专利名称：真空轻型井点降水方法
技术领域：
本发明涉及一种真空轻型井点降水方法在隧道施工中的运用。
背景技术：
随着国民经济的发展，铁路建设中隧道的修建数量日益增多。国内隧道施工中， 由于隧道受选线条件的限制，个别隧道势必要经过一些水文、地质条件差，无形中加大了隧道的施工难度。如桃树坪隧道，地质围岩为第三系富水、弱胶结粉细砂岩，渗透系数为 8. IX 10_4Cm/S 9. 26X l(T4Cm/S，洞内日平均涌水量在570m3以上，设计为单洞双线隧道， 隧道长3225m，全隧均为VI级围岩，施工难度大，为极高风险隧道，被国内隧道专家定性为 “国内罕见，世界难题”。在整个隧道施工中降水是关键，降水的成败直接影响着隧道施工安全质量及进度，针对该种地层，选择合理的降水工艺显得尤为重要。在该隧道，降水是建造隧道的关键工序，该工序施工技术的优劣将直接影响到隧道施工的整体布局和经济效果，是工程施工成败的关键。在国内隧道降水的形式有各种各样，降水一直是隧道修建中的技术难点之一，随着降水理论与技术装备的不断提高，各种各样的降水工艺在隧道中应用越来越广泛。如何才能保证降水的最佳效果，是施工不断改进和研究的方向，而真空轻型井点降水技术在隧道中的应用，在国内类似成功案例较少。
发明内容
本申请人承建了兰渝铁路桃树坪隧道4#斜井中的前期施工遗留的50. 7m斜井和 505m正洞施工。施工中针对该隧道渗透系数小且日涌水量大的特点，摒弃了前期施工中不降水或局部只降开挖轮廓线内的地下水，未形成完整的隧道降水系统且盲目冒进的施工理念，而积极探索，认真研究，针对该种地层经过多次试验、分析、总结，首次提出“开挖轮廓线外超前降水”的理念，最终确定了本申请的真空轻型井点降水方法，并将该降水方法纳入日常工序管理之中，使隧道降水形成一个系统工作正常运转。该真空轻型井点降水方法利用真空原理，使土中的水分和空气受真空吸力作用而产生水气混合液，经管路系统向上被吸入到水气分离器中。由于空气比水轻，空气几经分离器上部由真空泵排出。在降水深度范围内，土体的重度由原来的浮重状态逐步改变为饱和重度，土体内部应力改变，增加了垂直附加土压力，土层在增加的自重应力作用下逐渐固结，增大土体抗剪强度，提高围岩的稳定性。根据本发明的一个方面提供了一种斜井用真空轻型井点降水方法，包括以下步骤在掌子面拱顶一定角度范围内，按照一定的环向间距布设至少一排掌子面超前真空降水管；开挖上台阶，在上台阶拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管；以及开挖中台阶，在中台阶拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管。进一步，该方法包括开挖下台阶，在下台阶或仰拱底面处安设至少一排第二真空降水管。进一步，该方法包括在斜井上台阶下一定距离处安设至少一根水平超前真空降水管。进一步的，掌子面超前真空降水管、第一和第二真空降水管以及水平超前真空降水管均与集水总管连接，将水通过集水总管排出。进一步的，位于上台阶拱脚下的第一真空降水管、位于中台阶拱脚下的第一真空降水管以及位于下台阶或仰拱底面处的第二真空降水管的纵向间距为0. 5m。进一步的，至少一排掌子面超前真空降水管布设在掌子面拱顶120°范围内，环向间距0.細，每根掌子面超前真空降水管长度为細，外插角5° 10°，纵向搭接不小于lm。进一步的，在上台阶和中台阶两侧拱脚下50cm处各安设一排长度^!的第一真空降水管，外插角60°。进一步的，在下台阶两侧或仰拱底面两侧各安设一排长度5m的第二真空降水管， 外插角30°。进一步的，在斜井上台阶下50cm处安设3根水平超前真空降水管(8)，每根水平超前真空降水管长度为細。根据本发明的另一方面提供了一种正洞用真空轻型井点降水方法，包括以下步骤在掌子面拱顶一定角度范围内，按照一定的环向间距布设至少一排掌子面超前真空降水管；开挖左、右侧壁I部和III部，在I部和III部拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管；以及开挖左、右侧壁II部和IV部，在II部和IV部拱脚下一定距离处安设至
少一排第一真空降水管。进一步，该方法包括开挖左、右侧壁V部和VI部，在V部和VI部或仰拱底面处安设至少一排第二真空降水管。进一步，该方法包括在正洞左、右侧壁的I部和III部下一定距离处安设至少一根水平超前真空降水管。进一步，该方法包括在正洞左、右侧壁大跨位置II部和IV部下一定距离处安设至少一根水平超前真空降水管。进一步的，掌子面超前真空降水管、第一和第二真空降水管以及水平超前真空降水管均与集水总管连接，将水通过集水总管排出。进一步的，位于左、右侧壁的I部和III部拱脚下的第一真空降水管、位于左、右侧壁的II部和IV部拱脚下的第一真空降水管以及位于左、右侧壁的V部和VI部或仰拱底面处的第二真空降水管)的纵向间距为0.5m。进一步的，在左、右侧壁纵向布置的I部和III部、II部和IV部、以及V部和VI部之间通过水平支撑装置分隔。进一步的，至少一排掌子面超前真空降水管布设在掌子面拱顶120°范围内，环向间距0.細，每根掌子面超前真空降水管长度为細，外插角5° 10°，纵向搭接不小于lm。进一步的，在左、右侧壁的I部、III部、II部和IV部拱脚下50cm处各安设一排长度細的第一真空降水管，外插角60°。进一步的，在左、右侧壁的V部和VI部处或仰拱底面两侧各安设一排长度5m的第二真空降水管，外插角30°。进一步的，在正洞左、右侧壁的I部和III部下50cm处安设3根水平超前真空降水管，每根水平超前真空降水管长度为細。
进一步的，在正洞左、右侧壁大跨位置II部和IV部下返50cm处安设5根水平超前真空降水管，每根水平超前真空降水管长度为細。由于采用了本发明的真空轻型井点降水方法，保证了隧道开挖正常进行。施工进度是前期的2倍以上，且施做后的初期支护未出现较大变形、开裂，安全质量均得到保证， 施工得到彻底改观。根据隧道采用的开挖工法有针对性地布置降水管，解决了隧道“水”的难题，给开挖提供了根本保障。且该工艺简单，施工操作方便；能耗低，施工成本低，降水效果好；施工设备配套简单，减少了采用其他降水工法时大型设备的安设，安装简单，可操作性强，维修保养方便。
图1为斜井降水管布设图；图2为正洞双侧壁施工降水管布设图；图3为降水管布设纵断面图；
图4为降水管布设平面图；图5为涌水量计算简图。图中1-掌子面超前真空降水管；2-第一真空降水管；3-第二真空降水管；4-初支轮廓线；5-设计中线；6-上台阶；7-集水总管；8-水平超前真空降水管；9-中台阶； 10-下台阶；11-内轨顶面；12-仰拱底面；13-1部；14-11部；15-V部；16-111部；17-IV部； 18-VI部；19-抽水机；20-真空泵；21-降水管；22-连接管；23-掌子面
具体实施例方式下面，以申请人承建的兰渝铁路桃树坪隧道4#斜井中的前期施工遗留的50. 7m 斜井和505m正洞施工工程为例，介绍本申请的真空轻型井点降水方法。其中涉及的角度、 距离、长度、降水管数量以及选材均是根据该具体工程的实际情况，结合本领域的常识确定的。本领域技术人员应该知道，这些角度、距离、长度、降水管数量以及选材不局限于这里描述的情况，可以根据工程实际需要作出适当的选择，以达到良好的降水效果。斜井降水管布设具体见图1，正洞双侧壁施工降水管布设见图2，降水管布设纵断面见图3，降水管布设平面图见图4。图1中洞内水平真空轻型井点降水在掌子面拱顶120°范围内，按环向间距0. ! 布设长的掌子面超前真空降水管1，外插角5° 10°，纵向搭接不小于Im;如无法满足拱部开挖要求，拱顶降水管间距调小，进行加密。洞内垂直真空轻型井点降水首先，开挖上台阶6，在上台阶6两侧拱脚下返h = 50cm各安设一排长度^!第一真空降水管2，外插角60°。然后，开挖中台阶9，在中台阶9 两侧拱脚下返h = 50cm各安设一排长度^!第一真空降水管2，外插角60°。为了降低仰拱底部水位，可在开挖下台阶10后，在下台阶10两侧或仰拱底面12 两侧各加设一排第二真空降水管3，外插角30°，长度5m。位于上台阶两侧拱脚下的第一真空降水管2、位于中台阶两侧拱脚下的第一真空降水管2以及位于下台阶两侧或仰拱底面两侧的第二真空降水管3的纵向间距为0. 5m，第一和第二真空降水管均与集水总管7连接，将水通过集水总管7排出。
此外，可在斜井上台阶6下返h = 50cm设3根細长水平超前真空降水管8。图2中洞内水平真空轻型井点降水在掌子面拱顶120°范围内，按环向间距0. ! 布设长的掌子面超前真空降水管1，外插角5° 10°，纵向搭接不小于Im;如无法满足拱部开挖要求，拱顶降水管间距调小，进行加密。洞内垂直真空轻型井点降水首先，开挖左、右侧壁I部13和III部16，在I部13 和III部16拱脚下返h = 50cm安设一排长度^!第一真空降水管2，外插角60°。然后， 开挖左、右侧壁II部14和IV部17，在II部14和IV部17拱脚下返h = 50cm安设一排长度^!第一真空降水管2，外插角60°。为了降低仰拱底部水位，开挖左、右侧壁V部15和VI部18，在V部15和VI部18 或仰拱底面两侧各加设一排第二真空降水管3，外插角30°，长度5m。在左、右侧壁纵向布置的I部13和III部16、II部14和IV部17、以及V部15和 VI部18之间通过水平支撑装置分隔。位于左、右侧壁的I、III部拱脚下的第一真空降水管2、位于左、右侧壁的II、IV 部拱脚下的第一真空降水管2以及位于左、右侧壁的V、VI部或仰拱底面两侧的第二真空降水管3的纵向间距为0. 5m，第一和第二真空降水管与集水总管7连接，将水通过集水总管7 排出。此外，可在正洞左、右侧壁的I部13、III部16下返h = 50cm各布设3根細长水平超前真空降水管8 ；在正洞双侧壁大跨位置II部14、IV部17下返h = 50cm各布设5根細长水平超前真空降水管8。如图3和图4所示，真空井点系统由降水管21 (管下端有滤管)、连接管22、集水总管7和抽水设备等组成，抽水设备可包括抽水机19和真空泵20。降水管21采用Φ 32mm PP2管，集水总管7采用Φ 75mm PP2管；插入土层的降水管21必须包双层100目滤网。每排降水管与集水总管连接，集水总管7接入真空泵20。降水管和集水总管之间采用32mm钢丝软管连接，并在连接部位加设阀门，控制井管降水；集水总管和真空泵连接采用75mm钢丝软管连接。下面，介绍利用该真空轻型井点降水方法的施工方法。一、施工准备 1、编制真空轻型井点降水施工组织设计。2、降水管及集水总管的购置，集水总管的加工；3、根据现场实际情况，对隧道降水量进行建模选型，初步采用均质含水层潜水非完整井涌水量计算模式，计算得出570. 4m3/d，与现场实测涌水量接近。目前，隧道涌水量主要包括四周和坑底流入的水量。各参数取值如下K-渗透系数(m/d)，取0. 75m/d ；h_隧道动水位至含水层底板深度，取IOm ；S-基坑水位降深，取IOm ；R-影响半径，i = 105·^ ,经计算为86. 6m ；H-潜水位高，取30m ；r0-基坑半径，取15m。hm_平均深度，取20m ；L-滤水管有效长度取12m ；
权利要求
1.一种斜井用真空轻型井点降水方法，包括以下步骤在掌子面拱顶一定角度范围内，按照一定的环向间距布设至少一排掌子面超前真空降水管⑴；开挖上台阶(6)，在上台阶(6)拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管O)；以及开挖中台阶(9)，在中台阶(9)拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管O)。
2.根据权利要求1所述的斜井用真空轻型井点降水方法，该方法进一步包括开挖下台阶(10)，在下台阶(10)或仰拱底面(12)处安设至少一排第二真空降水管(3)。
3.根据权利要求2所述的斜井用真空轻型井点降水方法，该方法进一步包括在斜井上台阶(6)下一定距离处安设至少一根水平超前真空降水管(8)。
4.根据权利要求3所述的斜井用真空轻型井点降水方法，其中掌子面超前真空降水管 (1)、第一和第二真空降水管0，3)以及水平超前真空降水管(8)均与集水总管(7)连接， 将水通过集水总管(7)排出。
5.根据权利要求2所述的斜井用真空轻型井点降水方法，其中位于上台阶(6)拱脚下的第一真空降水管O)、位于中台阶(9)拱脚下的第一真空降水管O)以及位于下台阶 (10)或仰拱底面(12)处的第二真空降水管(3)的纵向间距为0.5m。
6.根据权利要求1所述的斜井用真空轻型井点降水方法，其中至少一排掌子面超前真空降水管(1)布设在掌子面拱顶120°范围内，环向间距0.細，每根掌子面超前真空降水管 (1)长度为細，外插角5° 10°，纵向搭接不小于lm。
7.根据权利要求1所述的斜井用真空轻型井点降水方法，其中在上台阶(6)和中台阶 (9)两侧拱脚下50cm处各安设一排长度^!的第一真空降水管O)，外插角60°。
8.根据权利要求2所述的斜井用真空轻型井点降水方法，其中在下台阶(10)两侧或仰拱底面(1 两侧各安设一排长度5m的第二真空降水管(3)，外插角30°。
9.根据权利要求3所述的斜井用真空轻型井点降水方法，其中在斜井上台阶(6)下 50cm处安设3根水平超前真空降水管(8)，每根水平超前真空降水管(8)长度为細。
10.一种正洞用真空轻型井点降水方法，包括以下步骤在掌子面拱顶一定角度范围内，按照一定的环向间距布设至少一排掌子面超前真空降水管⑴；开挖左、右侧壁I部(13)和III部(16)，在I部(13)和III部(16)拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管O)；以及开挖左、右侧壁II部(14)和IV部(17)，在II部(14)和IV部(17)拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管O)。
11.根据权利要求10所述的正洞用真空轻型井点降水方法，该方法进一步包括开挖左、右侧壁V部(15)和VI部(18)，在V部(15)和VI部(18)或仰拱底面(12)处安设至少一排第二真空降水管(3)。
12.根据权利要求11所述的正洞用真空轻型井点降水方法，该方法进一步包括在正洞左、右侧壁的I部(13)和III部(16)下一定距离处安设至少一根水平超前真空降水管(8)。
13.根据权利要求12所述的正洞用真空轻型井点降水方法，该方法进一步包括在正洞左、右侧壁大跨位置II部(14)和IV部(17)下一定距离处安设至少一根水平超前真空降水管⑶。
14.根据权利要求12或13所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中掌子面超前真空降水管(1)、第一和第二真空降水管0，3)以及水平超前真空降水管(8)均与集水总管(7) 连接，将水通过集水总管(7)排出。
15.根据权利要求11所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中位于左、右侧壁的I 部(1 和III部(16)拱脚下的第一真空降水管( 、位于左、右侧壁的II部(14)和IV部 (17)拱脚下的第一真空降水管O)以及位于左、右侧壁的V部(1 和VI部(18)或仰拱底面(12)处的第二真空降水管(3)的纵向间距为0.5m。
16.根据权利要求11所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中在左、右侧壁纵向布置的I部(13)和III部(16)、11部(14)和IV部(17)、以及V部(15)和VI部(18)之间通过水平支撑装置分隔。
17.根据权利要求10所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中至少一排掌子面超前真空降水管(1)布设在掌子面拱顶120°范围内，环向间距0.細，每根掌子面超前真空降水管(1)长度为細，外插角5° 10°，纵向搭接不小于lm。
18.根据权利要求10所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中在左、右侧壁的I部 (13)、III部(16)、11部(14)和IV部(17)拱脚下50cm处各安设一排长度^!的第一真空降水管O)，外插角60°。
19.根据权利要求11所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中在左、右侧壁的V部 (15)和VI部(18)处或仰拱底面(12)两侧各安设一排长度5m的第二真空降水管(3)，外插角30°。
20.根据权利要求12所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中在正洞左、右侧壁的I 部(13)和III部(16)下50cm处安设3根水平超前真空降水管(8)，每根水平超前真空降水管⑶长度为細。
21.根据权利要求13所述的正洞用真空轻型井点降水方法，其中在正洞左、右侧壁大跨位置II部(14)和IV部(17)下返50cm处安设5根水平超前真空降水管(8)，每根水平超前真空降水管(8)长度为細。
全文摘要
本发明提供一种真空轻型井点降水方法，包括以下步骤在掌子面拱顶一定角度范围内，按照一定的环向间距布设至少一排掌子面超前真空降水管；开挖上台阶，在上台阶拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管；以及开挖中台阶，在中台阶拱脚下一定距离处安设至少一排第一真空降水管。根据隧道采用的开挖工法布置降水管，工艺简单，施工操作方便；能耗低，施工成本低，降水效果好；施工设备配套简单，减少了采用其他降水工法时大型设备的安设，安装简单，可操作性强，维修保养方便。
文档编号E21F16/02GK102278142SQ20111011330
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者李建伟, 李志军, 杨艳玲, 林琳, 洪开荣, 温新亮, 王光伟, 王建军, 王雄文, 陈庆怀, 龚天康 申请人:中铁隧道集团二处有限公司