩体稳定性变差，地下水位高程为1315 m，故需注意施工涌水问题;0+354.66～0+410.82洞段围岩为强风化砂岩，具有一定的稳定性。

由于该支洞为土洞斜井支洞，为了保证已开挖支护洞段的安全稳定，二次钢筋混凝土衬砌紧跟开挖作业面，并保持二次钢筋混凝土衬砌距开挖掌子面不大于30 m。于是，未衬砌前有地下水大量渗出洞段的部位在衬砌后，地下水被迫在已衬砌的最后一个仓段末端大量渗出，主要汇聚于开挖掌子面底部。

在该支洞2006年3月14日开挖至0+250.02桩号时，底拱开始向洞内渗水，渗水量为12 m3/h;随着向前开挖，边墙开始向洞内渗水;3月29日开挖至0+258.5桩号时，总渗水量增加至60 m3/h;4月6日开挖至桩号0+260.5时，汇集的地下水总渗水量达110 m3/h;5月11日开挖至桩号0+269.52时，汇集的地下水增加到280 m3/h;5月26日开挖至桩号0+274.66时，地下水增加到323 m3/h;6月6日开挖至桩号0+282.5时，地下水增加到450 m3/h。大量的地下水主要以抽排为主。自5月30日开始，采用三条主管线四台水泵排水，其中三台水泵额定排水量为150 m3/h，一台为120 m3/h。

3 分部分块开挖施工工艺的提出

支北03-1支洞为土洞斜井支洞，倾角为18.52°。笔者所研究的对象为该洞的0+250.02～0+354.66洞段，该洞段地下水极为丰富，主要汇集于底部掌子面。尽管可以采取加强排水措施，但仍无法改变掌子面底部处于淹没状态的施工作业环境。由于该洞段围岩为N2含砾石红粘土，在无水条件下土体质密坚硬，胶结程度较好，虽有一定的自稳能力，但掌子面底部浸泡于水中非常不利于围岩稳定，易于造成边墙失稳破坏，给开挖工作带来很大难度。因此，如何解决掌子面出现的地下水，使开挖工作在无水的状态下进行就成为在地下水极其丰富的条件下进行土洞斜井开挖的关键技术问题。

在施工进程中，通过带领工程技术人员深入实地、现场勘查，并与现场施工人员一起反复研究后，提出了分部分块开挖施工工艺。该施工工艺的主要指导思想是:先进行上半圆导洞开挖，下部中槽先行，最后开挖两侧。这一施工工艺的实施，有效地解决了这一技术难题。

4 分部分块开挖施工工艺的基本原理

分部分块开挖施工工艺是针对存在地下水的土洞斜井设计的。所谓“分部分块”是指上下分为两部开挖，下部又分为几块开挖，具体分部分块情况如图1所示。

图1 开挖分部分块示意图

该施工工艺的基本原理如图2所示。图2中AD 为I 部上半圆开挖掌子面、BE 为Ⅱ1部中槽开挖掌子面、CF 为Ⅱ2部两侧边墙开挖面。先进行上半圆开挖，如图2(a)所示，随着上半圆开挖，其底部高程(A 点)越来越低，当其低于滞后的Ⅱ1部中槽开挖掌子面底部高程(E 点)时，地下水开始逐渐从上部半圆掌子面底部(A 点)渗出，如图2(b)所示。这时，停止上部半圆的开挖，开始进行下部中槽开挖，随着开挖的进行，中槽掌子面底部(E 点)越来越低，逐渐低于上部掌子面底部(A点)，上部掌子面底部(A 点)的少量地下水开始渗入中槽底部(E 点)，如图2(c)所示。当下部中槽开挖至距上部半圆掌子面2 m 左右时，停止下部中槽的开挖。这时，上部掌子面底部(A 点)和两侧墙开挖面底部(F 点)均处于无水状态，可以同时进行上半圆掌子面和下部两侧墙的开挖。上部半圆开挖至掌子面底部出水为止，下部两侧墙开挖至距中槽掌子面底部积水1.5 m 左右时暂停开挖，如图2(d)所示。这时开始继续下部中槽的开挖并重复上述步骤，直到土洞斜井段开挖完毕，进入岩石开挖为止。在以上开挖过程中，地下水始终集中于Ⅱ1部中槽开挖掌子面底部(E 点);Ⅰ部上半圆开挖、Ⅱ2部两侧边墙开挖作业始终在无水的条件下进行。

5 施工工艺的应用

5.1 分部分块情况

图2 分部分块开挖施工工艺基本原理示意图

对于土洞斜井开挖，其分部分块情况如图1所示。一般分为上、下两部，上部先行开挖，并进行加强支护，单循环进尺0.5～1 m;下部分为三块:中间一块作为中槽先行，整个开挖过程中地下水主要集中于中槽掌子面底部;两侧各留一块作为对边墙土体的保护层，两侧墙边开挖、边进行全封闭加强支护。

5.2 上部台阶超前距离的确定

上部台阶超前距离与土洞斜井的倾角α及下部台阶的高度h 有关，如图3所示，在图3中，上部台阶超前下部中槽掌子面的最大距离ABmax，即滞后中槽掌子面顶部B 点距上部掌子面底部出水点A 的距离，初步设计时可通过以下经验公式估算:ABmax=(h/tgα)+2，单位:m。在下部台阶一定的情况下，倾角α越小，上部超前下部的ABmax值越大。

图3 分部分块超前计算简图

5.3 中槽掌子面与上部掌子面最小开挖距离的确定

中槽掌子面与上部掌子面的最小开挖距离ABmin需根据上部工作面需要确定，如图2(c)所示。主要考虑施工人员操作方便、小型施工机具使用停放、材料的堆放等，一般取ABmin=1.5～2.5 m。

5.4 两侧墙开挖面与中槽掌子面之间最小滞后距离的确定

两侧墙开挖面与中槽掌子面之间最小滞后距离BCmin主要由前部中槽掌子面排水过程中正常积水水面宽度a 确定。初步设计时(图3)，可按BCmin=a+2确定，单位:m。

6 实施效果

该施工工艺在山西万家寨引黄北干支北03-1、支北04斜井支洞施工中得到了实际应用，有效地解决了施工过程中地下水对开挖施工作业面的影响。上述两个施工支洞已开挖完毕，并进行了永久衬砌和堵水灌浆。

7 结语

实践证明:在大涌水条件下的土洞斜井开挖施工中，分部分块开挖施工工艺能有效地解决地下水对开挖施工作业面的影响。但这一施工工艺必须与加强排水、合理的施工支护相结合，才能达到应有的效果。在开挖过程中，要注意二次钢筋混凝土衬砌的及时跟进，并需对已衬砌洞段及时进行堵水灌浆，以减少地下水的渗出量。

［1］熊启钧.隧洞［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［2］康世荣，陈东山.水利水电施工组织设计手册(2)施工技术［M］.北京:水利电力出版社，1990.