胡麻嶺隧道第三系富水砂巖地表深井降水研究

畢煥軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

胡麻嶺隧道第三系富水砂巖地表深井降水研究

畢煥軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

胡麻嶺隧道為蘭渝線重點控制性工程，隧道中部通過長4 250 m的第三系弱膠結(jié)含水粉細砂巖，在地下水作用下，掌子面開挖擾動后工程性質(zhì)迅速惡化，基本呈散砂、稀糊狀，局部還伴有涌水涌砂現(xiàn)象，施工受阻。針對這種情況，洞內(nèi)開展了集水井降水、井點降水、分步超前降水、邊墻側(cè)向深井降水、輕型井點(真空降水)、水平旋噴、注漿固結(jié)、冷凍固結(jié)等研究試驗，確定采用洞內(nèi)深井與輕型井點相結(jié)合施工降水方案。但受巖層地下水水頭高、滲透系數(shù)小、洞內(nèi)降水作業(yè)工序繁雜及降水后達到開挖條件的周期長等影響，施工進度滯緩，因此研究地表深井預降水。通過對工程場地水文地質(zhì)條件、施工現(xiàn)狀、工法等綜合分析，進行現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗，分析計算采用地表深井預降水的井間距離及設計深度。

鐵路隧道；第三系；富水砂巖；深井；降水

1 工程概況

胡麻嶺隧道位于甘肅省榆中縣與定西縣境內(nèi)，穿越黃土高原梁、峁區(qū)，地表覆蓋厚度較大的第四系砂質(zhì)黃土，下伏第三系砂巖夾泥巖、砂巖夾礫巖和白堊系泥巖夾砂巖[1]。隧道長度13 611 m，共設6個斜井和1個豎井，其中第三系弱成巖含水粉細砂巖段(DK75+350～DK79+600)設置有3號、4號、5號、8號斜井及7號豎井，隧道埋深在100～200 m。隧道通過區(qū)地下水類型為孔隙、裂隙潛水，水位埋深一般在80～100 m，溝谷區(qū)埋深較淺，一般在10 m左右，地下水的富集程度受地層巖性、地貌形態(tài)影響較為明顯。

2 施工中出現(xiàn)的主要問題

胡麻嶺隧道通過的第三系砂巖成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)[2]，無地下水時，圍巖整體穩(wěn)定性較好，含水地段，掌子面在開挖擾動、遇水浸泡后軟化現(xiàn)象十分明顯。同時，開挖擾動后，在地下水靜水頭壓力作用下，還往往形成孔隙擴張，造成地下水的相對富集，導致掌子面局部出現(xiàn)涌水、涌砂且有外擠現(xiàn)象[3-4]。表1為隧道施工中地下水初見水位的高程及涌水量，數(shù)據(jù)顯示第三系砂巖區(qū)地下水水位相對穩(wěn)定，具有統(tǒng)一的自由水面，富水性較好。

表1 施工中各掌子面出水情況統(tǒng)計

隧道及斜井開挖遇到地下水后，現(xiàn)場施工出現(xiàn)的問題主要如下。(1)砂巖成巖性差，受地下水作用，掌子面開挖后3～5 h為圍巖開始塑性變形的臨界時間點，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時間點，發(fā)生流變后呈散砂狀、稀糊狀。(2)下半斷面拱架接腿施工難度極大，開挖時砂隨水快速流出[5]，造成拱架背后脫空，兩側(cè)邊墻極易垮塌，鋼架多次分段連接，不能及時封閉成環(huán)。(3)隧道變形大，施工中需采用加設橫撐或臨時仰拱等措施控制變形；已支護地段變形不穩(wěn)定，伴有混凝土噴層剝落、鋼架扭曲現(xiàn)象。(4)在水頭差的作用下掌子面開挖時常伴有全斷面滲水、局部股狀涌水、涌砂現(xiàn)象，涌水時水流帶走砂粒，導致掌子面前方或邊墻背后巖體結(jié)構(gòu)破壞[6，-]，出現(xiàn)坍塌，形成空腔，施工風險極大。

針對施工中出現(xiàn)的這些問題，在洞內(nèi)開展了以降水為主線的施工方案試驗研究，但受各種因素影響，施工進度依然緩慢，為此又提出了地表超前預降水的輔助施工方案，并開展了現(xiàn)場試驗研究。

3 現(xiàn)場試驗及觀測

3.1 抽水試驗

為掌握第三系含水砂巖的水文地質(zhì)參數(shù)及降水井漏斗的影響范圍，為地表降水井布置取得較為適合該類地層的參數(shù)，在DK78+050設計主抽水孔1孔，觀測孔4孔，呈一字排列，前4個鉆孔的孔間距2.5 m，第5孔與第4孔間距為3m，試驗結(jié)束后對觀測孔1進行了水位恢復觀測。

根據(jù)抽水試驗資料，采用了裘布依穩(wěn)定流抽水試驗滲透系數(shù)計算理論(一個觀測孔的計算公式)、非穩(wěn)定流抽水試驗滲透系數(shù)計算理論(配線法和直線法)、水位恢復試驗法等3種方法對滲透系數(shù)進行了計算[8-9]。

3.2 降水漏斗觀測

抽水試驗完成后，為掌握降落漏斗的發(fā)展情況，又進行了兩次增大抽水孔出水量、利用觀測孔監(jiān)測水位變化的降水試驗，以掌握降水時降落漏斗的變化情況。觀測試驗兩次共進行了15 d，觀測數(shù)據(jù)顯示，第一次降落漏斗曲線與水平面夾角為56°，第二次夾角為59°，表明隨降深的增加，降落漏斗曲線與水平面夾角增大，但降水影響范圍呈收斂態(tài)勢。

4 地表深井降水設計參數(shù)計算

4.1 場地含水層水力特征

在進行降水井設計參數(shù)計算前，需對場地含水層水力特征進行概化[10]，概化主要包括三個方面：一是滲流是否符合達西流；二是水流呈平面運動還是三維運動；三是水流呈穩(wěn)定流還是非穩(wěn)定流。從空間上看，本區(qū)地下水流整體上以水平運動為主、垂向運動為輔，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，地下水運動符合達西定律。根據(jù)隧道施工揭示的不同地貌單元第三系含水砂巖的地下水位變化情況，計算含水層厚度30～48 m，概化為均質(zhì)體潛水含水層，根據(jù)現(xiàn)場試驗滲透系數(shù)取平均值0.267 m/d。

4.2 單井降水井設計井深度計算

依據(jù)上述概化條件，設計降水井為井壁井底同時進水，其含水層厚度為H，地下水的水位處于天然水位狀態(tài)，即天然水平面A-A，當從井中抽水，井中和四周附近地下水位降低，在含水層中形成了以井中垂直軸線對稱的浸潤漏斗面，如圖1所示。

圖1 潛水非完整井示意

在離井中心r處滲流的浸潤面上的點的高度為z，z′為該點到天然水面的距離，z′=H-z，而過水斷面為一與井同心的圓柱面，其面積為w=2πrz，又設其滲流為漸變滲流，則過水斷面上各點的水力坡度J=dz/dr。

根據(jù)達西定律，過水斷面上的各點滲流流速u都相等，因而斷面平均流速v也等于滲流流速u，故v=u=kJ，k為土體滲透系數(shù)。

經(jīng)此漸變圓柱面的滲流量為

進而得到潛水井的浸潤曲線方程為

式中,r0為井的半徑;h為井中水位。

對于井的影響半徑R，在浸潤漏斗上，有半徑r=R的一個圓，在R范圍內(nèi)，浸潤漏斗的下降H-z趨于零，即天然地下水位不受影響，距離R即稱為井的影響半徑，則產(chǎn)水量Q為

式中,對于一定的水量Q，S為水位降深，S=H-h。

結(jié)合上述關系，最終獲得浸潤線的計算關系即z′和r的關系

設降水井擬開采量為一定值，采用抽水試驗中的最大降深、地下水水位預測值對隧道位置的水位下降值進行計算。降水井正常降水時，降水曲線達到掌子面中心底板時[11]，認為降水井產(chǎn)生理想效果，此時公式存在水位降深和影響半徑兩個參數(shù)s和r。設計降水井距離隧道外側(cè)邊界4 m，隧道直徑14 m，即r=11 m，此時z′為40 m，單井產(chǎn)水量150 m3/d，根據(jù)以上條件可計算降水井井底與隧道底板的距離為22 m。

4.3 井群降水設計井深度計算

根據(jù)現(xiàn)場試驗，隧道底板距離含水層靜水位高度為20 m，當多個降水井同時抽水時，降落漏斗相交處水位會形成干擾水位，計算模型見圖2。

圖2 干擾降水井模型示意

設計抽水井4座對稱布置，井深位于隧道底板下20 m，有效降深35 m，總出水量Q=600 m3/d，有效含水層厚度H取35 m，影響半徑R取50 m，j=n=4，r=11 m，依據(jù)公式[12]

si=23.1m

根據(jù)以上計算，井群抽水隧道中心水位降深23.1 m，降至隧道底板下3.1 m，從計算看出，井群抽水與單井抽水水位降深相差不大。

4.4 降水井距離確定

降水井間距離與降深成正相關關系，設計降水井越深，井間距離也相應加大，但井間距離大，降水達到無水施工相應的時間變長。根據(jù)現(xiàn)場試驗計算，第三系砂巖有效影響半徑約30 m，考慮隧道寬度、設計井深度、成井工藝、降水時間等綜合因素，計算分析設計井經(jīng)濟合理的井間距離為22 m，在實施過程中根據(jù)地形條件采用20～22 m。

5 結(jié)語

第三系弱膠結(jié)含水砂巖天然狀態(tài)時處于較密實狀態(tài)，開挖擾動后基本呈散砂、稀糊狀，局部還伴有涌水涌砂現(xiàn)象，工程性質(zhì)迅速惡化。同時，擾動后往往產(chǎn)生孔隙擴張，靜水壓力增大，洞內(nèi)實施井點降水鉆探過程中易形成涌砂或包裹鉆具現(xiàn)象，成孔十分困難，試驗中成孔深度很難達到20 m，降水效果受到限制。通過現(xiàn)場試驗及理論計算研究，地表降水井在隧道兩側(cè)對稱布置，距離洞室輪廓線外側(cè)邊緣4～6 m，每側(cè)井間距離20 m，降水井深入洞底高程以下20 m。此外，從現(xiàn)場抽水時水位降深過程分析，開始抽水至120 min時其水位降深已達平衡時的95%，說明受第三系砂巖滲透系數(shù)小影響，加大抽水時間對降深影響不明顯。因此，隧道開挖前應采取預降水措施，現(xiàn)場實踐及分析認為，采用預降水2個月左右的時間可達到預期效果。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.第三系砂巖復雜水穩(wěn)特性專題研究報告[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2011．

[2] 王文斌.蘭州地區(qū)第三系風化紅砂巖工程地質(zhì)特性研究[J].蘭州鐵道學院學報，1997(1)：24-28.

[3] 曹峰.蘭州第三系砂巖水穩(wěn)性特征隧道施工研究[J].鐵道工程學報，2012(12)：21-23．

[4] 魏國俊.程兒山隧道第三系砂巖施工地質(zhì)問題研究[J].鐵道標準設計，2013(7)：87-89．

[5] 董蘭鳳.蘭州第三系砂巖工程特性研究[J].蘭州大學學報，2003(11)：90-93．

[6] 陳斌斌.蘭州市區(qū)紅層砂巖地基承載力探討[J].甘肅科技，2003(11):141-142．

[7] 王志強.甘肅引洮工程重大工程地質(zhì)問題研究[D].蘭州:蘭州大學，2006．

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB 10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2004．

[9] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1999．

[10]周正禮.天津某交通樞紐場地水文地質(zhì)特征與工程降水建議[J].鐵道標準設計，2012(1)：70-73．

[11]中華人民共和國建設部.JTJ/T 111—98建筑與市政降水工程技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999．

[12]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．

Research on Surface Dewatering with Deep Well in Tertiary Water-rich Sandstone of Humaling Tunnel

BI Huan-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd.，Xi’an 710043，China)

Humaling Tunnel， an important controlling project of Lan-Yu Railway， goes through weak cementation aqueous silty sand rock of 4250 meters long in THYPERLINK "javascript∶void(0);"ertiary. The construction is blocked due to the impact of groundwater， and encountered with loose sand or thin paste on account of disturbance after excavation， which makes the engineering works deteriorated rapidly. To solve this problem， experiments such as water-collecting well dewatering， well-points dewatering， advanced step by step dewatering， sidewall lateral deep well dewatering， light well dewatering (vacuum dewatering)， horizontal jet grouting， grouting consolidation and freezing consolidation are employed out in the tunnel. The experimental results support the combination of deep wells and light wells. But the progress is sluggish because of the influence of high water head， the low hydraulic conductivity， the complexity of dewatering process， the extended period from dewatering to excavating. Thus， surface deep well dewatering is proposed and analyzed. This paper focuses on the analysis of the hydrogeological conditions， construction status and construction method， on the hydrogeological experiments， and on the calculation of inter-well distance， designed depth and time of surface dewatering well arrangement．

Railway tunnel; Tertiary; Water-rich sandstone; Deep well; Dewatering

2014-09-28；

2014-10-13

畢煥軍(1964—)，男，教授級高級工程師，1987年畢業(yè)于成都理工學院水文地質(zhì)專業(yè)，工學學士，E-mail：bjj-b@163.com。

1004-2954(2015)07-0116-03

U455.49

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.026