改進型管井降水技術的研究與應用

陳小羊， 徐 桃， 張 浩， 張 峰， 郭茶發(fā)

(1. 中建七局交通建設公司, 河南 鄭州 450004； 2. 中建海峽建設發(fā)展有限公司， 福建 福州 350003)

0 引言

隧道工程施工中經(jīng)常會遇到地下水，尤其在遭遇地質(zhì)不良地段時，如何將地下水對施工帶來的風險降低到可控范圍內(nèi)一直是工程的熱點問題。現(xiàn)有常規(guī)的施工技術是采用洞內(nèi)預注漿堵水和鉆孔引排等措施，但這些措施存在治理費用較高、難度大以及工序繁瑣等不足，同時會對隧道的正常掘進造成一定程度的干擾，并且難以達到徹底治理的效果。相對于注漿堵水或鉆孔引排等事后措施，采用井點降水可以最大程度地避免這些不足。

在隧道施工過程中，如何有效地采用井點降水，許多學者進行了卓有成效的研究。張曉宇[1]在軟塑黃土隧道中開展了超前降水試驗研究，通過地表降水，有效疏干了洞身范圍內(nèi)的地下水，減小了股狀涌水的風險，并降低了洞身地下水壓力； 徐志平[2]根據(jù)地形地質(zhì)條件，對胡麻嶺隧道7號豎井進行了降水試驗并對試驗結果進行了分析，通過試驗，確定了地表降水井的設計參數(shù)，通過降水前和降水后地下水位的變化，驗證了降水井設置的合理性； 王菀等[3]依托蘭渝鐵路桃樹坪隧道洞內(nèi)降水工程，通過降水管設計與施工，對真空輕型井點在洞內(nèi)降水進行了研究； 張再仁[4]在采取了一定程度的加強措施和輔助措施之后，在桃樹坪隧道出口段通過采取深井降水措施，有效改善了施工環(huán)境和施工條件； 王廣宏等[5]以蘭渝鐵路桃樹坪隧道出口現(xiàn)場施工中采用的垂直深井降水和超前真空深孔降水以及輕型井點降水的3級降水技術為例，總結出了一套在富含水未成巖粉細砂地層降水施工技術，為類似地層條件下隧道施工作業(yè)提供了經(jīng)驗； 朱育宏等[6]針對富水復合地層深基坑施工風險較大但是研究較少的重難點問題，以風險源分析為出發(fā)點，結合實際工程案例，歸納富水地層中深基坑開挖的特點和風險，提出了科學合理的降水措施； 馬志富等[7]針對牡綏鐵路雙豐隧道洞身穿越第三系泥巖間夾砂巖地層以及富水等工程條件，結合地層特性，確定了降水的具體措施，較好地控制了隧道變形； 張學文[8]以桃樹坪隧道斜井正洞塌方處治作為工程案例，制定了詳細的降水方案，就富水粉細砂層如何有效處治隧道塌方進行了詳細的論述和總結； 李治國等[9]以位于富水砂層中的聯(lián)絡通道為研究對象，通過對常用的地層加固技術進行技術和經(jīng)濟方面的對比，選擇降水之后再進行注漿止水的施工方案，施工過程中對隧道和地表變形進行監(jiān)測，驗證了方案的有效性； 李鐵生等[10]以北京地鐵8號線王府井站為工程背景，對比研究了地下降水的不同方案，根據(jù)洞樁法的技術特點，創(chuàng)造性地提出在洞樁法車站的上層施工導洞適當放大或進行合并，提供打設降水井的空間，解決了復雜環(huán)境下隧道施工過程中的降水問題。

當前對井點降水的研究中，大部分均是針對降水過程及降水結果等進行理論和數(shù)值分析，較少探討對降水技術的改進。常規(guī)的降水技術中，過濾層是在鉆孔成型之后再采用透水性材料進行回填，但是如果地層條件自身為風化花崗巖之類透水性較好的材料，這會造成一定程度的浪費。在總結常規(guī)管井降水施工技術的基礎上，探討了在強風化花崗巖地層條件下對常規(guī)管井降水施工技術進行改進，形成改進型管井降水技術。該技術將管井周圍的土體直接作為透水性材料，在水井鉆進過程中通過高壓風自動形成反濾層，相對于常規(guī)管井降水技術減少了過濾層包裹和反濾層回填2道工序。以廈門地鐵4號線首開段大帽山礦山法施工隧道為研究對象，結合地層條件，確定了在應用改進型管井降水施工技術時降水井的布置數(shù)量和布置距離，降水結果驗證了該技術具有良好的效果，在類似地層條件下具有一定的推廣價值。

1 改進型管井降水技術原理

1.1 常規(guī)管井降水技術

常規(guī)管井降水施工技術是井點降水的一種，沿著需要降低水位的地表周邊埋設一定數(shù)量的管井，然后直接與抽水設備相連或與總管連接從中抽水，使地下水位降低到合理的高度。常規(guī)排水井系統(tǒng)主要包含過濾管、過濾層、出水管及水泵等，具體組成見圖1。

圖1 常規(guī)管井排水系統(tǒng)

常規(guī)管井降水施工中，過濾層一般采用中粗砂或者砂礫石等透水性材料，管井安裝到位后，將這些材料沿管井四周進行回填。

1.2 改進型管井降水技術

1.2.1 技術原理

改進的管井降水技術主要是針對強風化花崗巖，由于其本身透水性較強，是一種較好的回填材料，如果管井開挖之后再進行回填置換會造成一定程度的浪費，同時影響施工效率。基于此，對常規(guī)管井進行改進，并提出一種改進型管井降水施工技術。該技術與常規(guī)管井降水施工技術的區(qū)別在于將管井周圍的土體作為透水性材料，在水井鉆進過程中自動形成反濾層，這樣就減少了常規(guī)管井降水施工中過濾層包裹和反濾層回填2道工序，并提升了施工效率。改進后的管井構造示意圖見圖2。

圖2 改進型管井構造示意圖

1.2.2 具體做法

1.2.2.1 施工準備

現(xiàn)場提前做好人員、機械設備和材料的準備工作。施工前需對鋼管進行割縫處理，加工鋼管套并與鋼管的一端進行焊接，將管靴與首節(jié)鋼管進行焊接。

1.2.2.2 定井位

根據(jù)降水設計方案提供的井位圖位置，現(xiàn)場放樣確定井位和井間距。正常情況下井位偏差≤50 mm，若遇特殊情況需調(diào)整井位時，可以根據(jù)現(xiàn)場情況做適當調(diào)整。

1.2.2.3 鉆機就位、調(diào)整

履帶式鉆機適應性強，鉆機就位后通過4個液壓支腿來調(diào)整鉆機平整度和鉆塔垂直度，精準對位后進行液壓鎖定，以保證鉆機安裝位置準確，鉆進過程中鉆機平穩(wěn)、鉆塔豎直。

1.2.2.4 鉆進及管井跟進

鉆進前將空壓機的風管與鉆桿頂部進風管連接，供水的高壓泵管與鉆桿頂部的進水管連接；將首節(jié)管井底部通過管靴套在伸縮鉆頭上，頂部通過連接件固定在鉆桿上。開始鉆進時同步啟動空壓機和高壓泵輸送高壓風和高壓水，高壓風和高壓水通過鉆桿經(jīng)鉆頭底部的開孔噴射出來，噴射出來的高壓水氣流夾帶鉆碴沿水井孔壁與滲水管之間的空隙沖向地面，實現(xiàn)鉆進過程中利用高壓水氣流將鉆孔附近的細小顆粒沿井孔吹出地面，未被吹出的粗大顆粒落在管井周邊作為濾料包裹管井，自動形成管井降水的反濾層。鉆進過程中利用鉆頭通過管靴將管井壓入井孔，當首節(jié)管井下降到一定高度時停止鉆進，安裝第2根管井，井管之間通過管套焊接連接。第2根管井安裝好后繼續(xù)鉆進，如此循環(huán)跟管鉆進，實現(xiàn)管井跟進始終與鉆孔同步進行，直至設計標高，形成水井。

1.2.2.5 安裝水泵及水管

選擇揚程不小于100 m、排水量不小于6 m3/h的潛水泵，水管安裝前全面檢查，保證安裝后能平穩(wěn)運行。水泵底距離井底3 m，用鋼絲繩懸掛固定。

1.2.2.6 洗井

水泵及水管安裝到位后，先進行洗井，以便將鋼管內(nèi)外側殘留的少量黏土、粉土、泥漿等影響降水的雜質(zhì)通過洗井排出井外，直至出水完全達到清澈。

1.2.2.7 開始降水

洗井結束后，正式開始降水。抽水開始后，逐一檢查排水管道是否暢通，有無滲漏現(xiàn)象。

2 工程案例

2.1 工程簡介

大帽山隧道屬于廈門地鐵4號線首開段，位于廈門北站東北方向，隧道整體為東西走向，在SDK1+326.5處設置豎井，以此作為暗挖隧道的起點，向東(大里程方向)為暗挖隧道區(qū)間，暗挖隧道全長1 900 m，向西(小里程方向)為盾構隧道區(qū)間。該暗挖隧道為左右分離式，進口端為豎井，進口端130 m范圍隧道埋深32～40 m，主要穿越土層類型從上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中砂、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖。隧道地質(zhì)縱剖面圖見圖3。

圖3 暗挖隧道進口端地質(zhì)縱剖面圖

本區(qū)間礦山法隧道開挖寬7.2 m、高7.5 m、內(nèi)輪廓面積約40 m2，襯砌類型為復合式襯砌，降水段落均為Ⅴ級圍巖，降水范圍主要為進口端130 m。

進口端相關數(shù)據(jù)有： 隧道底高程為-10.5 m，地面高程約為26.4 m，隧道埋深約37.5 m；地下水穩(wěn)定水位埋深約6.5 m(高程20.0 m)，設計水位高程為 -11.0 m(隧道底高程以下0.5 m)，地下水位設計降深為31.0 m。

土層中散體狀強風化花崗巖強度為一般—較高，性狀致密，人工、機械開挖困難，其內(nèi)部裂隙水較發(fā)育，并具有微承壓性。開挖后裂隙水很快滲透至基巖表面，在外界空氣的作用下，基巖表面很快變軟、松散、掉塊，直至坍塌。散體狀強風化花崗巖的這一特性給該段暗挖隧道的正常施工帶來了很大困難，增加了較大的安全風險。

2.2 降水井布置

依據(jù)有關降水的相關著作[11-14]和現(xiàn)場實際情況，在線路左SDK1+354.18～+454.18(右SDK1+354.18～+454.18)區(qū)間布置降水井35口，6口用于豎井降水、24口新設置的降水井、5口監(jiān)測井。降水井按照3排布置，中間排布置在左、右隧道中間位置，距離兩洞邊約5.9 m，兩側布置在距離隧道邊線4 m處，沿隧道縱向軸線的間距為6～15 m[14]，平均約9 m。降水井位置平面示意圖見圖4。

圖4 降水井位置平面示意圖(單位： cm)

2.3 降水井深度

降水井深度：

Hw=Hw1+Hw2+Hw3+Hw4

[15]。

(1)

其中，

Hw2=ir0。

(2)

式(1)和式(2)中：Hw1為自地面算起至設計要求的水位間的深度,m;Hw2為降水管井分布范圍，宜為1/10～1/15;i為水力坡度，取值為0.1～0.2;r0為降水管井分布范圍的等效半徑或降水管井排間距的1/2,m;Hw3為從Hw2以下算起至最下部過濾器底端的長度,m，包括水泵高度和過濾層高度;Hw4為設計擬降低壓力水頭的目的含水層頂板的埋深,m，本項目未考慮壓力水頭，故Hw4值取為0。

由于每個降水井的地表高度和隧道埋深均不一致，選取埋深最深斷面處的降水井進行分析。降水井橫斷面布置示意圖見圖5。

該處Hw1和Hw3的取值分別為37.0 m和4 m，Hw2的計算公式為：

Hw2=ir0=0.2×7.7 m=1.54 m。

(3)

圖5 降水井橫斷面布置示意圖(單位： cm)

鉆孔的計算深度取值為42.54 m，實際鉆孔過程中為保險起見，進行了適當增加，取45 m。

2.4 實施效果

通過對全部降水井的持續(xù)觀測，各井位水位下降最大數(shù)值為1.2 m/d，下降最小數(shù)值為0.5 m/d，平均達到0.8 m/d，降水速度快，效率高。實施降水后，暗挖隧道開挖過程中洞內(nèi)均為干燥無水狀態(tài)或僅在隧道底部仰拱開挖過程中有少量滲漏水。隧道降水效果見圖6。后期通過在多個地鐵暗挖或明挖工點實踐，證明該技術在富水含砂土層隧道及散體狀、碎裂狀石質(zhì)暗挖隧道中降水效果良好。

圖6 隧道降水效果

3 結論與討論

在常規(guī)管井降水施工技術的基礎上，總結出一套適用于風化花崗巖地層條件下的降水施工技術。該技術直接將管井周圍的風化花崗巖層作為透水性材料，在水井鉆進過程中可以自動形成反濾層，相對于常規(guī)管井降水技術，減少了過濾層包裹和反濾層回填2道工序，有效地提升了施工效率。

該技術所需的施工設備簡單，占地少，易于操作，過程中過濾層能自動形成，降水時不易發(fā)生堵管，安全可靠，對周圍環(huán)境影響很小，環(huán)保效果突出。單孔可節(jié)約過濾料2.92 m3，減少施工時間10 h左右。將該技術應用于廈門地鐵4號線首開段大帽山隧道，取得了良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，對類似地質(zhì)條件下的隧道降水施工具有較好的借鑒作用和推廣價值。

該技術目前只在廈門地鐵4號線和6號線項目進行應用，應用范圍有待進一步拓展，同時，對于類似工程條件如中粗砂層的適用性有待進一步探索。