銀西高速鐵路驛馬一號富水黃土隧道施工地表降水試驗研究

張曉宇，畢煥軍，夏萬云，梁樹文

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

隧道施工與地下水有著密切的聯(lián)系。由于地下水的滲流作用，隧道開挖過程中地下水將滲入隧道，軟化圍巖，對軟質(zhì)圍巖的影響尤其突出[1],因此需要在地表設(shè)置降水深井，使隧道所在地層中的水位降低到施工位置以下，以利于隧道正常開挖。對于山嶺隧道，由于隧道埋深大，降水井深，地表降水方案多應(yīng)用在第三系砂巖、第四系砂礫石等施工難度大的地層中。文獻[2-3]針對蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系富水砂巖施工中出現(xiàn)的問題開展了超前地表深井降水研究，計算了超前地表深井降水的井間距及深度，經(jīng)實施地表降水能有效降低掌子面圍巖的含水率，加快施工進度，降低施工風險。文獻[4-5]針對濱綏鐵路雙豐隧道第三系砂泥巖施工中出現(xiàn)的較大涌水突泥，對比了多種泄水降水減壓方法，得出采用地表降水最有效。文獻[6-7]針對大西客運專線干慶隧道在斜井施工中發(fā)生涌砂及涌泥現(xiàn)象，通過地表降水保證了施工安全。

除了富水砂巖、泥巖隧道，地下水同樣對黃土隧道有很大的危害。對于黃土隧道，地下水的危害主要是降低圍巖強度，加劇圍巖的溶蝕和腐蝕，造成隧道滲涌水[8]。解決黃土隧道滲涌水問題是確保工程安全施工的關(guān)鍵。本文依據(jù)工程實例，采用計算分析和現(xiàn)場試驗的方法對此進行探討。

1 施工中出現(xiàn)的主要問題

銀西高速鐵路驛馬一號隧道位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)，行走于董志塬黃土塬溝壑區(qū)，全長 4 806 m。隧道為25‰單面下坡。地表為上更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，厚度10～20 m，透水而不含水。中更新統(tǒng)離石黃土為一層棕紅色、黃褐色黏質(zhì)黃土，該層上部土顆粒較粗，結(jié)構(gòu)疏松，裂隙發(fā)育，夾多層古土壤和鈣質(zhì)結(jié)核層，是塬區(qū)主要含水層。隧道洞身附近地下水水位埋深40～75 m，其中地下水位以上的黃土以硬塑為主，地下水位以下的黃土以軟塑為主。隧道有2.2 km位于地下水位以下，通過軟塑黃土層時受地下水的影響主要出現(xiàn)以下問題：

1)拱部掉塊

驛馬一號隧道1#斜井施工至X0+208底板進入軟塑黃土層，受地下水的軟化作用，挖掘機、裝載機等重型機械通行困難，素混凝土底板在重車碾壓下出現(xiàn)開裂、破碎情況；同時隧底在機械擾動下成稀泥狀。施工至X0+235處時隧道拱部進入軟塑黃土層，存在掉拱風險。施工至X0+333處時拱部突然出現(xiàn)掉塊，掌子面出現(xiàn)了滑塌，施工受阻，嚴重影響施工安全。

2)斜井滲涌水

2017年3月11日1#斜井開挖至X0+235時，隧底出現(xiàn)滲水，開挖下臺階時拱腳明顯出水，涌水量20～40 m3/d。2017年5月10日在X0+319下臺階打設(shè)泄水孔，最大涌水量達到了400 m3/d，穩(wěn)定后涌水量為200 m3/d。2017年6月25日在X0+358下臺階左側(cè)邊墻突然涌水，最大涌水量600 m3/d，自2017年7月10日涌水量開始減小。根據(jù)隧道7月10日—8月3日洞口涌水量監(jiān)測結(jié)果，涌水量在59～377 m3/d，平均232 m3/d。斜井洞身在硬塑黃土層，土體含水率較低，基本無水滲出；進入軟塑黃土層后，含水率逐漸增加，并由滲水發(fā)展成局部股狀出水，水量達到400～600 m3/d，之后逐漸減小，衰減期半個月左右，水量穩(wěn)定在200～300 m3/d，見表1。

表1 1#斜井施工滲涌水情況匯總

2 降水井設(shè)計

董志塬地區(qū)黃土塬面積大，地形平坦，降雨入滲補給條件好，黃土含水層厚度大，滲透性相對較差，地下水位埋深大，徑流緩慢，排泄條件差。驛馬一號隧道有2.2 km位于地下水位以下，該段多為軟塑黃土。在洞內(nèi)降水干擾大、時間長。針對斜井施工中遇到的問題，為了保證隧道進入正洞后安全快速施工，考慮采取地表管井降水，改善施工條件，降低施工風險。

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2.1 含水層概化

本次設(shè)計主要考慮在DK256+410—DK257+440段總計1 030 m進行地表降水。該段地下水位以下至隧道底板中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土多呈軟塑狀，可概化為均質(zhì)黃土含水層，厚度22～27 m，地下水位埋深50～75 m?？紤]到設(shè)計井深位于洞身以下15～25 m，設(shè)計井深范圍內(nèi)含水層厚度按30～45 m考慮。

根據(jù)水文地質(zhì)勘察及水井調(diào)查結(jié)果，計算出黃土滲透系數(shù)為0.046～0.570 m/d，影響半徑在15～190 m。參考董志塬地區(qū)以往經(jīng)驗，降水井設(shè)計時滲透系數(shù)采用0.25 m/d，影響半徑采用100～150 m。

2.2 設(shè)計井數(shù)計算

按照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[9]中降水井設(shè)計，將降水范圍內(nèi)隧道洞身概化為基坑。以斜井與正洞交叉點DK256+520為例，地下水位埋深約50 m，隧底埋深80 m，基坑地下水位的設(shè)計降深為30 m。降水井布置于隧道輪廓線兩側(cè)4 m處，基坑寬度22 m，根據(jù)在軟塑黃土層斜井施工情況設(shè)計2種工況，降水井間距分別按25，30 m計算，見圖1。根據(jù)概化的基坑模型，計算了影響半徑、基坑總涌水量、設(shè)計井數(shù)以及干擾水位。

圖1 降水井間距25 m時降水井平面布置(單位：m)

降水影響半徑R計算公式為

(1)

式中：Sw為井水位降深，取30 m；κ為含水層滲透系數(shù)，取0.25 m/d；H為含水層厚度，取40 m。

計算得出影響半徑R為190 m，考慮到施工中群井抽水，降水一段時間后，補給來源有限，R取150 m。

基坑降水總涌水量Q的計算公式為

Q=πκ[(2H-Sd)Sd/ln(1+R/r0)]

(2)

式中:Sd為基坑地下水位的設(shè)計降深，取30 m；r0為基坑等效半徑，m。

根據(jù)式(2)計算，降水井間距25 m時總涌水量468 m3/d，降水井間距30 m時總涌水量500 m3/d。

基坑實際面積按22 m ×25 m，22 m× 30 m計算，設(shè)計單井涌水量分100，120 m3/d 2種情況。根據(jù)計算，不同施工進度實際所需的降水井數(shù)基本一致。從總體上來看，疏干22 m×25 m或者22 m×30 m洞身范圍內(nèi)的滲涌水，需要降水井4～6口，見表2。

表2 不同工況下基坑降水所需井數(shù)

2.3 基坑中心地下水位計算

當多個降水井同時工作時，降落漏斗相交處會形成干擾水位，計算模型示意如圖2。

圖2 降水井計算模型示意

單井水位降深38 m，影響半徑150 m，滲透系數(shù)取0.25 m/d。降水井設(shè)計單井涌水量分別為100，120 m3/d，4口降水井同時工作。不同降水井間距下基坑中心地下水位降深可按下式[9]計算，結(jié)果見表3。

(3)

式中:Si為基坑內(nèi)任一點的地下水位降深,m；qj為按干擾井群計算的第j口降水井的單井流量，m3/d；rij為第j口井中心至i點的距離,m，當rij>R時，取rij=R；n為 降水井數(shù)量。

表3 不同降水井間距下基坑中心地下水位降深計算結(jié)果

從表3可知：降水井間距25 m、設(shè)計單井涌水量為120 m3/d時基坑中心地下水位降深可以達到 28 m，水位已降至隧底，并且降水井間距25 m時水位降深比間距30 m時大3 m。

2.4 降水井設(shè)計參數(shù)

通過分析不同井間距的計算結(jié)果，降水井采用管井，建議降水井布置于隧道輪廓線兩側(cè)4 m處，井間距25 m，降水井直徑300 mm，井底位于軟塑黃土層以下15～25 m，井深95～105 m。過濾器布置于黃土含水層中，潛水泵流量10～20 m3/h，揚程大于100 m。

設(shè)計單井涌水量按120 m3/d考慮，單井水位降深35～40 m，可保證地下水位降至隧底，且能滿足設(shè)計降深，同時也可避免過度抽排水造成水資源浪費。

3 降水效果分析

為了檢驗地表降水的效果以及設(shè)計參數(shù)的合理性，在驛馬一號隧道1#斜井進入正洞施工期間，DK256+510—DK256+580段開展了地表降水試驗。自2017年9月15日陸續(xù)開始試驗降水井的施工，總計開挖了6口降水井，井深105～108 m，靜水位在47.0～52.1 m，降水井平均涌水量為31～91 m3/d，排水總量為280～560 m3/d。井內(nèi)動水位達到了86～92 m。從現(xiàn)場施工情況看，隧道洞身已無滲水，地下水位降至隧底以下。

根據(jù)地表降水試驗結(jié)果，采用配線法、直線法、水位恢復法[10]等方法對滲透系數(shù)進行了計算，計算出黃土滲透系數(shù)為0.15～0.38 m/d，影響半徑為181～234 m，滲透系數(shù)、影響半徑與設(shè)計基本一致。

降水期間驛馬一號隧道掌子面黃土含水率由34.4%降到24.4%，最小達到了17.8%；液性指數(shù)從0.84降到了0.30，最小達到了-0.4，黃土呈硬塑狀態(tài)。表明地表降水改善了黃土的物理性質(zhì)，加固了圍巖。

洞身兩側(cè)6口降水井同時工作，地表降水量達到400 m3/d以上，降水40 d左右，可疏干施工范圍內(nèi)的地下水，減小了施工中黃土股狀出水的風險，避免了地下水的軟化作用，同時改善了隧道洞內(nèi)的掌子面掘進條件，降低了施工安全風險。

4 結(jié)語

銀西高鐵驛馬一號隧道通過董志塬時有2.2 km位于地下水位以下，受軟塑黃土及地下水的影響，1#斜井在施工中出現(xiàn)了滲涌水、隧底軟化、掌子面滑塌失穩(wěn)等問題。因此采用了地表降水輔助施工方案，并進行了地表降水設(shè)計。通過計算分析不同設(shè)計單井涌水量、不同井間距下地表降水方案，最終建議降水井布置于洞身兩側(cè)4 m處，井間距25 m，井深位于軟塑黃土層以下15～25 m。

經(jīng)地表降水試驗，洞身兩側(cè)6口降水井同時工作，地表抽排水量達到400 m3/d以上，降水40 d左右，可疏干施工段落的地下水。同時降低了隧道洞身黃土的含水率和液性指數(shù)，改善了洞身黃土的物理性質(zhì)，提高了圍巖的穩(wěn)定性。