降水井在引水隧洞盾構(gòu)法施工中的應(yīng)用

劉 浩

（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西省小浪底引黃工程土洞段施工Ⅶ標(biāo)，盾構(gòu)隧洞全長(zhǎng)5.516 km，樁號(hào)為47+350—52+866，采用海瑞克制造的泥水平衡盾構(gòu)，自大樁號(hào)向小樁號(hào)進(jìn)行掘進(jìn)，為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)泥水平衡盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)施工隧道。本段隧洞多位于地下水位以下，自大樁號(hào)向小樁號(hào)逐漸升高，最大水頭高度約105 m，最大埋深120 m，穿越地層為低液限粘土夾卵石混合土、級(jí)配不良礫（砂）層，地質(zhì)條件對(duì)施工存在不利因素。

為了保證盾構(gòu)設(shè)備安全，在K49+818處增設(shè)中間豎井，作為檢修通道和通風(fēng)作業(yè)通道。結(jié)合該樁號(hào)水文地質(zhì)條件，并考慮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度，在中間豎井四周設(shè)置降水試驗(yàn)井，以便水位降至安全水位，中間豎井能夠順利施工，從而減少盾構(gòu)到達(dá)時(shí)發(fā)生涌砂涌水的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2 降水設(shè)計(jì)

2.1 降水原則

根據(jù)鉆孔資料，中間豎井所處地下水位高出隧洞底部約30 m，勘探深度內(nèi)地層主要以粉質(zhì)黏土層為主，部分埋深為卵石層，盾構(gòu)隧道位于粉質(zhì)粘土層中。根據(jù)降水設(shè)計(jì)原則，本次計(jì)算以K49+818為中心，總長(zhǎng)度20 m范圍內(nèi)的隧道為計(jì)算單元，根據(jù)形狀面積、隧道深度和降水需求，確定降水井相關(guān)參數(shù)。

2.2 涌水量計(jì)算

2.2.1 單元總涌水量計(jì)算

為了查明本段隧洞圍巖滲透性及地下水位情況，采用管井（深井）井點(diǎn)降水。首先將整個(gè)布井范圍作為一個(gè)整體，可看做一口大井（見(jiàn)圖1），根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012），群井按大井簡(jiǎn)化的均質(zhì)含水層潛水非完整井的基坑降水總涌水量，可按下列公式計(jì)算。

式中：Q——基坑降水的總涌水量，m3/d；

k——滲透系數(shù)，取15 m/d；

H0——潛水含水層的厚度，取29 m；

r0——沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑，可按計(jì)算，此處，A為降水井群連線(xiàn)所圍面積，r0取12.18 m；

R——降水影響半徑，應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)確定。

取774 m；

h——基坑動(dòng)水位至含水層底面的深度，約17 m；

l——濾管有效工作部分的長(zhǎng)度，取15 m。

圖1 按均質(zhì)含水層潛水非完整井簡(jiǎn)化的基坑涌水量計(jì)算

2.2.2 單井允許出水量

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012），管井的單井出水能力按下列公式計(jì)算：

其中：q——單井允許出水量，m3/d；

rs——過(guò)濾器半徑，m；

l——過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度，m；

k——含水層滲透系數(shù)，m/d；

計(jì)算得出q的理論值為1 200 m3/d，考慮到該范圍為群井共同抽水，單井出水能力勢(shì)必會(huì)受影響而減少，暫時(shí)按1 000 m3/d考慮。根據(jù)單井出水量合配置水泵，暫按型號(hào)200 QJ50-78/6（流量為50 m3/h，揚(yáng)程為78 m，功率為18.5 kW）考慮，后期根據(jù)降水井實(shí)際抽水情況調(diào)整水泵功率。

2.3 降水井?dāng)?shù)量

根據(jù)公式（1）、（2）、（3），計(jì)算得出n值為3.88，考慮到計(jì)算誤差并四舍五入，推出該段共需布置4口降水井，在盾構(gòu)隧道兩側(cè)間隔8 m均勻布置，每側(cè)降水井間隔20 m。

四口井分別為S1、S2、S3、S4，K49+818 段降水井布置示意圖見(jiàn)圖2。（注：G1、G2為水位觀(guān)測(cè)孔，不在本方案設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。）

圖2 降水井布置示意圖

2.4 降水井深度

降水井的深度的確定有很多種方法，如劉廣仁[3]在西氣東輸二線(xiàn)盾構(gòu)施工降水方案中所采用的方法，也可以根據(jù)降水井結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足的技術(shù)要求來(lái)綜合確定。本工程根據(jù)《管井技術(shù)規(guī)范》（GB 50296-2014），降水管井的深度按疏干井公式計(jì)算：

式中：HW——降水管井的深度，m；

HW1——自地面算起至設(shè)計(jì)要求的動(dòng)水位之間的深度，取46 m；

HW2——變化水深，在降水管井分布范圍內(nèi)，為兩排井間距的1/10～1/15，m；

i——水力梯度；

r0——降水管井分布范圍的等效半徑或降水管井排間距的1/2；兩排井間距約22 m，HW2約為2 m；

HW3——從HW2以下算起至最下部過(guò)濾器底端的長(zhǎng)度，m；

HW6——沉淀管長(zhǎng)度，取2.0 m。

根據(jù)《管井技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算得出有效濾管長(zhǎng)度約為20 m，一般情況下，有效濾管長(zhǎng)度占據(jù)總濾管長(zhǎng)度的50%～85%，考慮井損的影響，暫取HW3為21 m；經(jīng)過(guò)計(jì)算，降水井深約71 m。

2.5 降水井結(jié)構(gòu)及布置

本工程涌水量大、水位降深大，所需水泵揚(yáng)程高，水泵的外徑一般為250 mm。而井管內(nèi)徑至少需大于水泵外徑50 mm，故本次管內(nèi)徑按400 mm考慮，成孔直徑按700 mm進(jìn)行實(shí)施。采用6 mm厚鋼管，濾管為橋式濾水管，濾管僅設(shè)置在粘土層中，防止抽取上部1～3卵石層地下水；濾管外包40目錦綸濾網(wǎng)，采用瓜子片濾料回填至濾管頂部以上，其上回填粘土球止水，防止1～3卵石層地下水進(jìn)入降水井，詳見(jiàn)圖3。

圖3 K49+818里程處降水井結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 井管材質(zhì)對(duì)比

目前，市場(chǎng)上用于降水井的管材主要有鋼制井管和水泥井管，其優(yōu)劣主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.6.1 盾構(gòu)施工安全影響比較

根據(jù)總體施工規(guī)劃，降水井布設(shè)于隧道兩側(cè)，距離隧道外邊線(xiàn)約8 m，位于盾構(gòu)施工影響的三倍洞徑范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)不可避免地?cái)_動(dòng)周?chē)貙樱沟玫貙影l(fā)生擠壓和變形等。由于水泥管剛度低于鋼管，水泥管的抗彎、抗拉、抗壓強(qiáng)度，以及接頭側(cè)向受力更是明顯低于鋼管，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中可能出現(xiàn)井管局部錯(cuò)位變形的可能，進(jìn)而導(dǎo)致不能正常降水甚至降水井損壞。

2.6.2 井損系數(shù)比較

在相同地層相同井結(jié)構(gòu)條件下，井損越小，降水井發(fā)揮的功效越大，單井出水量越大，目的區(qū)域的水位降深越大，所需降水井?dāng)?shù)量也會(huì)相應(yīng)減少。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，鋼制井濾管與水泥管濾管相比，其井損相對(duì)更小，更易控制成井質(zhì)量及綜合成本。

2.6.3 施工風(fēng)險(xiǎn)比較

由于本區(qū)域地層主要以砂卵石為主，如果使用內(nèi)徑400 mm的水泥管，外徑會(huì)達(dá)到500 mm，成孔直徑必須達(dá)到800 mm才能保證成井質(zhì)量。缺點(diǎn)有：沖擊鉆成孔時(shí)間將增加20%左右；成孔直徑越大，塌孔的概率越高；根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，同直徑等深度的降水井，下水泥管的平均時(shí)間比下鋼管多一倍有余；本區(qū)域內(nèi)地下水較為豐富，施工過(guò)程中漿液濃度極易被地下水稀釋?zhuān)煽字睆皆酱?，施工時(shí)間越長(zhǎng)，護(hù)壁漿液被稀釋的就越厲害，塌孔、縮孔幾率將會(huì)加大。

2.6.4 施工成本比較

400 mm的水泥井管比400 mm的鋼井管節(jié)約費(fèi)用約為238元/m（其中鋼井管單價(jià)約為318元/m，水泥井管單價(jià)約為80元/m），成孔直徑800 mm的水泥井管比成孔700 mm的濾料、粘土球、40目錦綸濾網(wǎng)等輔材增加費(fèi)用約57元/m，人工費(fèi)增加約20%，即57元/m，機(jī)械設(shè)備費(fèi)增加約20%，即126元/m。故不論采用水泥井管還是鋼井管，總體費(fèi)用相差不大。

綜上所述，建議成井管材采用鋼井管。

3 試驗(yàn)成果

3.1 群井抽水試驗(yàn)

試驗(yàn)前通過(guò)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)井內(nèi)靜止水位可知，試驗(yàn)井內(nèi)初始水位埋深約為26 m。鑒于本次試驗(yàn)井施工時(shí)豎井已進(jìn)入挖土降水階段，為確保豎井順利施工，故每完成1口試驗(yàn)井立即投入運(yùn)行。試驗(yàn)井開(kāi)啟順序?yàn)镾1、S2、S3、S4，陸續(xù)開(kāi)啟S1（井深71 m、抽水泵額定流量40 m3/h）、S2（井深71 m、抽水泵額定流量50 m3/h）、S3（井深71 m、抽水泵額定流量32 m3/h）、S4（井深71 m、抽水泵額定流量50 m3/h）進(jìn)行群井試驗(yàn)，維持4口井群井持續(xù)抽水約1 d后，水泵出現(xiàn)“喘氣”現(xiàn)象，且動(dòng)水位已經(jīng)在水泵進(jìn)水口位置（埋深67 m），說(shuō)明目前的水泵型號(hào)滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，停抽一口作為觀(guān)測(cè)井，其余3口試驗(yàn)井繼續(xù)保持抽水狀態(tài)，觀(guān)測(cè)井水位基本穩(wěn)定后，實(shí)測(cè)其水位埋深，詳見(jiàn)表1。

表1 觀(guān)測(cè)井水位埋深情況

通過(guò)分析表1，3口井抽水時(shí)，最大水位埋深為34.0～35.3 m，相比初始水位，水位降深為8～9.3 m，其中停抽S1時(shí)水位為34.0 m，為最不利水位。

3.2 單井抽水試驗(yàn)

單井抽水試驗(yàn)時(shí)，選擇S2作為抽水試驗(yàn)井，S1、S3作為觀(guān)測(cè)井，持續(xù)抽水18 h后停抽恢復(fù)至水位相對(duì)穩(wěn)定，采用額定流量為50 m3/h的抽水泵，單井平均出水量約56.75 m3/h。試驗(yàn)期間豎井內(nèi)持續(xù)進(jìn)行排水，且各觀(guān)測(cè)井均在抽水停止后才進(jìn)行水位觀(guān)測(cè)，故單井抽水試驗(yàn)期間初始水位較群井試驗(yàn)期間相比有較大的下降，水位埋深為32.11～40.3 m，水位降深為3.11～5.4 m。詳見(jiàn)表2、圖4。

表2 單井抽水期間各觀(guān)測(cè)井內(nèi)的水位變化

圖4 單井抽水時(shí)觀(guān)測(cè)井水位埋深與時(shí)間變化歷時(shí)曲線(xiàn)

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

本試驗(yàn)段盾構(gòu)底埋深為61.4 m，后續(xù)考慮將水位降至盾構(gòu)底以上10 m處，即需將水位控制在51.4 m處。根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果可知，目前已施工的4口試驗(yàn)井難以達(dá)到將水位控制在盾構(gòu)底以上10 m的要求。后續(xù)計(jì)劃在現(xiàn)有4口試驗(yàn)井的基礎(chǔ)上新增2口試驗(yàn)井，井深75 m，再次進(jìn)行抽水試驗(yàn)，通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果確定最終降水井?dāng)?shù)量。

4 結(jié)論

本工程進(jìn)行降水試驗(yàn)井設(shè)計(jì)，一是為了實(shí)測(cè)出地下水位；二是實(shí)測(cè)出單井出水量，確定水泵配置；三是復(fù)核水文地質(zhì)參數(shù)；四是觀(guān)測(cè)水位能否降至設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐證明，通過(guò)降水井抽水試驗(yàn)，可以準(zhǔn)確掌握盾構(gòu)區(qū)間靜止水位、出水量、動(dòng)水位、恢復(fù)水位以及水位穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間等參數(shù)，為盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)提供了保證。同時(shí)，優(yōu)化降水井結(jié)構(gòu)，為后續(xù)降水井的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。