真空深井复合降水技术在穿黄工程退水洞的应用

肖国胜

（南水北调工程建设管理河南分局，河南 郑州 450046）

在隧洞工程施工降水中，根据地质条件情况，有许多不同的降水方式：井点降水、电渗降水、水平降水、真空深井复合降水等。在南水北调中线一期穿黄工程退水洞（以下简称穿黄退水洞）前期准备过程中，把井点降水作为主要降水，但多次试验结果都表明，降深无法达到预期水位。施工后结合实际情况，考虑到穿黄退水洞重要性，且施工降排水的独特性（国内以前没遇到过的），故将施工降水方案优化为真空深井复合降水。

1 工程概述

穿黄工程退水建筑物由进口段、退水洞、出口消力池与泄水槽等建筑物组成，轴线长度1 019.21 m。其中洞身段长790 m，进口底板高程110.5 m，出口底板高程94.0 m，纵坡为2.09%。隧洞衬砌后断面为带仰拱的城门洞型，断面尺寸4.20 m×5.80 m（宽×高）。

2 地质情况

2.1 地形地貌

退水洞穿越黄河南岸邙山岭，邙山岭为一呈脊状分布的黄土丘陵，高程一般在140～181 m，退水洞附近坡顶高程为161～183 m。邙山南坡度较缓，退水洞出口侧由于黄河的侧向侵蚀作用，坡度较陡，约40°，坡高76～78 m，现已进行开挖削坡处理。

2.2 工程地质

根据招标文件提供的地质资料，结合对退水洞补充地质勘察情况，隧洞围土（顶拱）地质情况如下：

①桩号0＋068.84～0+416.2（以退水洞与邙山隧洞轴线交点为0点）段隧洞围土为alQ3黄土状粉质壤土，土质均一，呈可塑状，局部呈软塑状，土体强度低洞室稳定性差；

②桩号0＋416.2～0+525.29段古土壤层，古土壤呈硬塑状，强度相对较高；

③0+525.29～0+858.84段为al+plQ2粉质壤土，粉质壤土呈可塑～软塑状，洞室稳定性较差。

古土壤和粉质壤土层中多富积钙质结核层，层厚20～80 cm，对隧洞开挖有较大影响。

2.3 水文地质

招标文件提供的地下水位为135.94～101.95 m，高出隧洞底板8～17 m，实际地下水位140～113 m，高出隧洞底板19～29.5 m。上更新统冲积层黄土状粉质壤土(alQ3)渗透系数为 1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。在退水建筑物出口为al+plQ2古土壤层和粉质壤土层，其渗透系数分别为 1.0×10-7～1.0×10-6cm/s和 1.0×10-6～1.0×10-5cm/s，具弱透水性。

地下水对隧洞围土稳定性影响较大，另外由于渗透系数低，造成降水困难。

3 施工降水

退水洞施工区别于一般黄土隧洞的主要特点就是地下水位高于洞顶，由此导致土体力学性质发生变化，围土稳定性差，隧洞施工变得异常困难。因此，设法把隧洞周围的地下水位降低到洞底板以下，使土体疏干比较充分，并通过合理的方法将洞内积存的水流输送到洞外，是该工程要着重解决的问题。

3.1 降水的难点

由于洞身低于原始地下水位近30 m，地下水位高，围土具饱和性，强度低、自稳能力差，围土渗透系数为1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，为弱透水性。所以该工程施工降排水具有国内以前从没有遇见过的独特性、难度较大项目。

3.2 方案选择

国内黄土隧洞一般分布在黄土高原地区，大多为无水施工，地下水位高于洞底板的比较少。从掌握的有关资料来看，陕西汉村隧洞、少陵园隧洞、洛惠渠灌区5号隧洞及陇海铁路甘肃新松树湾隧道施工中也都面临地下水问题，处理方式各异，具体情况见表1。

表1 工程实例情况表

汉村隧洞土质与退水洞类似，但顶部覆土厚度小，降深小；洛惠渠各个方面与退水洞类似，手掘式盾构也是以后发展的一个方向，只是其洞径只有退水洞的50%左右，施工进度也不尽人意，难以满足工期要求；相比之下，新松树湾工况与退水洞类似，施工速度也比较理想，最具参考价值。

经过综合比选，拟采用真空深井复合降水技术，深井沿隧洞两侧布置两排，距隧洞中心线一般为7 m，井深一般低于隧洞底板30 m。退水洞深井布置情况见表2。

表2 退水洞施工降水深井布置情况表

3.3 真空深井复合降水

3.3.1 排水管

1）总管直径计算。

式中：V——允许流速，m/s，取2；β——沉淀系数，取1.2；Q——总管抽水量，m3/h。

参考深井抽水试验流量估算每根排水管排水量约为1 m3/h，则一排排水管流量为8 m3/h。计划两排排水管同时运行，总流量为16 m3/h，最终取总管流量Q＝20 m3/h。

通过计算取总管φ＝0.075 m，即φ75 mm。

2）总管拟采用钢管。总管长度26 m，每节长3～4 m，节之间采用法兰盘连接。总管的一端直接采用φ51 mm的耐压胶管连接第二排干管；在距离另一端1 m处焊接一个短管（φ51 mm的钢管，长0.3 m）用来连接第一排干管，这一端因为要与真空罐相连，所以法兰盘螺孔应做成长圆形，以利连接。

3）干管直径计算。根据前期深井单井抽水试验所得流量q为1 m3/h，根据设计一排共布置8根降水井。因此一排降水井流量为8 m3/h，所以干管流量取Q＝10 m3/h。

通过计算取干管φ＝0.051 m，即φ51 mm。

4）干管采用φ51 mm的高压胶管，总长21 m（单排）。为了连接井管，事先要在干管上安装8个三通作为短管，其中一个连接总管，三通采用φ51 mm的耐压胶管。

5）连接胶管。均拟采用φ51 mm(内径)的胶管，拟每节长0.7 m（根据现场情况定）,胶管应用埋钢丝的高压胶管,以法兰盘相连。连接时均要保证接头处封口严密，不许有漏气现象。否则会大大降低真空度，必将严重影响井点管吸水效果。

3.3.2 真空罐

用以收集总管输入的夹气地下水，其顶端与真空泵连接,将气体排出，下端与水泵连接用于排水，真空罐体积直径0.6 m，高度1.0 m，用2 mm钢板焊接而成。

3.3.3 水泵选型

选用清水离心泵，型号IS65-50-125，流量22.4 m3/h，扬程16 m，功率2.2 kW。水泵与电动机要求用联轴器连接。真空泵采用SZ-1型水环式真空泵，配4 kW三相异步电动机。真空泵功率为4 kW，最大排气量为1.5 m3/min，最大工作压力为0.1 MPa。在运转前应该注一定量清水，以便产生水封。

3.3.4 排水设备运转程序

安装完毕后，经检查无误即可开机抽水。开机顺序是先打开排气阀,接着开真空泵，待真空罐水位计中水位上升到中间时再开水泵，水泵运转前可不预先灌注水，将进水闸阀打开即可。真空泵在运转前应在进水口灌注清水，以便在水泵中尚无水时产生水封。停机时，先关真空泵接着关水泵及闸阀。

在抽水过程中，罐内真空度始终稳定在一个数值上，如真空度小则开大排气阀，仍不能达到预计适宜真空度值时，说明管路系统漏气，查出并用软皂涂抹堵塞。如果真空值过大产生倒吸时，可关小排气阀门，直到预计适宜真空度。真空度是由装在罐顶的真空表读出，在未抽真空前，指针在“0”值，抽真空后指针逐步上升到预定值（汞柱毫米数）。当真空度调到适当值时，观察真空罐水位计，并调正水泵进入闸阀，控制流量，应使水位计中水位始终保持在玻璃管中间部位。

3.4 地下水监测

隧洞开挖期间，在水平排水管施工时，同时在掌子面上钻水平探测孔，孔深15 m，以观察围土含水量。一般认为，围土含水率在17%~22%时即可满足开挖需要，若距开挖面5 m以内有含水率超标现象，应暂停开挖，等待土体疏干或采取电渗降水。施工中，也可使用洛阳铲辅助探测。

如果已完成永久衬砌，应注意观察排水管的出水情况，若有较大变化，应具体分析原因，采取应对措施。若洞壁出现冒汗或有水渗出，应检查排水管是否失效。

4 结语

由于选择的真空深井复合降水合理，技术、安全性论证充分，施工降水过程中严格按施工方案实施，并加强及时安全监测，保证了开挖断面土体疏干，使穿黄退水洞在无水的环境下顺利施工。选择一个好的降水方案是保证隧洞开挖顺利的基础，为今后在类似隧洞的施工中提供了很好的借鉴。

［1］SDJ212-83，水工建筑物地下开挖工程施工技术规范［S］.

［2］韩正新.汉村隧洞工程施工方法［J］.陕西水利，1994（S1）.

［3］马伯恩，贾志胜.谈洛惠渠五洞工程手掘式盾构法施工［J］.杨凌职业技术学院学报，2005（04）.

［4］李波.松树岭隧道复合式衬砌法中防水层的施工工艺［J］.辽宁省交通高等专科学校学报，2009（06）.