復(fù)合降水措施在穿黃工程南岸的應(yīng)用

李峰

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 工程概況

南水北調(diào)中線穿黃工程南岸位于河南省滎陽(yáng)市境內(nèi)，工程包括南岸連接明渠、退水建筑物、隧洞進(jìn)口建筑物、穿黃隧洞進(jìn)口段（含檢修通道）、跨渠建筑物工程等。其中南岸連接明渠長(zhǎng)4 628.57 m，為深挖方渠道。退水洞出口與黃河相通，總長(zhǎng)790.00 m，縱坡為2.09%，襯砌后斷面為帶仰拱的城門(mén)洞型，斷面尺寸為4.20 m×5.80 m（寬×高）。穿黃隧洞進(jìn)口段為盾構(gòu)機(jī)接收洞，根據(jù)所處位置分A（左側(cè)）、B（右側(cè)）兩洞，兩洞結(jié)構(gòu)形式相同，長(zhǎng)35.00 m，縱坡為4.91%。隧洞襯砌后斷面為圓形，進(jìn)口漸變段長(zhǎng)15.00 m，洞直徑由11.00 m漸變至9.40 m，洞身段長(zhǎng)20.00 m，直徑9.40 m，洞身段末端設(shè)1.00 m厚混凝土堵頭。

2 水文地質(zhì)狀況

南岸連接明渠及隧洞進(jìn)口建筑物段位于邙山嶺南寬廣平緩的沖積平原區(qū)，平均自然坡降2%～4%，呈由西北向東南逐漸降低趨勢(shì)。渠坡上部為alQ4粉質(zhì)壤土或alQ3黃土，中部主要為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土層，渠道底板以下為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土層。沿線地下水位高于渠底板2.00～40.00 m，部分區(qū)域地下水埋深不足2.00 m。

退水洞洞身段樁號(hào)0+064.33～0+259.40 m段隧洞圍土為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，土質(zhì)均一，呈可塑狀，局部呈軟塑狀，土體強(qiáng)度低，滲透系數(shù)為1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性；樁號(hào)0+259.40～0+863.84 m段為al+plQ2粉質(zhì)壤土，中間夾兩層古土壤層，粉質(zhì)壤土呈可塑～軟塑狀，古土壤呈硬塑狀，強(qiáng)度相對(duì)較高。古土壤層和粉質(zhì)壤土層滲透系數(shù)分別為1.0×10-7～1.0×10-6cm/s和1.0×10-6～1.0×10-5cm/s，具弱透水性。退水洞地下水呈南高北低態(tài)勢(shì)，沿線地下水位為140.00～113.00 m，高出隧洞底板19.00～29.50 m。

穿黃隧道進(jìn)口段地層結(jié)構(gòu)上部為alQ3黃土（⑥、⑦層），厚25.65 m。中下部為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土（⑨上、⑨-1、⑨夾、⑨-2、⑨下層），層厚25.23 m，其中⑨-1、⑨-2兩層為飽和軟黃土狀粉質(zhì)壤土。隧洞進(jìn)口區(qū)地下水位約140.00 m，高出隧洞底板約37.00 m，圍土滲透系數(shù)為1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。

工程區(qū)地下水按其賦存條件及性質(zhì)為孔隙裂隙水，地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。黃土地層黏性土顆粒表面有弱結(jié)合水存在，弱結(jié)合水可從水膜厚的地方向水膜薄處移動(dòng)，不受重力影響。工程前期勘察發(fā)現(xiàn)，在鄰近隧洞進(jìn)口建筑物的邙山嶺上存在分水嶺，分水嶺以南地下水位逐步降低，分水嶺以北地下水則直接補(bǔ)給黃河，在黃河南岸坡腳多有出水點(diǎn)。退水洞出口端開(kāi)挖期間，因洞底高程低于黃河水面線，隧洞開(kāi)挖后黃河水對(duì)地下水構(gòu)成反向補(bǔ)給。

3 管井降水研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)

工程開(kāi)工后，曾在明渠中段地下水埋深較淺處試開(kāi)挖，坑內(nèi)有大股水涌出，坑壁隨即垮塌，證明集水明排方案不具可行性，遂著手組織開(kāi)展單井抽水和群井降水生產(chǎn)性試驗(yàn)。單井抽水試驗(yàn)表明，單井最大出水量約20.00 m3/h，土層滲透系數(shù)與招標(biāo)文件基本相符。

群井降水生產(chǎn)性試驗(yàn)歷時(shí)40 d，初期在渠道兩側(cè)坡頂各布置1排深井，井間距30.00 m，后期在渠道中心線增加1排降水井。試驗(yàn)實(shí)施后，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下水位由初始134.50 m降至120.00 m以下，前7 d的降深在8.00 m左右，之后仍緩慢下降。單井出水流量隨著抽水時(shí)間增長(zhǎng)逐漸變小，最終穩(wěn)定在2.00 m3/h。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)渠道中線附近地下水位一直處于高位，說(shuō)明兩側(cè)的地下水沒(méi)有被充分截?cái)唷?/p>

試驗(yàn)結(jié)論：管井降水方案可行，現(xiàn)有降水井布置方案優(yōu)化后可作為明渠及進(jìn)口建筑物的主要降水手段。根據(jù)土料含水率監(jiān)測(cè)和試挖情況，超前1個(gè)月降水可滿(mǎn)足開(kāi)挖要求。

3.2 降水設(shè)計(jì)方案

井位布置以滿(mǎn)足地下水疏干為前提，并盡可能減少施工干擾，避免侵入渠道過(guò)流斷面?；谏鲜隹紤]，降水井由試驗(yàn)段內(nèi)3排變更為2排，分別布置在渠道兩岸130.00 m高程的馬道內(nèi)側(cè)5.00 m位置。調(diào)整后的降水井排距在100.00 m以?xún)?nèi)，可保證中心區(qū)降水效果。井口高程為130.50 m，多數(shù)區(qū)段可干地開(kāi)挖至130.00 m高程馬道后再成井，避免后期反復(fù)拆卸井管。

鑒于黃土地層的特殊性，井間距由30.00 m加密為20.00 m。根據(jù)其他工程資料及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況，黃土地層地下水降落漏斗形態(tài)與砂石地層有顯著差異，因?yàn)樗S值的原因，臨近井管處的水力坡度異常陡峭，遠(yuǎn)端才逐步減緩。井間距加密后，可確保相鄰井間的降水漏斗有效重疊，便于形成可靠的截水屏障。

降水井深度按低于渠底板25.00～30.00 m控制，與一般降水井相比超出很多。主要原因在于：既要考慮水躍值的影響，以及黃土地層水力坡度的特點(diǎn)，同時(shí)因黃土地層穩(wěn)定出水量小，為避免井內(nèi)水位大幅波動(dòng)和水泵頻繁啟動(dòng)，底部井筒還需要擔(dān)負(fù)一定的儲(chǔ)水功能。前期試驗(yàn)也證明，將井內(nèi)水位維持在較低水平，對(duì)于提高降水速度、增加降水設(shè)計(jì)可靠性都是有益的。

3.3 降水成效與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

管井陸續(xù)投入運(yùn)行后，基本實(shí)現(xiàn)了干地施工?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步摸索發(fā)現(xiàn)，初期略微濕潤(rùn)的開(kāi)挖揭露面晾曬3～5 d后，下一層開(kāi)挖已無(wú)大礙。單井試驗(yàn)階段曾計(jì)算管井影響半徑約60.00 m，后期發(fā)現(xiàn)降水井運(yùn)行后影響范圍要超過(guò)100.00 m，但遠(yuǎn)端水力坡度已非常平緩。根據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)明渠K0+000～1+000 m段降水設(shè)計(jì)進(jìn)行變更，該段設(shè)計(jì)降深不足5.00 m，原計(jì)劃采用輕型井點(diǎn)，后變更為單側(cè)布設(shè)管井，井間距100.00 m，較好地滿(mǎn)足了施工需要。

明渠及進(jìn)口建筑物的成功實(shí)踐證明，黃土地層基坑降水采用管井為主要降水手段是可行的，但也要針對(duì)黃土地層的弱透水特性采取針對(duì)性措施。該類(lèi)地層降水的關(guān)鍵在于截?cái)嗟叵滤难a(bǔ)給通道，降水井?dāng)?shù)量主要由降水漏斗影響范圍決定，與排水量關(guān)系甚小。初期設(shè)計(jì)時(shí)，井深應(yīng)有一定余量，雖然會(huì)增加一部分投資，但與提高降水效果保障率、降低總運(yùn)行費(fèi)用相比，這部分投資是值得的。

4 洞內(nèi)外接力降水研究

4.1 隧洞降水面臨的難題

穿黃隧洞進(jìn)口段洞底高程為進(jìn)口區(qū)域內(nèi)最低點(diǎn)，設(shè)計(jì)降深約37.00 m，洞底板下部為古土壤層。隧洞進(jìn)口建筑物開(kāi)挖可減少洞頂覆蓋層厚度10.00～20.00 m，對(duì)地下水位有正面影響，但隧洞中后部已超出隧洞進(jìn)口建筑物降水井范圍，地下水補(bǔ)給通道并未切斷。若采用單一管井降水方案，通過(guò)增加井深以改善降水效果的方法在古土壤層難以發(fā)揮作用，洞身范圍內(nèi)地下水疏干困難。

退水洞0+068.84～0+800.00 m區(qū)間施工難度大。0+068.84～0+259.40 m區(qū)段隧洞底板以上為均一土層（黃土狀粉質(zhì)壤土），無(wú)隔水層。底板以下存在古土壤隔水層，地下水高于洞頂；0+259.40～0+800.00 m區(qū)段上層古土壤逐步上升至洞身及洞頂以上，下層古土壤在洞底出露后緩慢上升，并最終占據(jù)洞身大部，地下水高于洞頂。兩區(qū)間內(nèi)洞身圍土以富含水的黃土狀粉質(zhì)壤土為主，該類(lèi)土層在開(kāi)挖后短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)冒汗、滑塌等情況。因洞徑略小，且部分古土壤層已進(jìn)入洞身，管井降水效果不佳。

4.2 接力降水設(shè)計(jì)方案

接力降水采用管井洞外降水為主、洞內(nèi)井點(diǎn)降水為輔的設(shè)計(jì)思路。首先在洞外布置真空管井，在井內(nèi)形成負(fù)壓以加快地下水向井內(nèi)流動(dòng)，降低水躍值，將地下水降至洞頂以下上臺(tái)階底部位置，滿(mǎn)足上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)需要。上臺(tái)階支護(hù)完成后，沿兩側(cè)拱腳布設(shè)輕型井點(diǎn)，使地下水進(jìn)一步下降約4.00 m，開(kāi)始施工下臺(tái)階，然后循環(huán)往復(fù)，完成仰拱的分層降水與開(kāi)挖封閉。

穿黃隧洞進(jìn)口段沿洞身兩側(cè)及堵頭外側(cè)布置真空管井，截?cái)嗟叵滤a(bǔ)給通道。洞內(nèi)井點(diǎn)分兩級(jí)設(shè)置，每層井點(diǎn)管距兩側(cè)邊墻0.50 m，縱向間距1.20 m，井管深5.00～6.00 m，外傾角15°，采用水沖法成孔。退水洞沿洞軸線兩側(cè)布置真空管井，間距加密為7.50 m，洞內(nèi)設(shè)輕型井點(diǎn)，布置方案與穿黃隧洞相同。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成效

洞內(nèi)外接力降水在穿黃隧道進(jìn)口段的應(yīng)用較為成功。洞外降水井運(yùn)行1個(gè)月后，地下水位降至上臺(tái)階底面以下，為上臺(tái)階開(kāi)挖創(chuàng)造了條件。洞內(nèi)井點(diǎn)投入運(yùn)行后，作業(yè)面沒(méi)有明水出露，滿(mǎn)足下臺(tái)階及仰拱的施工需要。為降低水力沖孔對(duì)支護(hù)穩(wěn)定的負(fù)面影響，上、下臺(tái)階均設(shè)置了臨時(shí)仰拱，井點(diǎn)作業(yè)時(shí)采取了間隔孔沖水、及時(shí)排水等措施。從變形監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，水力沖孔未產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響，隧洞已開(kāi)挖段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

退水洞0+068.84～0+259.40.00 m區(qū)段地下水均下降至洞頂拱以下，輔以洞內(nèi)井點(diǎn)降水措施，基本滿(mǎn)足開(kāi)挖支護(hù)需要。0+259.40～0+800.00 m區(qū)段施工艱難，進(jìn)口側(cè)逐漸抬升的上層古土壤限制了降水漏斗形態(tài)，地下水位緩慢超過(guò)上臺(tái)階底面高程，洞內(nèi)接力降水無(wú)法實(shí)施。出口側(cè)兩層古土壤均為不透水層，中間的黃土狀粉質(zhì)壤土夾層排水困難、穩(wěn)定性差。該段開(kāi)挖支護(hù)最初采用礦山法施工，后進(jìn)口側(cè)改用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，出口側(cè)使用注漿法施工，最終貫通。

4.4 總結(jié)與反思

接力降水方案在穿黃隧洞進(jìn)口段及退水洞部分區(qū)段取得了成功。真空管井有效改善黃土地層降水效果，洞內(nèi)輔助降水彌補(bǔ)了古土壤對(duì)管井降水漏斗的負(fù)面影響，能有效疏干隧洞圍土。最終方案可行與否的關(guān)鍵在于能否通過(guò)洞外管井將地下水降至洞內(nèi)上臺(tái)階以下，如隧洞中下部存在隔水層，則該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)較困難。此外，真空管井運(yùn)行費(fèi)用高于普通管井，井點(diǎn)降水與開(kāi)挖支護(hù)存在一定干擾。

與穿黃隧洞進(jìn)口段相比，退水洞頂部覆蓋層厚且存在古土壤層，接力降水僅能在部分區(qū)段發(fā)揮作用。施工期間參建各方也多次探討降水的必要性，因?yàn)槿舨荒軐⒌叵滤抵磷鳂I(yè)面下部，則傳統(tǒng)的開(kāi)挖支護(hù)措施很難在黃土滑塌前完成封閉支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)改用其他方案。因此，對(duì)于土質(zhì)均一的富含水黃土隧洞來(lái)講，如長(zhǎng)度不大，可采用接力降水手段；如洞身長(zhǎng)度較大或存在古土壤隔水層，應(yīng)首選盾構(gòu)作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，黃土地層大面積基坑降水宜首選管井降水，輕型井點(diǎn)可作為備用手段。管井設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)黃土地層特點(diǎn)采取增加井深、加密井間距、選用小流量水泵等措施，并增加超前降水時(shí)間。洞內(nèi)外接力降水手段可滿(mǎn)足特定場(chǎng)景下黃土隧洞施工需要，但局限性較大，宜作為備用方案。