銀西高速鐵路驛馬一號富水黃土隧道施工地表降水試驗研究

張曉宇，畢煥軍，夏萬云，梁樹文

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

隧道施工與地下水有著密切的聯系。由于地下水的滲流作用，隧道開挖過程中地下水將滲入隧道，軟化圍巖，對軟質圍巖的影響尤其突出[1],因此需要在地表設置降水深井，使隧道所在地層中的水位降低到施工位置以下，以利于隧道正常開挖。對于山嶺隧道，由于隧道埋深大，降水井深，地表降水方案多應用在第三系砂巖、第四系砂礫石等施工難度大的地層中。文獻[2-3]針對蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系富水砂巖施工中出現的問題開展了超前地表深井降水研究，計算了超前地表深井降水的井間距及深度，經實施地表降水能有效降低掌子面圍巖的含水率，加快施工進度，降低施工風險。文獻[4-5]針對濱綏鐵路雙豐隧道第三系砂泥巖施工中出現的較大涌水突泥，對比了多種泄水降水減壓方法，得出采用地表降水最有效。文獻[6-7]針對大西客運專線干慶隧道在斜井施工中發生涌砂及涌泥現象，通過地表降水保證了施工安全。

除了富水砂巖、泥巖隧道，地下水同樣對黃土隧道有很大的危害。對于黃土隧道，地下水的危害主要是降低圍巖強度，加劇圍巖的溶蝕和腐蝕，造成隧道滲涌水[8]。解決黃土隧道滲涌水問題是確保工程安全施工的關鍵。本文依據工程實例，采用計算分析和現場試驗的方法對此進行探討。

1 施工中出現的主要問題

銀西高速鐵路驛馬一號隧道位于甘肅省慶陽市西峰區，行走于董志塬黃土塬溝壑區，全長 4 806 m。隧道為25‰單面下坡。地表為上更新統黏質黃土，厚度10～20 m，透水而不含水。中更新統離石黃土為一層棕紅色、黃褐色黏質黃土，該層上部土顆粒較粗，結構疏松，裂隙發育，夾多層古土壤和鈣質結核層，是塬區主要含水層。隧道洞身附近地下水水位埋深40～75 m，其中地下水位以上的黃土以硬塑為主，地下水位以下的黃土以軟塑為主。隧道有2.2 km位于地下水位以下，通過軟塑黃土層時受地下水的影響主要出現以下問題：

1)拱部掉塊

驛馬一號隧道1#斜井施工至X0+208底板進入軟塑黃土層，受地下水的軟化作用，挖掘機、裝載機等重型機械通行困難，素混凝土底板在重車碾壓下出現開裂、破碎情況；同時隧底在機械擾動下成稀泥狀。施工至X0+235處時隧道拱部進入軟塑黃土層，存在掉拱風險。施工至X0+333處時拱部突然出現掉塊，掌子面出現了滑塌，施工受阻，嚴重影響施工安全。

2)斜井滲涌水

2017年3月11日1#斜井開挖至X0+235時，隧底出現滲水，開挖下臺階時拱腳明顯出水，涌水量20～40 m3/d。2017年5月10日在X0+319下臺階打設泄水孔，最大涌水量達到了400 m3/d，穩定后涌水量為200 m3/d。2017年6月25日在X0+358下臺階左側邊墻突然涌水，最大涌水量600 m3/d，自2017年7月10日涌水量開始減小。根據隧道7月10日—8月3日洞口涌水量監測結果，涌水量在59～377 m3/d，平均232 m3/d。斜井洞身在硬塑黃土層，土體含水率較低，基本無水滲出；進入軟塑黃土層后，含水率逐漸增加，并由滲水發展成局部股狀出水，水量達到400～600 m3/d，之后逐漸減小，衰減期半個月左右，水量穩定在200～300 m3/d，見表1。

表1 1#斜井施工滲涌水情況匯總

2 降水井設計

董志塬地區黃土塬面積大，地形平坦，降雨入滲補給條件好，黃土含水層厚度大，滲透性相對較差，地下水位埋深大，徑流緩慢，排泄條件差。驛馬一號隧道有2.2 km位于地下水位以下，該段多為軟塑黃土。在洞內降水干擾大、時間長。針對斜井施工中遇到的問題，為了保證隧道進入正洞后安全快速施工，考慮采取地表管井降水，改善施工條件，降低施工風險。

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2.1 含水層概化

本次設計主要考慮在DK256+410—DK257+440段總計1 030 m進行地表降水。該段地下水位以下至隧道底板中更新統黏質黃土多呈軟塑狀，可概化為均質黃土含水層，厚度22～27 m，地下水位埋深50～75 m。考慮到設計井深位于洞身以下15～25 m，設計井深范圍內含水層厚度按30～45 m考慮。

根據水文地質勘察及水井調查結果，計算出黃土滲透系數為0.046～0.570 m/d，影響半徑在15～190 m。參考董志塬地區以往經驗，降水井設計時滲透系數采用0.25 m/d，影響半徑采用100～150 m。

2.2 設計井數計算

按照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[9]中降水井設計，將降水范圍內隧道洞身概化為基坑。以斜井與正洞交叉點DK256+520為例，地下水位埋深約50 m，隧底埋深80 m，基坑地下水位的設計降深為30 m。降水井布置于隧道輪廓線兩側4 m處，基坑寬度22 m，根據在軟塑黃土層斜井施工情況設計2種工況，降水井間距分別按25，30 m計算，見圖1。根據概化的基坑模型，計算了影響半徑、基坑總涌水量、設計井數以及干擾水位。

圖1 降水井間距25 m時降水井平面布置(單位：m)

降水影響半徑R計算公式為

(1)

式中：Sw為井水位降深，取30 m；κ為含水層滲透系數，取0.25 m/d；H為含水層厚度，取40 m。

計算得出影響半徑R為190 m，考慮到施工中群井抽水，降水一段時間后，補給來源有限，R取150 m。

基坑降水總涌水量Q的計算公式為

Q=πκ[(2H-Sd)Sd/ln(1+R/r0)]

(2)

式中:Sd為基坑地下水位的設計降深，取30 m；r0為基坑等效半徑，m。

根據式(2)計算，降水井間距25 m時總涌水量468 m3/d，降水井間距30 m時總涌水量500 m3/d。

基坑實際面積按22 m ×25 m，22 m× 30 m計算，設計單井涌水量分100，120 m3/d 2種情況。根據計算，不同施工進度實際所需的降水井數基本一致。從總體上來看，疏干22 m×25 m或者22 m×30 m洞身范圍內的滲涌水，需要降水井4～6口，見表2。

表2 不同工況下基坑降水所需井數

2.3 基坑中心地下水位計算

當多個降水井同時工作時，降落漏斗相交處會形成干擾水位，計算模型示意如圖2。

圖2 降水井計算模型示意

單井水位降深38 m，影響半徑150 m，滲透系數取0.25 m/d。降水井設計單井涌水量分別為100，120 m3/d，4口降水井同時工作。不同降水井間距下基坑中心地下水位降深可按下式[9]計算，結果見表3。

(3)

式中:Si為基坑內任一點的地下水位降深,m；qj為按干擾井群計算的第j口降水井的單井流量，m3/d；rij為第j口井中心至i點的距離,m，當rij>R時，取rij=R；n為 降水井數量。

表3 不同降水井間距下基坑中心地下水位降深計算結果

從表3可知：降水井間距25 m、設計單井涌水量為120 m3/d時基坑中心地下水位降深可以達到 28 m，水位已降至隧底，并且降水井間距25 m時水位降深比間距30 m時大3 m。

2.4 降水井設計參數

通過分析不同井間距的計算結果，降水井采用管井，建議降水井布置于隧道輪廓線兩側4 m處，井間距25 m，降水井直徑300 mm，井底位于軟塑黃土層以下15～25 m，井深95～105 m。過濾器布置于黃土含水層中，潛水泵流量10～20 m3/h，揚程大于100 m。

設計單井涌水量按120 m3/d考慮，單井水位降深35～40 m，可保證地下水位降至隧底，且能滿足設計降深，同時也可避免過度抽排水造成水資源浪費。

3 降水效果分析

為了檢驗地表降水的效果以及設計參數的合理性，在驛馬一號隧道1#斜井進入正洞施工期間，DK256+510—DK256+580段開展了地表降水試驗。自2017年9月15日陸續開始試驗降水井的施工，總計開挖了6口降水井，井深105～108 m，靜水位在47.0～52.1 m，降水井平均涌水量為31～91 m3/d，排水總量為280～560 m3/d。井內動水位達到了86～92 m。從現場施工情況看，隧道洞身已無滲水，地下水位降至隧底以下。

根據地表降水試驗結果，采用配線法、直線法、水位恢復法[10]等方法對滲透系數進行了計算，計算出黃土滲透系數為0.15～0.38 m/d，影響半徑為181～234 m，滲透系數、影響半徑與設計基本一致。

降水期間驛馬一號隧道掌子面黃土含水率由34.4%降到24.4%，最小達到了17.8%；液性指數從0.84降到了0.30，最小達到了-0.4，黃土呈硬塑狀態。表明地表降水改善了黃土的物理性質，加固了圍巖。

洞身兩側6口降水井同時工作，地表降水量達到400 m3/d以上，降水40 d左右，可疏干施工范圍內的地下水，減小了施工中黃土股狀出水的風險，避免了地下水的軟化作用，同時改善了隧道洞內的掌子面掘進條件，降低了施工安全風險。

4 結語

銀西高鐵驛馬一號隧道通過董志塬時有2.2 km位于地下水位以下，受軟塑黃土及地下水的影響，1#斜井在施工中出現了滲涌水、隧底軟化、掌子面滑塌失穩等問題。因此采用了地表降水輔助施工方案，并進行了地表降水設計。通過計算分析不同設計單井涌水量、不同井間距下地表降水方案，最終建議降水井布置于洞身兩側4 m處，井間距25 m，井深位于軟塑黃土層以下15～25 m。

經地表降水試驗，洞身兩側6口降水井同時工作，地表抽排水量達到400 m3/d以上，降水40 d左右，可疏干施工段落的地下水。同時降低了隧道洞身黃土的含水率和液性指數，改善了洞身黃土的物理性質，提高了圍巖的穩定性。