管井降水技術(shù)在江底取水隧道修復(fù)中的應(yīng)用

車(chē)燦輝， 黃 健， 劉 靜

(1.安徽省地礦局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司，安徽 蚌埠 233000；3.中鐵十四局大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引言

隧道工程為典型的地質(zhì)工程，在進(jìn)行隧道施工過(guò)程中，不可避免要遇到各種不良的工程地質(zhì)問(wèn)題。特別是水下隧道，面臨地下水壓高、沼氣(囊)豐富等復(fù)雜工程地質(zhì)狀況，容易發(fā)生氣體噴溢、地下水涌出以及泥沙涌出等風(fēng)險(xiǎn)，給施工帶來(lái)障礙以及周邊地面沉降等問(wèn)題，甚或釀成重大的工程事故。

溫竹茵等[1]對(duì)上海滬崇蘇特大隧道施工中可能遇到的不良工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了具體的分析，并提出了詳實(shí)可行的施工技術(shù)措施。該工程中涉及了江底隧道施工中經(jīng)常遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題。提出了鉆井釋放淺層沼氣的措施；設(shè)計(jì)了針對(duì)承壓水問(wèn)題的密封裝置；采用了針對(duì)管涌和流沙的技術(shù)。徐彬等[2]就輸水隧洞中存在的突發(fā)涌水問(wèn)題以及塌方進(jìn)行了分析，并制定了一套預(yù)防和搶險(xiǎn)的方案。祁孝珍等[3]針對(duì)遼寧大伙房輸水隧洞的管涌突水問(wèn)題進(jìn)行了分析，并總結(jié)了幾種突水的前兆標(biāo)志。孫謀等[4]就武漢長(zhǎng)江隧道施工中存在的高水壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了分析，具體針對(duì)施工開(kāi)挖面的穩(wěn)定以及防坍塌技術(shù)，防泥水噴發(fā)技術(shù)以及隧道上浮等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。林朝[5]對(duì)隧道施工冷凍法的發(fā)展進(jìn)行了概述，并以廣州地鐵施工為例，詳細(xì)介紹了施工中的冷凍方案設(shè)計(jì)和技術(shù)要點(diǎn)以及施工工藝，對(duì)凍結(jié)效果以及施工中的要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

從上述研究成果看，關(guān)于隧道施工中地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題及施工對(duì)策研究、承壓含水層中隧道施工技術(shù)和地下水盾構(gòu)注漿封堵與冷凍封堵技術(shù)等方面的研究成果很多，但就長(zhǎng)江入?？谶M(jìn)行水下隧道修復(fù)過(guò)程中的承壓水控制尚無(wú)先例。鑒于此，本文以長(zhǎng)江入海口某發(fā)電廠取水隧道修復(fù)工程為依托，針對(duì)高承壓水對(duì)隧道修復(fù)帶來(lái)的施工風(fēng)險(xiǎn)，提出采用管井進(jìn)行水下降壓降水技術(shù)方案，并進(jìn)行了理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)合三維數(shù)值模擬計(jì)算分析，給出了設(shè)計(jì)及施工方案，并得以成功應(yīng)用。

1 工程概況

蘇南某發(fā)電廠擴(kuò)建工程取水方案采用2條大直徑的地下隧道從長(zhǎng)江深水區(qū)取水，取水隧道位于長(zhǎng)江入?？?，處于已建或在建構(gòu)筑物的包圍中，上游有在建碼頭，下游僅距輸煤棧橋防撞樁40 m。隧道橫穿長(zhǎng)江大堤，在陸域僅87 m，在長(zhǎng)江水域長(zhǎng)870 m，為典型的地下水工構(gòu)筑物，且建于水下軟土層中，較一般水工構(gòu)筑物施工難度大，施工中潛在的地質(zhì)災(zāi)害難以預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。

西線(xiàn)隧道順利完成了施工，但東線(xiàn)隧道在盾構(gòu)最后一環(huán)推進(jìn)施工時(shí)，發(fā)生了沼氣噴溢引起承壓水?dāng)y帶泥砂涌入險(xiǎn)情。要修復(fù)受損隧道，必須降低⑥層承壓水，同時(shí)釋放地層中蘊(yùn)含的沼氣。

但是長(zhǎng)江上降水的特殊性決定了降水工程的難度：(1)降水井施工、降水運(yùn)行管理受江水影響較大；(2)承壓含水層很可能會(huì)直接接受長(zhǎng)江水的補(bǔ)給，水位無(wú)法降低；(3)下部含水層厚度大、滲透性能好，涌水量大；(4)水位降深大，降水引起的土層壓縮可能對(duì)已建隧道造成較大影響。

基于以上問(wèn)題，本次先從水文地質(zhì)條件上分析降水的可行性；再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，并計(jì)算各相關(guān)含水層的水文參數(shù)；最后對(duì)整體江上降水方案進(jìn)行設(shè)計(jì)及施工。

2 工程區(qū)水文地質(zhì)條件分析

2.1 地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，工程區(qū)大部分被第四系沉積地層覆蓋，地基土由河口-濱海相第四系全新統(tǒng)和晚更新統(tǒng)松散沉積物組成。上部為第四系全新統(tǒng)沖擊軟塑—流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾砂土等；下部為第四系全新統(tǒng)粉砂、粉細(xì)砂、粗砂等，見(jiàn)圖1。

2.2 水文地質(zhì)條件

圖1隧道地質(zhì)剖面(單位：m)
Fig.1Geological profile along the tunnel (unit: m)

工程區(qū)地表為長(zhǎng)江水體，江底以下工程建設(shè)涉及的第四系地層存在2層承壓水，主要分布于隧道底部的⑥層粉土、⑧層粉砂及深部砂層中，分隔2層承壓含水層的⑦層粉質(zhì)粘土相對(duì)隔水層埋深約為40 m，厚度約為4 m，分布不連續(xù)，在局部可能缺失。勘察報(bào)告中將⑥層粉土、⑧層粉砂作為同一含水層考慮。

2.3 降水可行性分析

(1)隧洞頂部分布的隔水層——④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層：此層是將長(zhǎng)江這一巨大的、流動(dòng)的地表水體與隧道頂面有效隔斷的隔水頂板。其垂直方向上滲透系數(shù)達(dá)到10-7～10-8cm/s量級(jí)，屬不透水層；該層相對(duì)穩(wěn)定，普遍厚度>6.0 m，能有效阻隔10 m深江水垂直入滲，是本工程場(chǎng)地的重要工程地質(zhì)隔水層組。

(2)盾構(gòu)隧道推進(jìn)層——⑤層粉質(zhì)粘土夾粉土層：本層地下水賦存在所夾的薄層粉砂、粉土層中，富水性不豐富。夾層水平延伸不遠(yuǎn)、層位不穩(wěn)定，周?chē)徽承酝了忾]，地下水連通性差，其滲透性10-5cm/s量級(jí)，屬微透水層，且水平和垂直滲透性差異不大，也正因?yàn)槠湎鄬?duì)隔水性，才能將沼氣等可燃?xì)怏w封閉保存在所夾砂性土透鏡體中。該層與上覆④層共同構(gòu)成相對(duì)隔水層，也可有效阻止江水入滲。

(3)隧道底部第一承壓含水層——⑥層粉土層：本層的特點(diǎn)是以粉粒土為主的含水層，受沉積環(huán)境的影響，夾有薄層的粉砂或粉質(zhì)粘土，使含水層在垂直方向有各向異性的特點(diǎn)，其水平滲透系數(shù)要大于垂直滲透系數(shù)，勘察報(bào)告給出其KH=2.3×10-5cm/s、KV=1.5×10-5cm/s。本層的砂土密實(shí)狀態(tài)為中密，因其顆粒細(xì)又有粘性土薄層分布，水量不大，但水頭壓力高。其高水頭是造成隧道底板突涌的最主要原因，是本次降水的目的含水層，主要以減壓降水頭為目的。

(4)隧道底部第一承壓含水層隔水底板——⑦層粉質(zhì)粘土層：勘察報(bào)告認(rèn)為本層厚度小，分布不均勻，局部缺失，忽視其隔水功能，認(rèn)為⑥層粉土與下伏的⑧、、層共同構(gòu)成了統(tǒng)一的承壓水含水層。經(jīng)仔細(xì)分析⑦層的沉積環(huán)境和區(qū)域分布范圍，發(fā)現(xiàn)該層分布應(yīng)該較穩(wěn)定，其陸域厚度大，可達(dá)10余米，而江底厚度雖薄，也達(dá)4～5 m，其隔水作用不可忽視?？汕袛嗷驕p少⑥層粉土與⑧層粉砂垂直方向的水力聯(lián)系，有利于分層控制、減少降水抽水量，減小降落漏斗的半徑。

(5)隧道底部第二承壓水含水層——⑧層粉砂及深部砂層：本層的顆粒粒徑較⑥層粗、厚度大，滲透性能要遠(yuǎn)高于⑥層，已有鉆孔資料顯示，100 m深度范圍內(nèi)未揭穿此層。一旦該層與降水目的含水層水力聯(lián)系密切，將大大增加總涌水量、降水難度及隧道修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)。

從上述水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖析，本場(chǎng)地具備在江面對(duì)隧道底部第一承壓含水層中的高承壓水頭進(jìn)行減壓降水的巖土環(huán)境條件和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件。

3 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的主要目的在于驗(yàn)證目的含水層的水頭壓力能否降低，并為降水井的設(shè)計(jì)、施工提供可靠的依據(jù)，具體如下：

(1)查明目的含水層(第一承壓含水層)與長(zhǎng)江水體、第二承壓含水層之間的水力聯(lián)系程度；

(2)求取目的含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，如滲透系數(shù)、影響半徑、單井涌水量等；

(3)通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，分析降水可能對(duì)已建隧道造成的影響；

(4)提供合理可行的降水方案。

3.2 試驗(yàn)井布置

為防止試驗(yàn)對(duì)已建隧道產(chǎn)生影響，在東線(xiàn)隧道的東側(cè)布置4口試驗(yàn)井，其中3口井濾管設(shè)置在第一承壓含水層中(編號(hào)1、2、4)，1口井濾管設(shè)置在第二承壓含水層中(編號(hào)3)，見(jiàn)圖2、3。

圖2 試驗(yàn)井平面位置Fig.2 Test well plane position

3.3 試驗(yàn)井施工

試驗(yàn)井施工充分克服了長(zhǎng)江上定位、施工、止水等一系列難題。施工時(shí)選用了1條大噸位的駁船作為本次試驗(yàn)井施工、抽水試驗(yàn)船只。

3.3.1 平臺(tái)搭建

采用旁側(cè)式鉆探平臺(tái)，平臺(tái)外伸3.0 m，寬>6 m，下懸掛副平臺(tái)，兩平臺(tái)上下距離≥2.0 m。上平臺(tái)面用厚度≥50 mm的木質(zhì)地板鋪設(shè)、固定，下平臺(tái)面用鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)，上下平臺(tái)配備必要的防護(hù)欄桿，平臺(tái)的孔口槽板應(yīng)拆卸方便，以便遇緊急情況撤離。

圖3 試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)Fig.3 Test well structure

3.3.2 錨泊定位

施工船采用拋錨泊位，配備至少4只鐵錨，形為齒狀，呈米型布置，備用錨1只，當(dāng)某一側(cè)錨因水流方向變化出現(xiàn)微走錨時(shí)，在可能造成平臺(tái)船漂移的最大流向方向上增補(bǔ)，提高船在施工時(shí)抗漂移的能力。

降水井定位工作采用GPS雙頻RTK系統(tǒng)和實(shí)時(shí)差分系統(tǒng)進(jìn)行，同時(shí)在岸上采用全站儀進(jìn)行校核。

3.3.3 護(hù)管及成孔

試驗(yàn)井施工時(shí)，選用高強(qiáng)度的?800 mm優(yōu)質(zhì)鋼管作隔水保護(hù)套管，采用60 t(600 kN)震動(dòng)錘將護(hù)筒插入江底地層中8 m以上，采用?600 mm三翼鉆頭成孔。

井管提前包扎好備用。下管時(shí)，用船吊垂直提吊井管下入孔內(nèi)，使其位于鉆孔中心，濾管外側(cè)捆扎扶正器，確保濾管外側(cè)濾料層的厚度均勻，且大于規(guī)范中的最小厚度。

3.3.4 填礫、止水

(1)填礫料前先換漿，保證礫料順利下沉；

(2)采用井管外通水填礫料法，填礫中途不宜停泵；

(3)填礫時(shí)礫料沿井管四周均勻連續(xù)投入，填礫速度要適當(dāng)，隨填隨測(cè)填礫深度；

試驗(yàn)井采用?2～3 cm優(yōu)質(zhì)粘土球止水，止水層厚度約為5 m，上部至孔口段用粘土回填密實(shí)。

3.3.5 洗井、試抽

下管填礫后立即進(jìn)行洗井工作。洗井主要采取沖水頭洗井，直至洗清為止。洗井結(jié)束后，及時(shí)進(jìn)行試抽水，以檢驗(yàn)井深、單井涌水量、出水含砂量等情況是否符合要求。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)過(guò)程中，采用全自動(dòng)水位觀測(cè)記錄儀進(jìn)行水位數(shù)據(jù)采集，利用水表進(jìn)行流量采集。

考慮長(zhǎng)江潮汐的影響，正式試驗(yàn)前3天，分別對(duì)地下水位及江水位進(jìn)行觀測(cè)，三者之間具明顯的水位差，可見(jiàn)三者之間無(wú)直接水力聯(lián)系，見(jiàn)圖4。

圖4 地下水位與江水位關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Groundwater vs river level curve

第一承壓含水層單井出水量約為400 m3/d，單位涌水量q1=0.155 L/(s·m)，主井水位降深31 m，同層觀測(cè)井水位分別下降了7.98、3.94 m，而第二承壓含水層觀測(cè)井水位基本無(wú)變化；第二承壓含水層單井出水量約為1600 m3/d，單位涌水量q2=0.482 L/(s·m)，主井水位降深37.96 m，而第一承壓含水層水位基本無(wú)變化，見(jiàn)表1、圖5、圖6。反映出兩含水層之間水力聯(lián)系差，也間接判斷了⑦層粉質(zhì)粘土的穩(wěn)定隔水性能。

表1 抽水試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Pumping test results

注：標(biāo)“*”表示主井水位，“△”表示未觀測(cè)到水位有明顯下降。

圖5 第一承壓含水層抽水s-t曲線(xiàn)Fig.5 s vs t curve of the first confined aquifer

圖6 第二承壓含水層抽水s-t曲線(xiàn)Fig.6 s vs t curve of the second confined aquifer

抽水試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)護(hù)筒及西線(xiàn)隧道進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，未觀測(cè)到地層有明顯的沉降。

3.5 參數(shù)計(jì)算

3.5.1 第一承壓含水層

選用帶2個(gè)觀測(cè)井的承壓含水層完整井公式：

(1)

(2)

式中：K——滲透系數(shù)，m/d；Q——抽水量，m3/d；r1、r2——兩個(gè)觀測(cè)井至抽水井的水平間距，m；s1、s2——兩個(gè)觀測(cè)井內(nèi)的水位降深，m；M——含水層厚度，m；R——影響半徑，m。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)，計(jì)算得到第一承壓含水層滲透系數(shù)為1.508 m/d，影響半徑為70 m，見(jiàn)表2，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，砂性地層的影響半徑可達(dá)500 m左右，計(jì)算值偏小，建議影響半徑按300 m取值。

表2 第一承壓含水層計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of the first confined aquifer

3.5.2 第二承壓含水層

該層僅布置1口非完整井抽水，且無(wú)觀測(cè)井，選用承壓非完整井單孔抽水計(jì)算公式：

(3)

(4)

式中：rw——抽水主井井徑，m；sw——抽水主井水位降深，m；l——過(guò)濾器長(zhǎng)度，m。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3)、(4)，計(jì)算得到第二承壓含水層滲透系數(shù)為2.75 m/d，影響半徑為630 m，見(jiàn)表3，考慮到主井井損的影響，計(jì)算結(jié)果偏小。

表3 第二承壓含水層計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of the second confined aquifer

4 隧道修復(fù)降水方案

4.1 降水井布置

考慮到地質(zhì)條件復(fù)雜，在東線(xiàn)隧道繼續(xù)施工期間隧道外部降水、隧道抽水、外套管下沉等施工時(shí)，將不可避免的對(duì)隧道周?chē)馏w產(chǎn)生一定程度的影響。為減小對(duì)已通水的西線(xiàn)隧道產(chǎn)生較大的不利影響，在兩條隧道之間采取高壓旋噴樁隔離，旋噴樁深入⑦層粉質(zhì)粘土層1 m，離東線(xiàn)隧道外側(cè)6 m。

降水井布置時(shí)采用三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析計(jì)算，即根據(jù)工程的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，建立本工程地下水滲流三維計(jì)算數(shù)值模型(圖7)，再將抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入模型，對(duì)降水進(jìn)行模擬分析，得到降水后的等水位線(xiàn)圖(圖8)。

圖7 三維數(shù)值模型離散圖Fig.7 Discrete diagram of the three-dimensional numerical model

圖8 第一層承壓含水層水位標(biāo)高(m)等值線(xiàn)圖Fig.8 Water level contour of the first confined aquifer

從圖8可看出，受隔離墻的影響，當(dāng)修復(fù)段水位降至設(shè)計(jì)要求標(biāo)高-25.0 m，已建西線(xiàn)隧道附近最大水位降至標(biāo)高-10.0 m，隔離墻的繞流阻水效果明顯。總涌水量約1500 m3/d，考慮群井干擾影響，單井出水量按抽水試驗(yàn)時(shí)單井出水量的一半考慮，即200 m3/d，共在隧道東側(cè)布置了12口降水井(包含4口備用觀測(cè)井)，降水井結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)井相同。

4.2 變形分析

降水引起地層的沉降主要有以下2個(gè)因素：(1)降水過(guò)程中，地層中大量的細(xì)顆粒隨降水井抽水被帶走，導(dǎo)致地層沉降，此種沉降一般會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，具有很大的破壞性；本次施工過(guò)程中，降水井出水含砂率<1/10萬(wàn)，避免了細(xì)顆粒被帶走而產(chǎn)生的地層沉降。(2)含水層(組)內(nèi)地下水位的降低，導(dǎo)致土層內(nèi)液壓降低，顆粒間的有效應(yīng)力增加，從而導(dǎo)致松散類(lèi)含水層(組)骨架發(fā)生壓密引起地面沉降，此種沉降等值線(xiàn)與水位等值線(xiàn)形狀相同，不均勻沉降較小。

對(duì)于④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，其上部有約10 m深的地表水體，在降水過(guò)程中，可以始終保持該層不失水，模擬計(jì)算的結(jié)果同樣表明該層水位未發(fā)生變化，該層雖為高壓縮性土，但在降水過(guò)程中，該層不會(huì)產(chǎn)生失水固結(jié)沉降。對(duì)于第二承壓含水層，其與第一承壓含水層之間存在⑦層粉質(zhì)粘土，且降水井濾管并未設(shè)置到第二承壓含水層當(dāng)中，降水過(guò)程中，該層水位不下降，可以不考慮該層因水位降低引起的地層沉降。

綜上分析，降水過(guò)程中會(huì)因水位下降而產(chǎn)生沉降的地層主要是⑥層粉土，而地層沉降對(duì)已建隧道的影響主要表現(xiàn)在不均勻沉降可能會(huì)造成已建隧道管片的拉裂。累計(jì)沉降量可采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)[6]中沉降計(jì)算公式：

(5)

根據(jù)圖8的水位數(shù)據(jù)，可計(jì)算出各點(diǎn)的累計(jì)沉降量，東線(xiàn)隧道最大沉降量約為189 mm，最大不均勻量為1.1 mm/m，西線(xiàn)隧道最大累積沉降量約為77 mm，不均勻沉降約0.58 mm/m，見(jiàn)圖9。雖然累積沉降量較大，但不均勻沉降量小，對(duì)已建隧道的影響小。

圖9 東線(xiàn)隧道累計(jì)沉降量與距離關(guān)系曲線(xiàn)Fig.9 Curve of cumulative subsidence vs distanceof the eastern line tunnel

5 結(jié)論與體會(huì)

本工程采用水下管井降水取代氣壓門(mén)作為隧道修復(fù)過(guò)程中的安全備用措施，同時(shí)又通過(guò)降水井釋放了地層中蘊(yùn)含的豐富沼氣，提高了工程的安全性。通過(guò)本工程的實(shí)施，得到以下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1)地下工程面臨的問(wèn)題絕大多數(shù)是地下水的問(wèn)題，對(duì)地下水的理解與認(rèn)識(shí)是避免及解決地下工程事故的首要前提。

(2)本工程中，通過(guò)對(duì)場(chǎng)地水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，查明江水及下部巨厚的承壓含水層與目的含水層水力聯(lián)系程度差，認(rèn)為可通過(guò)降水的方式來(lái)預(yù)防隧道修復(fù)過(guò)程中再次突涌問(wèn)題，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最后對(duì)整體江上降水方案進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

(3)水位下降引起的沉降主要是均勻沉降，對(duì)形狀構(gòu)筑物，造成破壞的主要是不均勻沉降；施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制降水井質(zhì)量，確保單井出水量及出水含砂率均滿(mǎn)足要求，防止地層細(xì)顆粒流失引起不均勻沉降。

由于本工程降水是作為備用措施，并未進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的降水，未觀測(cè)到隧道沉降變化，在今后類(lèi)似工程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地層沉降的研究。