降水井在引水隧洞盾構法施工中的應用

劉 浩

（山西省小浪底引黃工程建設管理局，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西省小浪底引黃工程土洞段施工Ⅶ標，盾構隧洞全長5.516 km，樁號為47+350—52+866，采用海瑞克制造的泥水平衡盾構，自大樁號向小樁號進行掘進，為國內最長泥水平衡盾構獨頭掘進施工隧道。本段隧洞多位于地下水位以下，自大樁號向小樁號逐漸升高，最大水頭高度約105 m，最大埋深120 m，穿越地層為低液限粘土夾卵石混合土、級配不良礫（砂）層，地質條件對施工存在不利因素。

為了保證盾構設備安全，在K49+818處增設中間豎井，作為檢修通道和通風作業通道。結合該樁號水文地質條件，并考慮盾構機掘進速度，在中間豎井四周設置降水試驗井，以便水位降至安全水位，中間豎井能夠順利施工，從而減少盾構到達時發生涌砂涌水的風險[1]。

2 降水設計

2.1 降水原則

根據鉆孔資料，中間豎井所處地下水位高出隧洞底部約30 m，勘探深度內地層主要以粉質黏土層為主，部分埋深為卵石層，盾構隧道位于粉質粘土層中。根據降水設計原則，本次計算以K49+818為中心，總長度20 m范圍內的隧道為計算單元，根據形狀面積、隧道深度和降水需求，確定降水井相關參數。

2.2 涌水量計算

2.2.1 單元總涌水量計算

為了查明本段隧洞圍巖滲透性及地下水位情況，采用管井（深井）井點降水。首先將整個布井范圍作為一個整體，可看做一口大井（見圖1），根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012），群井按大井簡化的均質含水層潛水非完整井的基坑降水總涌水量，可按下列公式計算。

式中：Q——基坑降水的總涌水量，m3/d；

k——滲透系數，取15 m/d；

H0——潛水含水層的厚度，取29 m；

r0——沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑，可按計算，此處，A為降水井群連線所圍面積，r0取12.18 m；

R——降水影響半徑，應按現場抽水試驗確定。

取774 m；

h——基坑動水位至含水層底面的深度，約17 m；

l——濾管有效工作部分的長度，取15 m。

圖1 按均質含水層潛水非完整井簡化的基坑涌水量計算

2.2.2 單井允許出水量

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012），管井的單井出水能力按下列公式計算：

其中：q——單井允許出水量，m3/d；

rs——過濾器半徑，m；

l——過濾器進水部分長度，m；

k——含水層滲透系數，m/d；

計算得出q的理論值為1 200 m3/d，考慮到該范圍為群井共同抽水，單井出水能力勢必會受影響而減少，暫時按1 000 m3/d考慮。根據單井出水量合配置水泵，暫按型號200 QJ50-78/6（流量為50 m3/h，揚程為78 m，功率為18.5 kW）考慮，后期根據降水井實際抽水情況調整水泵功率。

2.3 降水井數量

根據公式（1）、（2）、（3），計算得出n值為3.88，考慮到計算誤差并四舍五入，推出該段共需布置4口降水井，在盾構隧道兩側間隔8 m均勻布置，每側降水井間隔20 m。

四口井分別為S1、S2、S3、S4，K49+818 段降水井布置示意圖見圖2。（注：G1、G2為水位觀測孔，不在本方案設計范圍內。）

圖2 降水井布置示意圖

2.4 降水井深度

降水井的深度的確定有很多種方法，如劉廣仁[3]在西氣東輸二線盾構施工降水方案中所采用的方法，也可以根據降水井結構必須滿足的技術要求來綜合確定。本工程根據《管井技術規范》（GB 50296-2014），降水管井的深度按疏干井公式計算：

式中：HW——降水管井的深度，m；

HW1——自地面算起至設計要求的動水位之間的深度，取46 m；

HW2——變化水深，在降水管井分布范圍內，為兩排井間距的1/10～1/15，m；

i——水力梯度；

r0——降水管井分布范圍的等效半徑或降水管井排間距的1/2；兩排井間距約22 m，HW2約為2 m；

HW3——從HW2以下算起至最下部過濾器底端的長度，m；

HW6——沉淀管長度，取2.0 m。

根據《管井技術規范》，計算得出有效濾管長度約為20 m，一般情況下，有效濾管長度占據總濾管長度的50%～85%，考慮井損的影響，暫取HW3為21 m；經過計算，降水井深約71 m。

2.5 降水井結構及布置

本工程涌水量大、水位降深大，所需水泵揚程高，水泵的外徑一般為250 mm。而井管內徑至少需大于水泵外徑50 mm，故本次管內徑按400 mm考慮，成孔直徑按700 mm進行實施。采用6 mm厚鋼管，濾管為橋式濾水管，濾管僅設置在粘土層中，防止抽取上部1～3卵石層地下水；濾管外包40目錦綸濾網，采用瓜子片濾料回填至濾管頂部以上，其上回填粘土球止水，防止1～3卵石層地下水進入降水井，詳見圖3。

圖3 K49+818里程處降水井結構示意圖

2.6 井管材質對比

目前，市場上用于降水井的管材主要有鋼制井管和水泥井管，其優劣主要體現在以下幾個方面：

2.6.1 盾構施工安全影響比較

根據總體施工規劃，降水井布設于隧道兩側，距離隧道外邊線約8 m，位于盾構施工影響的三倍洞徑范圍內，盾構機在推進過程中會不可避免地擾動周圍地層，使得地層發生擠壓和變形等。由于水泥管剛度低于鋼管，水泥管的抗彎、抗拉、抗壓強度，以及接頭側向受力更是明顯低于鋼管，在盾構推進過程中可能出現井管局部錯位變形的可能，進而導致不能正常降水甚至降水井損壞。

2.6.2 井損系數比較

在相同地層相同井結構條件下，井損越小，降水井發揮的功效越大，單井出水量越大，目的區域的水位降深越大，所需降水井數量也會相應減少。根據以往的施工經驗，鋼制井濾管與水泥管濾管相比，其井損相對更小，更易控制成井質量及綜合成本。

2.6.3 施工風險比較

由于本區域地層主要以砂卵石為主，如果使用內徑400 mm的水泥管，外徑會達到500 mm，成孔直徑必須達到800 mm才能保證成井質量。缺點有：沖擊鉆成孔時間將增加20%左右；成孔直徑越大，塌孔的概率越高；根據以往施工經驗，同直徑等深度的降水井，下水泥管的平均時間比下鋼管多一倍有余；本區域內地下水較為豐富，施工過程中漿液濃度極易被地下水稀釋，成孔直徑越大，施工時間越長，護壁漿液被稀釋的就越厲害，塌孔、縮孔幾率將會加大。

2.6.4 施工成本比較

400 mm的水泥井管比400 mm的鋼井管節約費用約為238元/m（其中鋼井管單價約為318元/m，水泥井管單價約為80元/m），成孔直徑800 mm的水泥井管比成孔700 mm的濾料、粘土球、40目錦綸濾網等輔材增加費用約57元/m，人工費增加約20%，即57元/m，機械設備費增加約20%，即126元/m。故不論采用水泥井管還是鋼井管，總體費用相差不大。

綜上所述，建議成井管材采用鋼井管。

3 試驗成果

3.1 群井抽水試驗

試驗前通過觀測試驗井內靜止水位可知，試驗井內初始水位埋深約為26 m。鑒于本次試驗井施工時豎井已進入挖土降水階段，為確保豎井順利施工，故每完成1口試驗井立即投入運行。試驗井開啟順序為S1、S2、S3、S4，陸續開啟S1（井深71 m、抽水泵額定流量40 m3/h）、S2（井深71 m、抽水泵額定流量50 m3/h）、S3（井深71 m、抽水泵額定流量32 m3/h）、S4（井深71 m、抽水泵額定流量50 m3/h）進行群井試驗，維持4口井群井持續抽水約1 d后，水泵出現“喘氣”現象，且動水位已經在水泵進水口位置（埋深67 m），說明目前的水泵型號滿足試驗要求，停抽一口作為觀測井，其余3口試驗井繼續保持抽水狀態，觀測井水位基本穩定后，實測其水位埋深，詳見表1。

表1 觀測井水位埋深情況

通過分析表1，3口井抽水時，最大水位埋深為34.0～35.3 m，相比初始水位，水位降深為8～9.3 m，其中停抽S1時水位為34.0 m，為最不利水位。

3.2 單井抽水試驗

單井抽水試驗時，選擇S2作為抽水試驗井，S1、S3作為觀測井，持續抽水18 h后停抽恢復至水位相對穩定，采用額定流量為50 m3/h的抽水泵，單井平均出水量約56.75 m3/h。試驗期間豎井內持續進行排水，且各觀測井均在抽水停止后才進行水位觀測，故單井抽水試驗期間初始水位較群井試驗期間相比有較大的下降，水位埋深為32.11～40.3 m，水位降深為3.11～5.4 m。詳見表2、圖4。

表2 單井抽水期間各觀測井內的水位變化

圖4 單井抽水時觀測井水位埋深與時間變化歷時曲線

3.3 試驗結論

本試驗段盾構底埋深為61.4 m，后續考慮將水位降至盾構底以上10 m處，即需將水位控制在51.4 m處。根據現有試驗結果可知，目前已施工的4口試驗井難以達到將水位控制在盾構底以上10 m的要求。后續計劃在現有4口試驗井的基礎上新增2口試驗井，井深75 m，再次進行抽水試驗，通過后續試驗結果確定最終降水井數量。

4 結論

本工程進行降水試驗井設計，一是為了實測出地下水位；二是實測出單井出水量，確定水泵配置；三是復核水文地質參數；四是觀測水位能否降至設計要求。實踐證明，通過降水井抽水試驗，可以準確掌握盾構區間靜止水位、出水量、動水位、恢復水位以及水位穩定延續時間等參數，為盾構機的正常掘進提供了保證。同時，優化降水井結構，為后續降水井的設計提供參考依據。