深井降水在益湛線清水隧道病害整治中的應用

周 德

（南寧鐵路局工程管理所，工程師，廣西 南寧 530029）

益湛鐵路清水隧道位于廣西岑溪市境內，進口里程DK 439+346，出口里程 DK442+782，全長3 436 m。該隧道出口端位于淺埋（最大埋深30 m）、富水、全風化花崗巖及全風化砂頁巖中。施工初期先后出現流砂、初期支護嚴重變形、塌方、二次襯砌開裂、地表開裂等病害。2005年1月開工，當年共完成105成洞米，月成洞不足10 m，施工推進十分緩慢。通過綜合分析隧道出口段地形地貌及工程、水文地質情況，認為“水”是病害的直接誘因，也是解決問題的關鍵。在采用地表深井井點降水的措施后，隧道內孔隙水壓力及涌水量明顯下降，流砂、塌方、初支變形得到有效控制，施工條件大大改善，工程進度明顯加快，取得了良好的施工效果。

1 病害原因分析

1.1 地形地貌分析 隧址區屬剝蝕低山槽谷地貌區，地面高程170～430 m，為一面坡地貌，自然坡度為15°～45°，局部為陡坎，坡面植被發育，以松樹林為主，坡腳平緩處多墾為種植土。隧道穿越2沖溝2山頭。出口端DK442+633～782段穿越其中一沖溝，且淺埋，最大埋深30 m，具有地形偏壓特征。沖溝常年流水，流量隨季節變化，溝口均發育洪積扇，洪積扇頂部標高在隧道洞頂之上。地貌的這種特征客觀上決定了隧道所處圍巖具有富水性。

1.2 工程地質分析 隧道附近主要為燕山期晚期花崗巖（γ53）及奧陶系中統縮尾嶺群（O2sw）砂巖夾頁、灰巖及熱液蝕變形成的大理巖。DK442+633～782段砂巖夾頁巖、大理巖為花崗巖的俘虜體。據鉆探揭示全風化層厚35～80 m，巖心呈土柱狀，粉砂狀，局部見球狀風化體。因位于花崗巖與砂巖夾頁巖、灰巖的接觸帶附近，花崗巖巖漿在侵入上升過程中，巖漿對先期的砂頁巖夾灰巖進行強烈擠壓，導致砂頁巖夾灰巖巖體破碎、產狀零亂，而巖漿在冷卻成巖過程中釋放的巨大熱量，對已零亂破碎的砂頁巖、灰巖進行灼燒烘烤，加劇對砂頁巖的破壞，降低其力學性能，易風化。同時，高溫高壓環境保護下形成的花崗巖本身露出地表，在低溫低壓環境下也極易風化，故病害區內風化層巨厚。破碎的巖體及巨厚風化層對隧道開挖穩定非常不利。

1.3 水文地質分析 地下水為第4系土層和基巖全風化層中孔隙水及基巖裂隙水，受大氣降雨及溝水補給，較高山脊段地下水較少，沖溝及山腳低緩地段地下水發育。DK442+633～782段因穿越一長流水沖溝且位于山腳低緩地帶，溝口洪積扇頂部高于隧道洞頂，受沖溝常年補給，地下水發育，特別是隧道洞身標高位置地下水活動強烈。據鉆孔測量穩定水位線標高為185.48～207.06 m，位于隧道洞頂以上。地下水活動強烈、洞身圍巖為呈粉砂狀、黏土狀之砂頁巖、花崗巖全風化帶，長期處于飽水狀態，塑性指數和液性指數較大，塑性指數IP的測試結果11.0～13.8，液性指數為 1.41～1.56，已屬于流塑狀態，穩定性極差，極易坍塌變形。

2 降水措施

本隧道所處的地貌、地質結構和地下水等對隧道開挖穩定均構成較大威脅，水是諸種不穩定因素的直接誘因。因此，隧道開挖施工除考慮強支護工程措施外，治水是解決問題的關鍵。

2.1 降水方案設計 根據施工推進位置、隧道埋深、補充地質勘察情況、室內試驗取得的滲透系數、地下水埋深、含水層厚度、降水影響半徑等數據，確定井點布置位置及井深。

2.1.1 設置3個深井降水井 為了有效集水及隔離地下水往隧道施工區域滲透，在沖溝底部附近，流水方向上游側即線路左側，距隧道中心10 m位置，分別于 DK442+650（井 1）、DK442+630（井 2）、DK442+610（井3）設置3個深井降水井。

2.1.2 井深計算 通過計算3個深井井深分別設為33 m，34 m，35 m。以井1為例，井深計算公式為

式中：h為井深（m）；

h1為地面至隧道右側墻腳高程距離（m）；

Δh為降水后隧道右側墻腳至地下水位線距離（m）；

i為水力坡度；

L為深井距離隧道右側墻腳距離（m）。

在計算中，Δh取值為1 m，水力坡度按單排井點取1/5，L取13.15 m（單線鐵路隧道半寬及深井距離隧道中心距離之和）。

井1地面實測高程為202.00 m，隧道右側墻腳設計高程為172.35 m，則有效井深h≥202-172.35+1+1/5×13.15=32.28 m，取33 m。

2.1.3 井1布置與隧道相互關系 深井布置以有效集水及隔離地下水為原則，在線路左側（流水方向上游），與隧道中線距10 m，井1從地表伸至地下水集水區域，最低點比隧底低0.5 m以上。

2.2 深井施工 降水井采用沖擊成孔，孔徑1.25 m，成孔后設置?800 mm帶孔鋼管，并于周邊設置砂夾卵石過濾層。

2.2.1 主要施工工藝 施工工序是井位確定→成孔→清孔→下井管→回填濾料→安放潛水泵→降水→回填井孔。

2.2.2 注意事項 清孔施工時應在成孔后，立即將潛水泵應放置于成孔底部，抽出井內泥漿，以防泥漿沉淀造成井深不足。為保證清孔過程中不出現塌孔，應隨著水位下降及時補充清水，確保井內滿水，直至井管內排出的水由濁變清為止。

3 降水效果檢驗

3.1 測量儀器布設 為檢驗降水效果，首先在DK442+610、DK 442+620的斷面初支背后，根據施工需要，對應隧道拱頂、拱腳、邊墻、墻腳、隧底分別埋設8個壓力計測量水壓，編號為S1～S8（見圖1）；同時在隧道兩側水溝安裝三角堰流量計測流量。

圖1 孔隙水壓力計埋設圖（單位：cm）

3.2 測試結果

3.2.1 水壓力變化 從DK442+610、DK442+620的2個斷面大多測點數據壓力曲線來看，有3種現象：

1）孔隙水壓力整體上具有開始增大然后遞減的現象（見圖2）。從圖2可以看出，對應12，14.5，31.5 d的水壓，由0逐漸升至3.5 kpa，然后降到-0.5 kpa附近。這是由于初期支護阻斷了地下水的流通路徑，使得靠近襯砌部位的地下水位上升，導致孔隙水壓力增大。之后隨著施工的排水和井點降水，使得地下水位回落，因而孔隙水壓力減小。

圖2 DK442+610斷面S-1點水壓力隨時間變化曲線

2）從孔隙水壓力的曲線來看，某些曲線具有較強的波動現象（見圖3）。

圖3 DK442+610斷面S-5點水壓力隨時間變化曲線

圖 3中對應第 19.5，20.5，22天的水壓，先由-7.5 kpa降至-21 kpa，接著升至-5 kpa。對應這些波動點及施工記錄分析，每一次波動均對應一次作業面封閉或作業面排水。因此可以推斷，地下水位對施工降水反應靈敏。

3）從整體效果看，采用深井降水措施后，隧道內孔隙水壓力整體呈下降趨勢。如圖2對應第13.5，31.5天的水壓，由最高 3.0 kpa降至-0.8 kpa；圖3對應第13.5，31.5天的水壓，由最高2.5 kpa降至-5.0 kpa。

3.2.2 流水量變化 對應于水壓觀測對流水量也同步進行了觀測，從綜合流水量觀測記錄看，流水量由降水初期每10 m最高57升，下降為每10 m 7升左右。總體涌水量明顯下降，深井降水明顯見效。

4 結束語

采用深井井點降水措施后，隧道內孔隙水壓力及涌水量明顯下降。益湛鐵路清水隧道施工自從采用深井降水措施，流砂、塌方、初支變形等病害得到有效控制，施工條件得到極大改善，工程進度明顯加快，由月成洞不足10 m增加到30 m，，取得了良好的施工效果。

實踐證明淺埋（埋深40 m以內）、富水、全風化花崗巖、全風化砂頁巖的隧道施工，深井井點降水措施不失為一項較好的工程措施。