蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系含水粉細(xì)砂巖地表降水試驗(yàn)研究

徐志平（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系含水粉細(xì)砂巖地表降水試驗(yàn)研究

徐志平
（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043）

摘要：蘭渝鐵路胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)通過的第三系含水弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖具有異常復(fù)雜的水穩(wěn)性特征，掌子面自穩(wěn)性差，施工進(jìn)度極其緩慢，采用洞內(nèi)降水措施，效果很難保證，施工風(fēng)險(xiǎn)大。根據(jù)地形地質(zhì)條件，對胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)開展地表降水試驗(yàn)研究，對試驗(yàn)成果進(jìn)行計(jì)算分析，了解和掌握該第三系含水砂巖的水文地質(zhì)特性，確定地表降水井的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過對降水前后圍巖、施工進(jìn)度的比較，驗(yàn)證了降水井的設(shè)計(jì)合理。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；第三系粉細(xì)砂巖；豎井；滲透系數(shù)；地表降水

0　引言

第三系含水粉細(xì)砂巖是目前鐵路隧道施工中遇到的復(fù)雜地質(zhì)之一。曹峰［1］和王慶林等［2］人總結(jié)了蘭渝線桃樹坪隧道和胡麻嶺隧道第三系含水弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖的施工情況后認(rèn)為，第三系含水粉細(xì)砂巖具有異常復(fù)雜的水穩(wěn)性特征，一般在掌子面開挖4 h以內(nèi)，掌子面基本能自穩(wěn)，4～6 h掌子面開始發(fā)生流變，6 h以后掌子面失穩(wěn)，需采取超前降水等措施保證第三系砂巖保持在合理含水率以內(nèi)，以保證圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，滿足正常的施工要求。王菀等［3］和張?jiān)偃剩?］對桃樹坪隧道洞內(nèi)降水設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了總結(jié)，但對通過第三系含水粉細(xì)砂巖的鐵路隧道采取地表井群降水，國內(nèi)尚未查到相關(guān)資料。

胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)地處溝谷地帶，隧道埋深相對較淺，地下水豐富，且通過第三系粉細(xì)砂巖段，滲透系數(shù)小，屬弱透水地層。在隧道開挖后，支護(hù)體系封閉之前，采取洞內(nèi)超前降水措施，圍巖的含水率很難控制在18%以內(nèi)［5］，常常出現(xiàn)掌子面涌泥涌砂的現(xiàn)象，施工風(fēng)險(xiǎn)大，施工進(jìn)展極其緩慢。7號(hào)豎井工區(qū)隧道掌子面涌砂見圖1。根據(jù)胡麻嶺隧道豎井工區(qū)地形條件，對豎井施工的正洞設(shè)置地表群井超前降水，由于國內(nèi)尚無類似工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施前進(jìn)行地表降水試驗(yàn)，研究分析該地層水文地質(zhì)參數(shù)，對地表降水設(shè)計(jì)是十分必要的。

圖1　7號(hào)豎井工區(qū)隧道掌子面涌砂Fig.1 Sand flowing out of the tunnel face

1　工程概況

1.1隧道概況

胡麻嶺隧道為新建鐵路蘭渝線控制性工程，位于甘肅省境內(nèi)榆中縣與定西市境內(nèi)，隧道起訖里程為DK68＋626～DK82＋237，全長13 611 m，為單洞雙線隧道。隧道洞身DK76＋350～DK79＋600段通過第三系含水弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖，施工進(jìn)度極其緩慢，進(jìn)度嚴(yán)重滯后。隧道設(shè)置6座斜井＋1座豎井輔助正洞施工。

1.2工程地質(zhì)特征

通過現(xiàn)場取樣并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，胡麻嶺隧道通過的第三系含水粉細(xì)砂巖黏粒含量為5.21%～8.52%；天然含水率為4%～10%；密度為1.882～2.133 g／cm3；顆粒密度為2.599～2.648 g／cm3；比重為2.64～2.67；孔隙比為0.363～0.442；黏聚力為14.21～99.38 kPa；內(nèi)摩擦角為31.96°～46.29°。第三系砂巖遇水浸潤或擾動(dòng)后極易軟化，其飽和抗壓強(qiáng)度無法通過室內(nèi)試驗(yàn)測得；局部夾有鈣質(zhì)膠結(jié)薄層或結(jié)核，天然抗壓強(qiáng)度平均為2.46～7.58 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為0.8～2.67 MPa［5］。

7號(hào)豎井開挖后主要地層為第三系含水粉細(xì)砂巖，淺紅色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)，局部形成鈣質(zhì)半膠結(jié)或膠結(jié)的透鏡體，巖質(zhì)軟，無地下水時(shí)圍巖整體穩(wěn)定性尚好。

1.3水文地質(zhì)特征

胡麻嶺隧道地下水主要為基巖裂隙（孔隙）水，該區(qū)域?yàn)槿醺凰畢^(qū)，地下水的分布受地形地貌（地表徑流條件）控制明顯，在溝谷區(qū)受降水地表匯集、上游地下水及地表水體長期補(bǔ)給影響，地層含水性遠(yuǎn)大于其他地段，溝谷附近地下水水位埋深較淺，水量較為豐富。隧道區(qū)地下水以潛水為主，在運(yùn)動(dòng)過程中主要受裂隙通道控制，無統(tǒng)一的地下水面。根據(jù)斜井、豎井開挖及鉆探資料揭示，胡麻嶺隧道第三系含水砂巖段不同地貌的地下水位高程為2 195～2 231 m，變化不大，水力坡度較小，含水層厚度為15～48 m，地下水位的埋深受地形起伏影響變化較大，初始水位線一般位于隧道基底以上7～40 m。7號(hào)豎井位于石門水庫上游奶長溝溝床內(nèi)，溝內(nèi)常年有水流，沖溝發(fā)育，下切較深，一般為8～15 m，沖溝溝壁陡峭，垂直山脊多呈樹杈狀分布，為地下水的補(bǔ)給創(chuàng)造了條件［5］。

1.47號(hào)豎井及正洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

豎井結(jié)構(gòu)尺寸為8 m×16 m×30.5 m（長×寬×井深），采用鉆孔灌注樁圍護(hù)，豎井周邊采取豎向旋噴樁加固。豎井結(jié)構(gòu)及地質(zhì)柱狀圖見圖2，豎井工區(qū)正洞主要支護(hù)參數(shù)見表1，隧道襯砌支護(hù)斷面見圖3。

圖2　7號(hào)豎井結(jié)構(gòu)及地質(zhì)柱狀圖（單位：cm）Fig.2 Structure of No.7 vertical shaft and geological column（cm）

表1　7號(hào)豎井工區(qū)正洞主要支護(hù)參數(shù)表［6］Table 1 Support parameters of tunnel［6］

2　地表降水試驗(yàn)

胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)正洞的地表降水沿隧道軸線方向，在隧道某一特定的施工段落的地表兩側(cè)布設(shè)多個(gè)降水井點(diǎn)，采用群井同時(shí)抽水，降低該段隧道第三系含水砂巖的含水率，以滿足正常施工的需要。根據(jù)地表單井降水試驗(yàn)研究結(jié)果，為了進(jìn)一步了解胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)第三系含水砂巖的水文地質(zhì)特性，分析并驗(yàn)證地表降水時(shí)的實(shí)際效果，通過計(jì)算分析

出該地層的群井降水適合的水文地質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而對豎井工區(qū)正洞的地表降水進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3　隧道襯砌支護(hù)斷面圖（單位：cm）Fig.3 Crosssection of tunnel（cm）

2.1地表試驗(yàn)情況

在7號(hào)豎井實(shí)施地表降水試驗(yàn)前，打設(shè)5口呈一字排列、孔徑168 mm、井深74 m的試驗(yàn)井進(jìn)行地表單井降水試驗(yàn)研究。初步了解該地區(qū)第三系含水砂巖的水文地質(zhì)特性及降水的影響范圍，研究分析后確定降水目標(biāo)為將降水井的水位線降至隧道基底以下20 m。

根據(jù)地表單井降水試驗(yàn)研究分析，在7號(hào)豎井周邊進(jìn)行了地表試驗(yàn)群井布置。布設(shè)原則：降水井打設(shè)深度為50 m，位于洞底高程以下20 m，降水井管徑350 mm，配置潛水泵流量2～12 m3／h，揚(yáng)程大于150 m。考慮現(xiàn)場實(shí)際地形及施工情況，地表試驗(yàn)降水井布設(shè)見圖4。地表深井降水情況統(tǒng)計(jì)見表2。

現(xiàn)場實(shí)施地表試驗(yàn)井，7號(hào)豎井結(jié)構(gòu)已落底完成，在豎井實(shí)施過程中，水位線已降低，試驗(yàn)井的水位降深根據(jù)實(shí)際降水效果控制。降水井水位觀測模擬地下水降落漏斗見圖5。

圖4　地表降水布置示意圖Fig.4 Layout of ground surface dewatering wells

式中：Sw為井水位降深，m；k為含水層滲透系數(shù)，m／d；H為潛水含水層厚度，m［7］。

7號(hào)豎井地表管井試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算滲透系數(shù)、影響半徑見表3。

根據(jù)計(jì)算，順河床方向的1和4號(hào)井滲透系數(shù)在1.12～1.69 m／d，影響半徑較大，遠(yuǎn)離河谷的其他井滲透系數(shù)小于1 m／d，影響半徑相應(yīng)較小。通過查閱鐵路工程地質(zhì)手冊等參考工具書，以粉細(xì)砂為主的地層滲透系數(shù)一般為1 m／d左右，影響半徑為20～50 m。而根據(jù)地表單井降水試驗(yàn)，滲透系數(shù)計(jì)算為0.276 m／d，說明胡麻嶺隧道深埋地區(qū)的滲透系數(shù)小于1 m／d，考慮地表地形變化的影響，對比計(jì)算結(jié)果，降水影響半徑擬采用60 m［8］。

2.2水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

按穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算滲透系數(shù)，潛水含水層的影響半徑R按庫薩金公式確定：

表2　地表深井降水情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of ground surface deepwell dewatering

圖5　7號(hào)豎井位置降水剖面圖（單位：m）Fig.5 Profile of dewatering at the location of No.7 vertical shaft（m）

表3　滲透系數(shù)及影響半徑計(jì)算表Table 3 Calculation of permeability coefficient and influence scope

3　地表降水設(shè)計(jì)

3.1降水井設(shè)計(jì)參數(shù)分析

3.1.1含水層性質(zhì)概化

第三系粉細(xì)砂地層，含水較為均勻，可將第三系粉細(xì)砂地層概化為大厚度均質(zhì)潛水含水層，含水層厚度H取40 m，降水井降深Sw取35 m，含水層下部隔水底板低于隧道底部30 m。降水井地下水位降深見圖6。

圖6　降水井地下水位降深圖Fig.6 Dewatering depth

3.1.2基坑降水方式設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)

參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》地下水控制內(nèi)容中降水井設(shè)計(jì)方法，基坑地下水位降深

式中：Si為基坑內(nèi)任一點(diǎn)的地下水位降深，m；Sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深，m。

降水井深度未至含水層的隔水頂板，理論上應(yīng)為潛水非完整井，但降水井的有效區(qū)影響深度H0按最小取值，為1.3 Hs（Hs為水位降深和過濾器長度之和），已大于含水層的40 m，即有效區(qū)影響深度深入至含水層下部隔水底板以下，故基坑降水總涌水量可按均質(zhì)含水層潛水完整井計(jì)算［9］：

式中：Q為基坑降水總涌水量，m3／d；H為含水層厚度，m；k為滲透系數(shù)，取0.5 m／d；Sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深，m；R為降水影響半徑，取60 m；r0為基坑等效半徑，m，（A為基坑面積，m2）。

初擬基坑寬22 m，長15 m，計(jì)算得基坑總涌水量797 m3／d。

降水井?dāng)?shù)量n＝1.1 Q／q，設(shè)計(jì)單井流量q＝100 m3／d，計(jì)算得出降水井?dāng)?shù)量為9孔。

通過式（4）驗(yàn)算基坑內(nèi)各點(diǎn)都滿足要求Si≥Sd。

3.1.3考慮隧道實(shí)際施工進(jìn)度下降水井?dāng)?shù)量

擬設(shè)計(jì)隧道施工進(jìn)尺為15 m，隧道掌子面涌水量分為200 m3／d和500 m3／d 2種工況。預(yù)排水時(shí)間1個(gè)月，基坑實(shí)際面積為22 m×15 m。降水井出水量分為50 m3／d和100 m3／d 2種情況，降水井?dāng)?shù)量計(jì)算見表4。

表4　考慮實(shí)際施工進(jìn)度降水井?dāng)?shù)量表Table 4 Quantity of dewatering wells

3.1.4加大動(dòng)水位設(shè)計(jì)深度及井距分析

根據(jù)裘布衣假設(shè)理論，降水井產(chǎn)水量

式中：Q為降水井產(chǎn)水量，m3／d；H為含水層厚度，m；k為滲透系數(shù)，m／d；S為降水井設(shè)計(jì)降深，m；R為降水影響半徑，m；r0為降水井半徑，m。

其中降水浸潤線Z′和r的計(jì)算關(guān)系為：

式中：r為滲流的浸潤面上的點(diǎn)距降水井的距離，m；Z′為在離井中心r處滲流的浸潤面上的點(diǎn)距初始水位線的高度，m。

設(shè)降水井?dāng)M開采量為一定值，采用抽水試驗(yàn)中的最大降深、地下水水位預(yù)測值對隧道位置的水位下降值進(jìn)行計(jì)算。潛水降水井示意圖見圖7。

1）降水井深度及井距計(jì)算。降水井正常降水時(shí)，降水曲線達(dá)到掌子面中心底板時(shí)，認(rèn)為降水井達(dá)到理想效果，此時(shí)公式存在水位降深和影響半徑2個(gè)參數(shù)S和R。降水井設(shè)計(jì)離隧道外側(cè)邊界4 m，取隧道直徑14 m，即R＝11 m時(shí)，此時(shí)Z′為40 m，單井抽水量50，100 m3／d，根據(jù)以上條件計(jì)算降水井井底與隧道底板的距離見表5。

圖7　潛水降水井示意圖Fig.7 Dewatering well for phreatic water

2）降水井干擾水位計(jì)算。當(dāng)多個(gè)降水井同時(shí)工作時(shí)，降落漏斗相交處水位會(huì)形成干擾水位，計(jì)算模型見圖8。

含水層厚度取40 m，影響半徑R取60 m，降水井位置設(shè)于距隧道中線11 m，通過式（4）計(jì)算，單井情況下，水位降深Si＝1.4 m，雙井情況下，Si＝4.2 m，隧道中心線水位較單井多下降2.8 m，可見影響相對較大。

表5　設(shè)計(jì)降水井井底與隧道底板的距離Table 5 Distance between the bottom of designed dewatering well and the tunnel floor

3.2地表降水設(shè)計(jì)

通過試驗(yàn)降水效果研究并計(jì)算分析，對胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)正洞第三系砂巖地表降水進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

3.2.1降水管井參數(shù)

1）含水層類型。以細(xì)砂、粉砂類為主的潛水含水層。

2）降水井類型及參數(shù)。管井、管井直徑300 mm，填礫厚度150～200 mm。

3）過濾器位置。靜水位以下10 m至距離孔底5 m范圍內(nèi)。

4）考慮布設(shè)井位地形的變化及第三系砂巖復(fù)雜的水文地質(zhì)特性，降水井設(shè)計(jì)深度位于洞底以下22 m。

3.2.2降水井平面布置

正洞隧道兩側(cè)管井間距20 m，位于隧道輪廓線外側(cè)4 m，隧道單側(cè)相鄰兩管井與另一側(cè)管井呈等腰三角形布置或?qū)ΨQ布置，預(yù)降水時(shí)間為1個(gè)月。

4　降水效果評價(jià)

4.1降水前后掌子面圍巖變化

胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)蘭州方向，掌子面開挖進(jìn)入無地表降水井降水區(qū)域后，掌子面上半斷面自穩(wěn)性差，出現(xiàn)砂巖軟化、流塑狀外涌，采用洞內(nèi)超前降水

效果甚微，上半斷面掌子面開挖后一段時(shí)間圍巖含水率能達(dá)到18%以上。當(dāng)設(shè)置地表降水后，洞內(nèi)施工較為順利，尤其進(jìn)入地表降水群井效應(yīng)區(qū)域后，掌子面水量明顯減少，開挖后有一定的自穩(wěn)性，即使不采用洞內(nèi)降水措施，圍巖的含水率也能有效控制在10%以內(nèi)，能滿足隧道的正常施工的要求。地表井降水前后掌子面圍巖對比見圖9。

圖8　干擾降水井模型示意圖Fig.8 Model of interfering dewatering well

圖9　采用地表井降水前后掌子面圍巖對比Fig.9 Effect of ground surface dewatering

4.2降水前后施工進(jìn)度對比

胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)蘭州方向正洞溝谷區(qū)由于埋深淺，降水井較好實(shí)施。2013年4月進(jìn)入正洞形成正常開挖后，進(jìn)度達(dá)15～20 m／月。而進(jìn)入隧道深埋地段，由于地表降水深井打設(shè)滯后，2013年12月至2014年5月正洞進(jìn)入無地表降水井區(qū)域段，施工進(jìn)度為6～9 m／月，而2014年6月地表深井成功實(shí)施降水，正洞進(jìn)入地表降水井區(qū)域段后，施工進(jìn)度大幅提高，可達(dá)21.7 m／月。7號(hào)豎井工區(qū)蘭州向正洞施工進(jìn)度見圖10。

圖10　7號(hào)豎井工區(qū)蘭州向正洞施工進(jìn)度曲線圖Fig.10 Tunneling progress toward Lanzhou direction

5　結(jié)論與體會(huì)

1）第三系砂巖具有異常復(fù)雜的水穩(wěn)特性，是一個(gè)世界性施工技術(shù)難題，地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響非常大。胡麻嶺隧道大段落通過第三系含水砂巖，施工難度大，進(jìn)度緩慢，相比其他地質(zhì)條件的高風(fēng)險(xiǎn)隧道，通過第三系含水砂巖的隧道超前降水是極其重要且十分關(guān)鍵的工程措施，胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)地表降水試驗(yàn)研究表明，在隧道地表布設(shè)超前降水井群，能有效降低掌子面圍巖的含水率，加快施工進(jìn)度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）第三系含水砂巖具有十分復(fù)雜的水文地質(zhì)特征，通過胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)地表單井和群井的降水試驗(yàn)研究，胡麻嶺隧道穿越的第三系含水砂巖屬弱透水層，其滲透系數(shù)和降水影響范圍相對較小，降水時(shí)效短。經(jīng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，該地層的滲透系數(shù)為0.5 m／d，降水影響半徑為60 m，進(jìn)行地表降水井設(shè)計(jì)計(jì)算，經(jīng)施工效果檢驗(yàn)，可作為該隧道降水設(shè)計(jì)參考。

3）胡麻嶺隧道7號(hào)豎井工區(qū)實(shí)施地表降水試驗(yàn)，分析計(jì)算是將第三系砂巖假設(shè)為一定厚度均質(zhì)潛水含水層，而實(shí)際上隧道斷面通過砂巖的粒徑、孔隙率、密實(shí)度等物理性質(zhì)的差異導(dǎo)致巖層含水的分布規(guī)律具有不均一性，這需在以后的降水施工中進(jìn)一步總結(jié)。

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［9］ 夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)筑施工手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.（XIA Mingyao，ZENG Jinlun.Design of underground engineering construction manual ［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，1999.（in Chinese））

Experimental Study on Ground Surface Dewatering for Tertiary Watercontaining Finesilty Sandstone：Case Study on Humaling Tunnel on LanzhouChongqing Railway

XU Zhiping
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

Abstract：The tunneling from No.7 vertical shaft of Humaling tunnel on LanzhouChongqing railway crosses Tertiary watercontaining poorlycemented finesilty sandstone，which has extremely complex waterstable property.The tunnel face has poor selfsupport stability，and the tunneling progress is very slow.Furthermore，the effect of dewatering carried out inside the tunnel cannot be guaranteed.The tunneling has great risks.Experimental study is made on the dewatering made from the ground surface based on the terrain and geological conditions of the tunnel.The study results are analyzed，the hydrogeological property of the Tertiary watercontaining sandstone is obtained and the design parameters of the ground surface dewatering wells are determined.

Key words：railway tunnel；Tertiary watercontaining finesilty sandstone；vertical shaft；permeability coefficient；ground surface dewatering

作者簡介：徐志平（1981—），男，江蘇連云港人，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事鐵路隧道的設(shè)計(jì)和施工工作。

收稿日期：2014－12－08；修回日期：2015－03－30

中圖分類號(hào)：U 455.46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672－741X（2015）05－0428－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.006