第三系含水砂巖隧道地表深井降水研究

姚建青

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 銀川工程建設(shè)指揮部，寧夏 銀川 750002）

0 引言

第三系含水砂巖在我國西北地區(qū)分布較廣，該地層巖性較單一，多為粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，呈泥質(zhì)弱膠結(jié)，具有高水位、低滲透性的特點(diǎn)，且水穩(wěn)特性較為敏感，其單軸抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度隨含水增大而大幅度下降，開挖擾動(dòng)后自穩(wěn)能力極差，在地下水影響下，極易由原始固結(jié)狀態(tài)向流塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變［1-2］。若處理不當(dāng)極易發(fā)生涌砂等工程問題，造成掌子面前方及拱背圍巖發(fā)生滑塌，形成空腔，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，支護(hù)容易因此發(fā)生侵限及破壞，給保障現(xiàn)場施工人員安全和工期順利完成帶來了極大挑戰(zhàn)［2-6］。

近幾年，我國鐵路隧道修建時(shí)曾多次遇到此類地層，如程兒山隧道［7］、桃樹坪隧道［8］、胡麻嶺隧道［9］等，大量專家學(xué)者對此類圍巖進(jìn)行了研究。在施工工法方面，祁衛(wèi)華［5］針對第三系砂巖的工程性質(zhì)，對該類隧道的各種施工工法進(jìn)行了對比分析，提出“重降水、輔注漿、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的設(shè)計(jì)施工理念。在圍巖特性方面，高勤運(yùn)等［10-12］從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)出發(fā)，對砂巖隧道的變形特征進(jìn)行了分析，揭示了砂巖遇水失穩(wěn)的機(jī)理，得到含水率與圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系，指出降水是保障此類隧道工程施工安全的關(guān)鍵。

因此，針對該類圍巖特殊工程特性，需要制定相關(guān)降水措施以提高圍巖穩(wěn)定性，降低此類圍巖隧道發(fā)生工程事故的概率。在降水措施方面，畢煥軍［9］依托胡麻嶺隧道施工，針對第三系富水砂巖提出了洞內(nèi)深井與輕型井點(diǎn)相結(jié)合的施工降水方案，張建奇［7］則提出輕型真空井點(diǎn)降水與管井降水相結(jié)合的降水措施，在第三系含水砂巖隧道均取得了良好的應(yīng)用效果。在降水井設(shè)計(jì)方面，徐志平［13］通過大量現(xiàn)場降水試驗(yàn)，剖析了第三系含水砂巖的水文地質(zhì)特性，對地表降水井設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了確定。

基于相關(guān)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可知，針對埋深200 m以內(nèi)第三系富水砂巖隧道施工，常規(guī)的洞內(nèi)降水措施不僅需要施工前進(jìn)行降水，并且受限于地層特性，降水效果并不理想，工程進(jìn)度依然緩慢，因此有必要考慮洞外地表降水措施，以保證第三系含水砂巖隧道的施工安全性和施工進(jìn)度。

鑒于以上研究，依托香山隧道第三系含水砂巖段，制定地表超前深井群的降水方案，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，對降水前后的地下水位高程及掌子面含水率變化規(guī)律進(jìn)行分析，對地表深井降水方案的應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)，為此后相關(guān)隧道工程的安全施工提供借鑒。

1 工程概況

香山隧道位于寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)常樂鎮(zhèn)水車村至亂井子附近，穿越香山山脈，隧道起訖里程為DK39+990—DK57+753.3，全長17 763.3 m，是新建中蘭鐵路的重要組成部分。

1.1 地質(zhì)及水文特征

依托香山隧道1#斜井大里程上第三系砂巖段進(jìn)行試驗(yàn)研究，隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)調(diào)查和勘探，1#斜井DK43+925—DK44+515 段圍巖巖性為上第三系中新統(tǒng)砂巖夾泥巖、礫巖，弱風(fēng)化，成巖作用差，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，局部為中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，礦物成分以長石和石英為主，圍巖級別為Ⅴ級。該段內(nèi)大部分地下水位至仰拱底部距離較大，平均厚度約70～80 m，隧道洞身附近天然含水率約10.5%～14.5%，大部分巖層含水率大于塑限含水率。

圖1 第三系砂巖段工程地質(zhì)縱斷面示意圖

1.2 工程難點(diǎn)

由于第三系砂巖具有結(jié)構(gòu)脆弱、強(qiáng)度低、復(fù)雜的水穩(wěn)特性，以及遇水時(shí)工程性質(zhì)迅速惡化的特性，在前期施工時(shí)，掌子面及拱部背后常伴有涌水、涌砂等現(xiàn)象，造成掌子面滑塌，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)侵限等工程問題（見圖2）。不僅施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，還由于需要對上述地段采取反壓回填、注漿加固、支護(hù)拆換等處理措施，耗費(fèi)時(shí)間較長，致使施工進(jìn)度緩慢。

圖2 香山隧道含水砂巖段工程問題

無地下水時(shí)，圍巖整體穩(wěn)定性較好，當(dāng)?shù)叵滤l(fā)育時(shí)，受水浸潤或浸泡后，圍巖軟化，施工擾動(dòng)后多呈粉細(xì)砂狀，呈蠕變流態(tài)?；诂F(xiàn)有研究，香山隧道含水砂巖段制定“重降水、密導(dǎo)管、強(qiáng)支護(hù)、輔注漿、快挖快支快封閉”的施工原則，降水主要采用輕型井點(diǎn)降水和洞內(nèi)真空負(fù)壓降水，但洞內(nèi)降水效果不明顯，砂巖地層含水率隨著降水時(shí)間的增加變化較小，仍時(shí)常出現(xiàn)涌砂等情況，施工進(jìn)度仍然緩慢。因此，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況，對隧道降水方案進(jìn)行調(diào)整，針對性地提出地表深井降水的輔助施工措施。相比洞內(nèi)降水方案，在地表施作對洞內(nèi)施工干擾較小，可以超前隧道掌子面一段距離施作并提前排水，降水效果容易控制。

2 地表深井降水原理及計(jì)算

第三系含水砂巖含水較為均勻，可將該類地層概化為大厚度均質(zhì)潛水含水層。從井中抽水時(shí)，井中和四周附近地下水位降低，在含水層中形成以井中垂直軸線對稱的浸潤漏斗面，對于單排井抽水，在土體水平各向同性條件下，降水漏斗則為以抽水井中心線為對稱的平面曲線（見圖3（a））。但實(shí)際隧道施工時(shí)，為達(dá)到更好的降水井效果，常采用雙排井同時(shí)進(jìn)行降水，此時(shí)降落漏斗相交處會形成干擾水位（見圖3（b））。

圖3 降水井降水示意圖

在計(jì)算降水井設(shè)計(jì)參數(shù)前，需對場地含水層水力特征進(jìn)行概化，概化內(nèi)容主要包括3方面：一是滲流是否符合達(dá)西流；二是水流呈平面運(yùn)動(dòng)還是三維運(yùn)動(dòng)；三是水流呈穩(wěn)定流還是非穩(wěn)定流。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工揭示第三系含水砂巖的地下水位變化情況，計(jì)算含水層厚度取60～120 m，根據(jù)現(xiàn)場資料確定降水井降深為50～90 m，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，滲透系數(shù)取0.02～0.05 m/d。

參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［14］和JGJ 111—2016《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》［15］地下水控制中降水井設(shè)計(jì)方法，基坑地下水位降深應(yīng)滿足：

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1.3Hs（Hs為水位降深和過濾器長度之和），已大于含水層的104 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潛水完整井計(jì)算：

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)；Sd為基坑地下水位的設(shè)計(jì)降深，m；R為降水影響半徑，；r0為基坑等效半徑，（F為井點(diǎn)系統(tǒng)的圍合面積，m2）。

降水井?dāng)?shù)量n按下式確定：

式中：q為單井設(shè)計(jì)流量，m3/d；rs為過濾器半徑，m；l為過濾器進(jìn)水部分長度，m。

將相鄰降水井間的隧道概化為基坑降水進(jìn)行計(jì)算，初擬降水井距正洞兩側(cè)結(jié)構(gòu)外緣凈距5 m，按照隧道進(jìn)度暫按16 m/月考慮，基坑寬為24 m，長度為16 m。計(jì)算含水層厚度H取90 m，降水井降深Sd為70 m，滲透系數(shù)k取0.035 m/d，則降水影響半徑R計(jì)算為248.5 m，基坑面積A為360 m2，等效半徑r0為10.7 m，計(jì)算出基坑總涌水量Q為265.9 m3/d。過濾器半徑取0.15 m，過濾器進(jìn)水部分長度取10 m，則單井流量q為187 m3/d，擬定開挖長度16 m 內(nèi)需要2 孔降水井。

按照規(guī)范要求，根據(jù)式（5）對井點(diǎn)布置方案進(jìn)行驗(yàn)算，滿足Si≥Sd。

3 試驗(yàn)段地表深井降水方案

3.1 降水井位置布置

根據(jù)上述降水原理及計(jì)算方法，降水井距正洞兩側(cè)結(jié)構(gòu)外緣凈距5 m，隧道單側(cè)間距16 m，兩側(cè)梅花形布置，具體位置可結(jié)合現(xiàn)場地形進(jìn)行微調(diào)。針對香山隧道第三系含水砂巖段隧道施工，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)［2，9，13-14］，綜合考慮隧道寬度、降水井深度、成井工藝、降水時(shí)間等綜合因素，擬在第三系含水砂層試驗(yàn)段共設(shè)68 口地表降水井，降水采用自然降水方式。根據(jù)施工進(jìn)度，選擇在1#斜井大里程方向DK43+985—DK44+113 段和2#斜井小里程方向DK44+409—DK44+505 段分別先行設(shè)置18 口和14 口降水井，共計(jì)32 口（見圖4）。此外，在相關(guān)試驗(yàn)段附近設(shè)置共7 口觀測井，以長期對地下水位進(jìn)行觀測，觀測井距正洞兩側(cè)結(jié)構(gòu)外緣1 m，兩側(cè)交錯(cuò)布置。

圖4 降水井和觀測井平面布置圖

3.2 降水井成孔方式及參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，100 m 以上的地表降水井可采用反循環(huán)鉆成孔，該依托工程的降水井成孔直徑為600 mm，井管直徑為300 mm，井深到仰拱下20 m，其中1#斜井大里程方向設(shè)計(jì)井深為140.7～170.5 m，平均井深為157.3 m；2#斜井小里程方向設(shè)計(jì)井深為111.6～133.4 m，平均井深為125.5 m，因此均采用泵吸反循環(huán)成井工藝。

泵吸反循環(huán)是直接利用砂石泵的抽吸作用使鉆桿內(nèi)泥漿上升而形成反循環(huán)。相較于正循環(huán)成井，反循環(huán)上升速度較快，排渣能力強(qiáng)，孔壁不易坍塌。根據(jù)前述設(shè)計(jì)計(jì)算，降水井詳細(xì)構(gòu)造示意見圖5。此外，為保證降水效果，采用群孔降水的方式進(jìn)行降水，每組不少于6～8 眼，且降水實(shí)行超前降水，超前量不低于2周，并根據(jù)降水效果適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

圖5 降水井構(gòu)造示意圖

4 試驗(yàn)段地表深井降水效果分析

分析評價(jià)地表深井降水效果，一是可以通過觀測地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，二是可以根據(jù)隧道洞內(nèi)施工時(shí)的圍巖開挖情況進(jìn)行揭示。

4.1 地下水位高程變化

在降水井成孔、洗井成功后，對各降水井靜止水位進(jìn)行觀測，通過3～4個(gè)月的深井降水后，對各降水井及觀測井的動(dòng)水位高程進(jìn)行觀測統(tǒng)計(jì)，得到試驗(yàn)段降水前后地下水位高程對比（見圖6）。分析圖6可知：

圖6 降水試驗(yàn)段降水前后地下水位對比

（1）降水前，兩試驗(yàn)段內(nèi)各降水井靜止水位高程不一，基巖孔隙裂隙水含水層厚度不均勻，其中1#斜井大里程方向地下水位至仰拱底部距離較大，平均距離70～80 m，2#斜井小里程方向地下水位至仰拱底部平均距離為20～30 m。

（2）地表深井降水后，試驗(yàn)段內(nèi)地下水位降低明顯，平均降低30～40 m，尤其是已施工段的降水井（降2#井、降3#井和降4#井），且由于該處降水井施作及工作時(shí)間較早，現(xiàn)平均總抽水量已超過800 m3，動(dòng)水位已降至仰拱底以下2.5～12.0 m，地表深井降水基本達(dá)到降低地下水位的效果，掌子面的穩(wěn)定性明顯提高；其余降水井目前雖未降水至仰拱高程以下，但隨著工作時(shí)間的推進(jìn)以及抽水量的進(jìn)一步增大，動(dòng)水位高程能夠進(jìn)一步降低，進(jìn)而可保障香山隧道第三系砂巖段施工的安全性。

為更為直觀地對地表深井降水效果進(jìn)行分析，繪制觀測井7#、觀測井8#、觀測井9#及觀測井10#的水位變化曲線見圖7。分析圖7 可知，4 口觀測井均從2021 年11 月16 日開始觀測，觀測井地下水位高程在附近降水井開始抽水后迅速下降，平均下降水位40～50 m，之后水位呈緩慢下降趨勢，但整體水位均低于拱頂，觀測井10#水位更是低于仰拱高程，地表深井降水效果顯著，保障了第三系含水砂巖隧道的安全施工。

圖7 降水試驗(yàn)段觀測井水位變化

4.2 洞內(nèi)圍巖性狀變化

（1）未進(jìn)行地表深井降水前，香山隧道第三系含水砂巖段1#斜井大里程方向施工時(shí)掌子面開挖情況見圖8（a），現(xiàn)場檢測該掌子面圍巖含水率為16%～17%，開挖過程中在掌子面拱部和邊墻出現(xiàn)砂巖軟化、流塑狀外涌，圍巖穩(wěn)定性差，采用洞內(nèi)真空降水效果不佳，且對施工干擾較大，影響施工進(jìn)度和施工安全。

（2） 進(jìn)入地表深井降水段后，掌子面情況見圖8（b），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，洞內(nèi)開挖未見明顯線狀和股狀滲水，掌子面含水率明顯降低，含水率多在11%～14%，且未出現(xiàn)集中的涌水涌砂現(xiàn)象，基巖裂隙水明顯減少，開挖后圍巖有一定的自穩(wěn)性，基本能夠滿足隧道正常施工要求。

圖8 地表深井降水前后掌子面圍巖對比

綜上分析，通過地表深井降水后，地下水位降低明顯，已施工段降水漏斗基本形成，動(dòng)水位高程基本降至仰拱以下，但其余降水井降水深度仍未完全達(dá)到預(yù)期效果，應(yīng)結(jié)合降水井抽水量大小與時(shí)間的關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)整各降水井抽水、關(guān)泵時(shí)間間隔和頻率，建議通過加大泵流量及持續(xù)降水來增大降水井的抽水量，保證各降水井動(dòng)態(tài)水位低于隧道開挖面以下，進(jìn)而保障第三系含水砂巖隧道的施工安全。

5 結(jié)論

依托香山隧道工程，通過對現(xiàn)場施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，提出針對第三系含水砂巖的地表深井降水方案，并從地下水位高程、掌子面圍巖變化情況2方面對降水方案應(yīng)用效果進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

（1）針對第三系含水砂巖隧道，降水是保障施工安全的關(guān)鍵，而洞內(nèi)真空負(fù)壓降水效果并不明顯，圍巖含水率變化較小，可采用隧道地表深井降水的輔助施工措施對該類圍巖隧道施工進(jìn)行處理。

（2）根據(jù)地表深井降水原理進(jìn)行計(jì)算，綜合考慮隧道寬度、降水井深度、成井工藝、降水時(shí)間等綜合因素，確定降水井距正洞兩側(cè)結(jié)構(gòu)外緣凈距5 m，隧道單側(cè)間距16 m，在第三系含水砂層試驗(yàn)段共設(shè)68 口地表降水井，滿足計(jì)算降水需求。

（3）采用地表深井降水后，試驗(yàn)段內(nèi)地下水位大幅降低，平均降低30～40 m，尤其是已施工段的降水井（降2#井、降3#井和降4#井），動(dòng)水位已降至仰拱底以下2.5～12.0 m，并且能夠明顯降低掌子面的含水率，有效提高開挖后圍巖穩(wěn)定性，滿足隧道正常施工要求。

（4）通過現(xiàn)階段地表深井降水后，取得了良好的降水效果，但部分降水井降水深度仍未完全達(dá)到預(yù)期效果，應(yīng)結(jié)合降水井抽水量大小與時(shí)間的關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)整各降水井抽水、關(guān)泵時(shí)間間隔和頻率，以確保降水井動(dòng)態(tài)水位低于隧道開挖面以下，保障第三系含水砂巖隧道的施工安全。