輕型井點降水井點長度及真空度對降水效果影響性研究

邱志洪

[摘要]滇中引水工程獅子山隧洞多個標段存在高外水壓問題，極易發(fā)生涌突水問題。采用現(xiàn)場調研、室內試驗、數(shù)值模擬等方法對常用的輕型井點降水方案進行了研究，重點研究了井點長度及真空度對降水效果的影響。研究結果表明：（1）輕型井點對臺階下部圍巖變形改善效果較好，且井點真空度對圍巖變形改善作用不大，但增長井點長度可有效改善圍巖變形（2）設置輕型井點降水可以有效減小臺階下部圍巖的塑性區(qū)分布，井點真空度變化對圍巖的塑性區(qū)分布改善效果有限，但增大井點長度可以有效改善圍巖的塑性區(qū)分布。（3）輕型井點降水可以有效改善圍巖的孔隙水壓分布情況，在洞周及掌子面附近形成低水壓區(qū)。井點長度及真空度越大，對圍巖孔隙水壓分布改善效果越好。（4）綜合考慮井點長度及孔壓對降水效果的影響，并考慮施工過程中的時間成本，經濟效益以及對地下水環(huán)境的影響，認為設置4～6 m輕型井點，保持孔壓在-0.04 MPa以上最符合獅子山隧洞施工要求。

[關鍵詞]引水隧洞； 真空降水； 輕型井點降水； 數(shù)值模擬

[中國分類號]U455.49? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

0引言

隨著我國地下工程建設的不斷發(fā)展，隧道建設過程中面臨越來越多的工程地質問題。對于存在高外水壓問題的隧道段，輕型井點降水作為一種常用的降水技術被廣泛應用。目前大量學者對輕型井點降水技術進行了研究。

卜長根［1］通過設計輕型井點變參數(shù)射流泵，采用雙層喉管變面積比的設計，分級地改變面積比，加大輕型井點射流泵吸入真空度，來滿足高效降水工程需要；鄭謙文等［2］提出針對不同地質土層選用不同濾頭鉆孔的孔隙率和濾網等設備，有效保證成孔深度和質量；丁銳［3］通過研究得出，隧洞施工承壓水部分使用洞內輕型井點降水實用性強，治水率高，能滿足基底無水作業(yè)，保證施工質量和進度；周天豪等［4］研究發(fā)現(xiàn)，若暗挖隧道分層開挖施工，利用上層已完成的導洞布設輕型井點可有效止水，為下層導洞開挖提供良好條件；王菀等［5］通過設計真空負壓抽水，在洞周形成較大范圍的降水漏斗，很好地降低了隧道邊墻范圍外地下水，增大了拱頂、掌子面和兩側邊墻土體的穩(wěn)定，保證了工程施工質量；楊勇［6］指出，當一層降水達不到要求時，可設置雙層輕型井點，如隧道埋深較大，可配合隧道地面深井降水，組成聯(lián)合降水系統(tǒng)，其效果明顯；杜志昌［7］采用真空疏干與井點復合降水技術，通過控制井點降水真空度達到了良好的降水效果，并成功應用于實踐；許俊朋等［8］研究了管井與輕型井點組合降水施工工藝及方法，既滿足了深基坑的有效降水深度，又解決了基坑坡面因滯水層導致的滲水涌砂問題；郭一男［9］以具體工程施工技術為例，通過調整井點管間距，并將井水管底端下降到污水管底側0.5 m以下，改善了井點降水效果；丁貞東等［10］進行了真空井點降水的室內模型試驗，采用單井點與群井不同的形式，對土層真空度、孔隙水壓力以及其土工試驗指標等進行了測試分析并總結了相應的變化規(guī)律；王福喜［11］通過研究得出，輕型井點降水對含大量粉土、粉砂及其他滲透系數(shù)較小的地層降水效果非常好，在基坑深度為5.5～8.5 m 范圍內，降水采用輕型井點管較為合適。

綜上所述，目前對于輕型井點降水技術的研究大多集中于基坑工程中的應用，對于其在隧道、引水隧洞中的應用研究較少。因此本文以滇中引水工程獅子山隧洞為依托，采用現(xiàn)場調研、室內試驗、數(shù)值模擬等方法，對輕型井點降水真空度及井點長度對隧洞降水效果的影響進行研究，探明其對圍巖變形量、塑性區(qū)分布以及孔隙水壓分布規(guī)律的影響，提出適用本隧洞的最佳輕型井點參數(shù)。同時也可為國內高水壓隧道降水方案設計提供參考。

1工程概況

滇中引水工程大理Ⅱ段獅子山隧洞位于賓川縣，起訖里程為DLⅡ28+885～DLⅡ50+057， 沿線出露古生界至新生界地層，巖性以沉積巖、巖漿巖為主。本標隧洞局部洞段地下水位高出洞身頂板350 m以上，圍巖弱微透水，但在斷層破碎帶及灰?guī)r段尤其在大箐及帽山白云質灰?guī)r段巖體弱至中等透水，隧洞沿線依次穿越了大箐村（DLⅡ-Ⅰ-8）及大營鎮(zhèn)（DLⅡ-Ⅰ-9）兩個巖溶水系統(tǒng)。隧洞存在高外水壓問題6個洞段，占比9.65%，最大高外水壓力出現(xiàn)在畢馬村巖溶段。

2數(shù)值模型建立

2.1輕型井點降水設計

根據(jù)隧洞輕型井點降水設計安裝經驗，采用在隧洞兩側埋設井點管，井點管上端通過連接彎管與集水總管連接，集水總管與真空泵和離心水泵相接，啟用抽水設備，地下水可在真空泵的吸力作用下，經濾水管進入井點管和集水總管，排出空氣后，由離心水泵的排水管排出。井點管采用雙線布置，且距離初期支護1 m，防止施加初支導致井點管松動；井點管排距采用0.8 m，防止井點管設置距離過近造成串孔。降水井點布置如圖1所示。

本文研究在獅子山隧洞DLⅡ47+133～DLⅡ47+945段輕型井點降水真空度及井點長度對臺階圍巖穩(wěn)定性的影響，故不考慮井點管的外插角及前傾角。根據(jù)文獻調研情況［12-13］，輕型井點長度一般為3～5 m，但也存在12 m的特長井點；輕型井點真空度一般取-0.04 MPa以上，故變量參數(shù)取值如表1所示。

2.2計算參數(shù)

為詳細掌握獅子山隧洞DLⅡ47+133～DLⅡ47+945段現(xiàn)場的地質情況，對隧洞圍巖進行鉆孔取樣，并根據(jù)固結試驗和直剪試驗（圖2）完成對不同標段原狀土相關基本物理力學參數(shù)的測定，并根據(jù)工程設計資料確定圍巖和支護結構的力學參數(shù)如表2所示。

根據(jù)規(guī)范，取無支護時應力釋放率為30%，初期支護承擔70%的圍巖應力釋放。格柵鋼架和噴射混凝土在計算模型中采用等效剛度進行計算，具體計算如式（1）所示。

E=E0+Sg×EgSc（1）

式中：E為噴射混凝土折算后的彈性模量；E0為原噴射混凝土的彈性模量；Sg為格柵鋼架的鋼筋截面積；Eg為格柵鋼架的彈性模量；Sc為噴射混凝土截面積。

2.3計算模型

云南滇中引水獅子山隧洞DK47+133～DK47+945段，該段隧洞長812 m，隧洞埋深215～342 m，隧洞底板置于地下水位以下140～235 m，巖體微透水，滲透系數(shù)k=0.02 m/d，因此取中間值250 m作為計算埋深，取150 m作為水頭高度。該標段采用ⅣP型初期支護，并采用C30W8F100混凝土噴射，噴射厚度為20 cm，混凝土滲透系數(shù)為0.261×10-8 cm/s。根據(jù)現(xiàn)場調研情況，隧洞下臺階長度較長，模型計劃開挖25 m，未進行下臺階開挖，故不考慮二次襯砌施作。洞周施作系統(tǒng)錨桿，洞周注漿圈厚度取8 m，注漿圈滲透系數(shù)為5.903×10-13 cm/s。

隧洞開挖斷面寬10.8 m，高10.6 m。由于未考慮下臺階開挖，因此模型的實際開挖輪廓線高為8.9 m。根據(jù)圣維南定理，隧洞左右邊界應取3～5倍洞徑，因此取模型寬度取100 m。模型下邊界Z=-35 m，考慮到水頭高度，上邊界取Z=150 m，上部土層通過模型頂部施加等效均布荷載模擬，模型尺寸為：100 m×60 m×185 m。圍巖及注漿加固圈采用摩爾-庫倫模型，初期支護采用彈性模型（圖3）。

3實驗結果分析

輕型井點降水屬于豎向降水，通過在隧洞中、下臺階兩側設置輕型井點，將地下水從隧洞臺階底部抽出，因此本文從圍巖變形量、圍巖塑性區(qū)及孔隙水壓分布等3個方面分析輕型井點長度及真空度對降水效果的影響。

3.1臺階變形量

3.1.1設置監(jiān)測點

隧洞圍巖變形量突變常作為預測隧洞突涌水發(fā)生的重要依據(jù)之一。因此本文設置4組監(jiān)測點，如圖4所示。

（1）組1為掌子面中線擠出位移，從拱頂上方至中臺階面4.92 m范圍內的軸向變形。

（2）組2為中臺階中線擠出位移，從中臺階面至下臺階面4.16 m范圍內軸向變形。

（3）組3為中臺階中部（距掌子面2.5 m處）的隆起值。

（4）組4為下臺階（距上臺階2.5 m處）的隆起值。

3.1.2圍巖變形量

圖5～圖7展示了不同井點長度及真空度下的圍巖變形量，三臺階法開挖的高水壓隧洞具有以下變形特征：

（1）掌子面擠出量在距離拱頂0～1.72 m處呈現(xiàn)迅速增長的趨勢，而后在1.72～3.45 m處漲幅變小，在距離拱頂3.45 m處達到最大值，而后靠近中臺階面，其擠出量迅速減小。中臺階由于上部圍巖開挖，臺階處圍巖初始的三向應力狀態(tài)被破壞，導致圍巖從中臺階上表面至距離拱頂8.04 m處，擠出量均較大，在距離拱頂8.04～9.08 m段，擠出量迅速減小。綜合掌子面和中臺階的擠出量隨距離的變化可以發(fā)現(xiàn)，擠出量的最大值均出現(xiàn)掌子面/中臺階面的中下部。

（2）臺階隆起量由臺階兩側至中線處逐漸增大，且在臺階中部達到最大值?？梢园l(fā)現(xiàn)，在臺階兩側存在明顯沉降，原因是因為輕型井點布置于距離初支1 m處，導致臺階下此范圍內的地下水被大量抽出，導致土體固結，土體顆粒間孔隙變小，從而引起臺階面沉降。

以井點長度為2 m時掌子面擠出量隨井點真空度變化為例見圖5（a），當真空度為0，-0.02 MPa，-0.04 MPa，-0.06 MPa，-0.1 MPa時，分別減小了掌子面擠出量11.23%，11.59%，11.23%，11.83%，真空度-0.04 MPa，-0.06 MPa，-0.1 MPa時相較于-0.02 MPa時，其增幅分別為3.09%，0.00%，5.33%，由此可知，輕型井點真空度對隧洞圍巖變形量影響不大。

基于此，僅選取真空度為-0.02 MPa下，對井點長度對圍巖變形量的影響進行分析。當井點長度為2 m，4 m，6 m，10 m時，掌子面擠出量分別減少了10.1%，11.35%，11.73%，12.12%；中臺階擠出量分別減少了24.64%，36.00%，38.11%，38.96%；中臺階隆起量分別減少了37.79%，59.18%，67.17%，76.62%；下臺階隆起量分別減少了25.14%，42.90%，49.31%，55.57%。因此，可得到結論：

（1）改變井點真空度對于圍巖變形量影響不大，增大井點長度可以有效改善圍巖變形量。

（2）輕型井點降水對于掌子面變形的改善效果有限，且改善效果幾乎不隨井點長度及井點真空度變化。但設置輕型井點降水措施對改善臺階下部圍巖變形有著良好作用，且井點長度越長，其改善效果越好。

3.2塑性區(qū)

隧洞開挖完成后，由于卸荷作用引起圍巖應力場重分布，導致臨近隧洞巖土體達到屈服極限，圍繞隧洞形成塑性區(qū)［14］。塑性區(qū)的范圍在一定程度上可以反應圍巖穩(wěn)定性程度。根據(jù)模擬結果發(fā)現(xiàn)，設置輕型井點降水對塑性區(qū)縱向深度無明顯改善，故固定真空度為-0.02 MPa，隧洞下臺階塑性區(qū)橫截面如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)設置輕型井點降水對于拱頂、拱腰兩側及掌子面前方的塑性區(qū)范圍的改善較小，但可以大大減小臺階下部圍巖的塑性區(qū)面積，且隨著井點長度的增加，塑性區(qū)收縮的趨勢逐漸放緩。

過FLAC 3D輸出輕型井點設置范圍內（即中臺階縱向5 m范圍內，下臺階縱向5 m范圍內）臺階下部圍巖塑性區(qū)體積，可以發(fā)現(xiàn)井點真空度變化對于塑性區(qū)體積影響較小，以固定井點長度為2 m時，塑性區(qū)體積隨真空度的變化規(guī)律為例（圖9）。可以發(fā)現(xiàn)隨著真空度的不斷變大，中臺階下部圍巖塑性區(qū)體積始終控制在1 200 m3左右，下臺階下部圍巖塑性區(qū)體積始終控制在950 m3左右，且塑性區(qū)體積與真空度無明顯的線性關系。由圖9可知，當固定井點真空度為-0.02 MPa，當長度為2 m、4 m、6 m、10 m時，中臺階下部圍巖塑性區(qū)體積分別減少了36.14%，52.23%，59.30%，67.02%；下臺階下部圍巖塑性區(qū)體積分別減少了30.78%，47.07%，52.16%，60.42%。由此可知，設置輕型井點降水可以大幅減小臺階下部圍巖塑性區(qū)，有利于增強圍巖穩(wěn)定性。且輕型井點對塑性區(qū)范圍的改善效果隨著井點長度的不斷增加逐漸減弱。

3.3孔隙水壓

地層孔隙水壓分布直接影響著圍巖穩(wěn)定性，直接體現(xiàn)了降水方案效果。隧洞開挖后，掌子面及隧洞臺階表面成為臨空面，是地下水涌出的直接出口，因此隧洞內表面的孔隙水壓固定為0。另外，存在高水壓問題的隧洞標段埋深較大，模型上部通過施加均布荷載模擬上部土層，因此設置的模擬水面處孔隙水壓并不為0。分析數(shù)值模擬結果后發(fā)現(xiàn)，布置輕型井點后，隧洞洞周及掌子面前方孔隙水壓明顯減小，且孔隙水壓與真空度及井點長度呈負相關關系。對照組及工況1（井點長度2 m，真空度-0.02 MPa）的孔隙水壓分布如圖10、圖11所示。

提取掌子面拱頂至模型頂部的孔隙水壓，以研究輕型井點真空度及井點長度對降水效果的影響。以固定真空度為-0.02 MPa為例（圖12），可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，掌子面上方孔隙水壓隨井點長度的增大不斷減小，當井點長度為2 m、4 m、6 m、10 m時，其孔隙水壓平均減少19.85%，24.48%，28.92%，36.83%。固定井點長度為2m時（圖13），可以發(fā)現(xiàn)，當真空度為-0.02 MPa、-0.04 MPa、-0.06 MPa、-0.1 MPa時，其孔隙水壓平均減少19.85%，23.84%，27.51%，33.23%。

綜上所述，可以得到結論：

（1）設置輕型井點降水可以有效改善隧洞洞周、掌子面前方的富水情況，隨著井點長度及真空度的增大，隧洞洞周及掌子面前方低水壓程度更明顯。

（2）增加井點長度及井點真空度能夠改善地層的孔隙水壓分布情況，且當井點真空度控制在-0.04 MPa以上時，對于地層富水情況的改善效果最明顯。

但在實際工程中，需要考慮對環(huán)境的影響因素，在確保輕型井點降水有效的情況下，應盡量保證隧洞洞周的低水壓范圍及程度不應過大［15］，防止地下水流失過多，影響生態(tài)平衡。

4結論

本文依托滇中引水工程獅子洞隧洞，采用現(xiàn)場調研、室內試驗、數(shù)值模擬等方法，從臺階下部圍巖變形、圍巖塑性區(qū)及孔隙水壓分布情況3個方面探究了輕型井點長度及真空度對降水效果的影響，得到結論：

（1）設置輕型井點可以有效改善臺階下部圍巖變形，但對掌子面前方圍巖變形改善效果較弱。井點真空度變化對于隧洞圍巖變形的影響性較?。辉龃缶c長度可以有效減小圍巖變形量，但當井點長度超過6 m時，改善效果增幅逐漸減小。

（2）設置輕型井點降水可以有效減小臺階中下部圍巖的塑性區(qū)分布，井點真空度變化對圍巖的塑性區(qū)范圍改善效果有限，但增大井點長度可以有效改善圍巖的塑性區(qū)范圍，但隨著井點長度的不斷增加，改善效果不斷減弱。

（3）采用輕型井點降水可以有效改善圍巖的孔隙水壓分布情況，但會在洞周及掌子面附近形成低水壓區(qū)。井點長度

及真空度越大，對圍巖孔隙水壓分布改善效果越好。

（4）綜合考慮井點長度及孔壓對圍巖的變形控制效果、圍巖塑性區(qū)范圍以及地層孔隙水壓分布的改善情況，且考慮施工過程中的時間成本，經濟效益以及對地下水環(huán)境的影響，認為設置4～6 m輕型井點，保持孔壓在-0.04 MPa以上更符合本標段隧洞的施工要求。

參考文獻

［1］卜長根.輕型井點降水變參數(shù)射流泵的設計［J］.水文地質工程地質，2003（1）：45-47.

［2］鄭謙文，劉立富.淺談輕型井點降水的施工和管理［J］.武漢大學學報（工學版），2011，44（S1）：299-303.

［3］丁銳.北京地鐵不同性質地下水治理的研究［J］.隧道建設，1994（3）：48-56.

［4］周天豪，吳昊.無降水條件下CRD暗挖工程洞內輕型井點止水措施的應用［J］.建筑技術，2021，52（8）：973-975.

［5］王菀，蔣永強，張文新，等.真空輕型井點降水在深埋隧道未成巖富水粉細砂層施工中的應用［J］.國防交通工程與技術，2012，10（4）：57-60+77.

［6］楊勇.洞內降水在富水砂層淺埋暗挖隧道施工中的應用［J］.市政技術，2009，27（4）：382-384.

［7］杜志昌.真空疏干與井點復合降水技術在地鐵工程中的應用［J］.21世紀建筑材料居業(yè)，2011（10）：93-96.

［8］許俊朋，張洪欣，梁寧.輕型井點與管井組合降水在深基坑工程中的應用［J］.工程建設與設計，2020（12）：47-48.

［9］郭一男.輕型井點降水工法在管道施工中的應用［J］.交通世界，2021（Z2）：77-78+100.

［10］丁貞東， 武亞軍， 鄒道敏. 吹填淤泥質土井點降水模型 試驗研究［J］. 建筑科學， 2010， 26（7）： 22-25.

［11］王福喜.輕型井點降水在南京地鐵東井亭站基礎施工中的應用［J］.四川建筑科學研究，2005（5）：92-94.

［12］鄧思遠. 基于滲流固結理論的山嶺隧道真空井點降水規(guī)律研究［D］.成都： 西南交通大學，2016.

［13］賈向新，聶慶科，王英輝，等.真空井點降水試驗分析與數(shù)值模擬［J］.巖土力學，2014，35（S2）：607-612+618.

［14］張藝騰，王明年，于麗，等.超前支護對軟弱圍巖隧道掌子面穩(wěn)定性的影響研究［J］.現(xiàn)代隧道技術，2020，57（S1）：119-128.

［15］李振. 高水壓山嶺隧道注漿堵水效果預估方法研究［D］.重慶：重慶交通大學，2019.