畢煥軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

胡麻嶺隧道為蘭渝線重點(diǎn)控制性工程，隧道中部通過(guò)長(zhǎng)4 250 m的第三系弱膠結(jié)含水粉細(xì)砂巖，在地下水作用下，掌子面開挖擾動(dòng)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(duì)這種情況，洞內(nèi)開展了集水井降水、井點(diǎn)降水、分步超前降水、邊墻側(cè)向深井降水、輕型井點(diǎn)(真空降水)、水平旋噴、注漿固結(jié)、冷凍固結(jié)等研究試驗(yàn)，確定采用洞內(nèi)深井與輕型井點(diǎn)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(dá)到開挖條件的周期長(zhǎng)等影響，施工進(jìn)度滯緩，因此研究地表深井預(yù)降水。通過(guò)對(duì)工程場(chǎng)地水文地質(zhì)條件、施工現(xiàn)狀、工法等綜合分析，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)，分析計(jì)算采用地表深井預(yù)降水的井間距離及設(shè)計(jì)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(zhǎng)度13 611 m，共設(shè)6個(gè)斜井和1個(gè)豎井，其中第三系弱成巖含水粉細(xì)砂巖段(DK75+350～DK79+600)設(shè)置有3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)斜井及7號(hào)豎井，隧道埋深在100～200 m。隧道通過(guò)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(wèn)題

胡麻嶺隧道通過(guò)的第三系砂巖成巖性差，泥質(zhì)弱膠結(jié)[2]，無(wú)地下水時(shí)，圍巖整體穩(wěn)定性較好，含水地段，掌子面在開挖擾動(dòng)、遇水浸泡后軟化現(xiàn)象十分明顯。同時(shí)，開挖擾動(dòng)后，在地下水靜水頭壓力作用下，還往往形成孔隙擴(kuò)張，造成地下水的相對(duì)富集，導(dǎo)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(duì)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(jì)

隧道及斜井開挖遇到地下水后，現(xiàn)場(chǎng)施工出現(xiàn)的問(wèn)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(shí)間點(diǎn)，7～10 h為圍巖開始流變的臨界時(shí)間點(diǎn)，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(shí)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(shí)封閉成環(huán)。(3)隧道變形大，施工中需采用加設(shè)橫撐或臨時(shí)仰拱等措施控制變形；已支護(hù)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(shí)常伴有全斷面滲水、局部股狀涌水、涌砂現(xiàn)象，涌水時(shí)水流帶走砂粒，導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)極大。

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

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及觀測(cè)

3.1 抽水試驗(yàn)

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(shè)計(jì)主抽水孔1孔，觀測(cè)孔4孔，呈一字排列，前4個(gè)鉆孔的孔間距2.5 m，第5孔與第4孔間距為3m，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)觀測(cè)孔1進(jìn)行了水位恢復(fù)觀測(cè)。

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，采用了裘布依穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算理論(一個(gè)觀測(cè)孔的計(jì)算公式)、非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算理論(配線法和直線法)、水位恢復(fù)試驗(yàn)法等3種方法對(duì)滲透系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算[8-9]。

3.2 降水漏斗觀測(cè)

抽水試驗(yàn)完成后，為掌握降落漏斗的發(fā)展情況，又進(jìn)行了兩次增大抽水孔出水量、利用觀測(cè)孔監(jiān)測(cè)水位變化的降水試驗(yàn)，以掌握降水時(shí)降落漏斗的變化情況。觀測(cè)試驗(yàn)兩次共進(jìn)行了15 d，觀測(cè)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(shì)。

4 地表深井降水設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

4.1 場(chǎng)地含水層水力特征

在進(jìn)行降水井設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算前，需對(duì)場(chǎng)地含水層水力特征進(jìn)行概化[10]，概化主要包括三個(gè)方面：一是滲流是否符合達(dá)西流；二是水流呈平面運(yùn)動(dòng)還是三維運(yùn)動(dòng)；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(yùn)動(dòng)為主、垂向運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)符合達(dá)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(jì)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(chǎng)試驗(yàn)滲透系數(shù)取平均值0.267 m/d。

4.2 單井降水井設(shè)計(jì)井深度計(jì)算

依據(jù)上述概化條件，設(shè)計(jì)降水井為井壁井底同時(shí)進(jìn)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(dāng)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(duì)稱的浸潤(rùn)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(rùn)面上的點(diǎn)的高度為z，z′為該點(diǎn)到天然水面的距離，z′=H-z，而過(guò)水?dāng)嗝鏋橐慌c井同心的圓柱面，其面積為w=2πrz，又設(shè)其滲流為漸變滲流，則過(guò)水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的水力坡度J=dz/dr。

根據(jù)達(dá)西定律，過(guò)水?dāng)嗝嫔系母鼽c(diǎn)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(jìn)而得到潛水井的浸潤(rùn)曲線方程為

式中,r0為井的半徑;h為井中水位。

對(duì)于井的影響半徑R，在浸潤(rùn)漏斗上，有半徑r=R的一個(gè)圓，在R范圍內(nèi)，浸潤(rùn)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(duì)于一定的水量Q，S為水位降深，S=H-h。

結(jié)合上述關(guān)系，最終獲得浸潤(rùn)線的計(jì)算關(guān)系即z′和r的關(guān)系

設(shè)降水井?dāng)M開采量為一定值，采用抽水試驗(yàn)中的最大降深、地下水水位預(yù)測(cè)值對(duì)隧道位置的水位下降值進(jìn)行計(jì)算。降水井正常降水時(shí)，降水曲線達(dá)到掌子面中心底板時(shí)[11]，認(rèn)為降水井產(chǎn)生理想效果，此時(shí)公式存在水位降深和影響半徑兩個(gè)參數(shù)s和r。設(shè)計(jì)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(shí)z′為40 m，單井產(chǎn)水量150 m3/d，根據(jù)以上條件可計(jì)算降水井井底與隧道底板的距離為22 m。

4.3 井群降水設(shè)計(jì)井深度計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，隧道底板距離含水層靜水位高度為20 m，當(dāng)多個(gè)降水井同時(shí)抽水時(shí)，降落漏斗相交處水位會(huì)形成干擾水位，計(jì)算模型見圖2。

圖2 干擾降水井模型示意

設(shè)計(jì)抽水井4座對(duì)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(jì)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(jì)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(guān)關(guān)系，設(shè)計(jì)降水井越深，井間距離也相應(yīng)加大，但井間距離大，降水達(dá)到無(wú)水施工相應(yīng)的時(shí)間變長(zhǎng)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)計(jì)算，第三系砂巖有效影響半徑約30 m，考慮隧道寬度、設(shè)計(jì)井深度、成井工藝、降水時(shí)間等綜合因素，計(jì)算分析設(shè)計(jì)井經(jīng)濟(jì)合理的井間距離為22 m，在實(shí)施過(guò)程中根據(jù)地形條件采用20～22 m。

5 結(jié)語(yǔ)

第三系弱膠結(jié)含水砂巖天然狀態(tài)時(shí)處于較密實(shí)狀態(tài)，開挖擾動(dòng)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(shí)，擾動(dòng)后往往產(chǎn)生孔隙擴(kuò)張，靜水壓力增大，洞內(nèi)實(shí)施井點(diǎn)降水鉆探過(guò)程中易形成涌砂或包裹鉆具現(xiàn)象，成孔十分困難，試驗(yàn)中成孔深度很難達(dá)到20 m，降水效果受到限制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及理論計(jì)算研究，地表降水井在隧道兩側(cè)對(duì)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(chǎng)抽水時(shí)水位降深過(guò)程分析，開始抽水至120 min時(shí)其水位降深已達(dá)平衡時(shí)的95%，說(shuō)明受第三系砂巖滲透系數(shù)小影響，加大抽水時(shí)間對(duì)降深影響不明顯。因此，隧道開挖前應(yīng)采取預(yù)降水措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及分析認(rèn)為，采用預(yù)降水2個(gè)月左右的時(shí)間可達(dá)到預(yù)期效果。

[1] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.第三系砂巖復(fù)雜水穩(wěn)特性專題研究報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011．

[2] 王文斌.蘭州地區(qū)第三系風(fēng)化紅砂巖工程地質(zhì)特性研究[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，2012(12)：21-23．

[4] 魏國(guó)俊.程兒山隧道第三系砂巖施工地質(zhì)問(wèn)題研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(xué)學(xué)報(bào)，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(qiáng).甘肅引洮工程重大工程地質(zhì)問(wèn)題研究[D].蘭州:蘭州大學(xué)，2006．

[8] 中華人民共和國(guó)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(guó)鐵道出版社，2004．

[9] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999．

[10]周正禮.天津某交通樞紐場(chǎng)地水文地質(zhì)特征與工程降水建議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(1)：70-73．

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

[12]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)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(jí)高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于成都理工學(xué)院水文地質(zhì)專業(yè)，工學(xué)學(xué)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