管井降水技術在江底取水隧道修復中的應用

車燦輝， 黃 健， 劉 靜

(1.安徽省地礦局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000； 2.安徽水文地質工程地質公司，安徽 蚌埠 233000；3.中鐵十四局大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210031)

0 引言

隧道工程為典型的地質工程，在進行隧道施工過程中，不可避免要遇到各種不良的工程地質問題。特別是水下隧道，面臨地下水壓高、沼氣(囊)豐富等復雜工程地質狀況，容易發生氣體噴溢、地下水涌出以及泥沙涌出等風險，給施工帶來障礙以及周邊地面沉降等問題，甚或釀成重大的工程事故。

溫竹茵等[1]對上海滬崇蘇特大隧道施工中可能遇到的不良工程地質問題進行了具體的分析，并提出了詳實可行的施工技術措施。該工程中涉及了江底隧道施工中經常遇到的工程地質問題。提出了鉆井釋放淺層沼氣的措施；設計了針對承壓水問題的密封裝置；采用了針對管涌和流沙的技術。徐彬等[2]就輸水隧洞中存在的突發涌水問題以及塌方進行了分析，并制定了一套預防和搶險的方案。祁孝珍等[3]針對遼寧大伙房輸水隧洞的管涌突水問題進行了分析，并總結了幾種突水的前兆標志。孫謀等[4]就武漢長江隧道施工中存在的高水壓問題進行了分析，具體針對施工開挖面的穩定以及防坍塌技術，防泥水噴發技術以及隧道上浮等關鍵技術進行了闡述。林朝[5]對隧道施工冷凍法的發展進行了概述，并以廣州地鐵施工為例，詳細介紹了施工中的冷凍方案設計和技術要點以及施工工藝，對凍結效果以及施工中的要點進行了分析。

從上述研究成果看，關于隧道施工中地質災害問題及施工對策研究、承壓含水層中隧道施工技術和地下水盾構注漿封堵與冷凍封堵技術等方面的研究成果很多，但就長江入海口進行水下隧道修復過程中的承壓水控制尚無先例。鑒于此，本文以長江入海口某發電廠取水隧道修復工程為依托，針對高承壓水對隧道修復帶來的施工風險，提出采用管井進行水下降壓降水技術方案，并進行了理論分析及現場試驗，結合三維數值模擬計算分析，給出了設計及施工方案，并得以成功應用。

1 工程概況

蘇南某發電廠擴建工程取水方案采用2條大直徑的地下隧道從長江深水區取水，取水隧道位于長江入海口，處于已建或在建構筑物的包圍中，上游有在建碼頭，下游僅距輸煤棧橋防撞樁40 m。隧道橫穿長江大堤，在陸域僅87 m，在長江水域長870 m，為典型的地下水工構筑物，且建于水下軟土層中，較一般水工構筑物施工難度大，施工中潛在的地質災害難以預測、預報。

西線隧道順利完成了施工，但東線隧道在盾構最后一環推進施工時，發生了沼氣噴溢引起承壓水攜帶泥砂涌入險情。要修復受損隧道，必須降低⑥層承壓水，同時釋放地層中蘊含的沼氣。

但是長江上降水的特殊性決定了降水工程的難度：(1)降水井施工、降水運行管理受江水影響較大；(2)承壓含水層很可能會直接接受長江水的補給，水位無法降低；(3)下部含水層厚度大、滲透性能好，涌水量大；(4)水位降深大，降水引起的土層壓縮可能對已建隧道造成較大影響。

基于以上問題，本次先從水文地質條件上分析降水的可行性；再進行現場抽水試驗驗證，并計算各相關含水層的水文參數；最后對整體江上降水方案進行設計及施工。

2 工程區水文地質條件分析

2.1 地層結構

根據巖土工程勘察報告，工程區大部分被第四系沉積地層覆蓋，地基土由河口-濱海相第四系全新統和晚更新統松散沉積物組成。上部為第四系全新統沖擊軟塑—流塑淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉質粘土夾砂土等；下部為第四系全新統粉砂、粉細砂、粗砂等，見圖1。

2.2 水文地質條件

圖1隧道地質剖面(單位：m)
Fig.1Geological profile along the tunnel (unit: m)

工程區地表為長江水體，江底以下工程建設涉及的第四系地層存在2層承壓水，主要分布于隧道底部的⑥層粉土、⑧層粉砂及深部砂層中，分隔2層承壓含水層的⑦層粉質粘土相對隔水層埋深約為40 m，厚度約為4 m，分布不連續，在局部可能缺失。勘察報告中將⑥層粉土、⑧層粉砂作為同一含水層考慮。

2.3 降水可行性分析

(1)隧洞頂部分布的隔水層——④層淤泥質粉質粘土層：此層是將長江這一巨大的、流動的地表水體與隧道頂面有效隔斷的隔水頂板。其垂直方向上滲透系數達到10-7～10-8cm/s量級，屬不透水層；該層相對穩定，普遍厚度>6.0 m，能有效阻隔10 m深江水垂直入滲，是本工程場地的重要工程地質隔水層組。

(2)盾構隧道推進層——⑤層粉質粘土夾粉土層：本層地下水賦存在所夾的薄層粉砂、粉土層中，富水性不豐富。夾層水平延伸不遠、層位不穩定，周圍被粘性土所封閉，地下水連通性差，其滲透性10-5cm/s量級，屬微透水層，且水平和垂直滲透性差異不大，也正因為其相對隔水性，才能將沼氣等可燃氣體封閉保存在所夾砂性土透鏡體中。該層與上覆④層共同構成相對隔水層，也可有效阻止江水入滲。

(3)隧道底部第一承壓含水層——⑥層粉土層：本層的特點是以粉粒土為主的含水層，受沉積環境的影響，夾有薄層的粉砂或粉質粘土，使含水層在垂直方向有各向異性的特點，其水平滲透系數要大于垂直滲透系數，勘察報告給出其KH=2.3×10-5cm/s、KV=1.5×10-5cm/s。本層的砂土密實狀態為中密，因其顆粒細又有粘性土薄層分布，水量不大，但水頭壓力高。其高水頭是造成隧道底板突涌的最主要原因，是本次降水的目的含水層，主要以減壓降水頭為目的。

(4)隧道底部第一承壓含水層隔水底板——⑦層粉質粘土層：勘察報告認為本層厚度小，分布不均勻，局部缺失，忽視其隔水功能，認為⑥層粉土與下伏的⑧、、層共同構成了統一的承壓水含水層。經仔細分析⑦層的沉積環境和區域分布范圍，發現該層分布應該較穩定，其陸域厚度大，可達10余米，而江底厚度雖薄，也達4～5 m，其隔水作用不可忽視。可切斷或減少⑥層粉土與⑧層粉砂垂直方向的水力聯系，有利于分層控制、減少降水抽水量，減小降落漏斗的半徑。

(5)隧道底部第二承壓水含水層——⑧層粉砂及深部砂層：本層的顆粒粒徑較⑥層粗、厚度大，滲透性能要遠高于⑥層，已有鉆孔資料顯示，100 m深度范圍內未揭穿此層。一旦該層與降水目的含水層水力聯系密切，將大大增加總涌水量、降水難度及隧道修復風險。

從上述水文地質結構剖析，本場地具備在江面對隧道底部第一承壓含水層中的高承壓水頭進行減壓降水的巖土環境條件和水文地質結構條件。

3 現場抽水試驗驗證

3.1 試驗目的

現場抽水試驗的主要目的在于驗證目的含水層的水頭壓力能否降低，并為降水井的設計、施工提供可靠的依據，具體如下：

(1)查明目的含水層(第一承壓含水層)與長江水體、第二承壓含水層之間的水力聯系程度；

(2)求取目的含水層的水文地質參數，如滲透系數、影響半徑、單井涌水量等；

(3)通過試驗觀測，分析降水可能對已建隧道造成的影響；

(4)提供合理可行的降水方案。

3.2 試驗井布置

為防止試驗對已建隧道產生影響，在東線隧道的東側布置4口試驗井，其中3口井濾管設置在第一承壓含水層中(編號1、2、4)，1口井濾管設置在第二承壓含水層中(編號3)，見圖2、3。

圖2 試驗井平面位置Fig.2 Test well plane position

3.3 試驗井施工

試驗井施工充分克服了長江上定位、施工、止水等一系列難題。施工時選用了1條大噸位的駁船作為本次試驗井施工、抽水試驗船只。

3.3.1 平臺搭建

采用旁側式鉆探平臺，平臺外伸3.0 m，寬>6 m，下懸掛副平臺，兩平臺上下距離≥2.0 m。上平臺面用厚度≥50 mm的木質地板鋪設、固定，下平臺面用鋼絲網鋪設，上下平臺配備必要的防護欄桿，平臺的孔口槽板應拆卸方便，以便遇緊急情況撤離。

圖3 試驗井結構Fig.3 Test well structure

3.3.2 錨泊定位

施工船采用拋錨泊位，配備至少4只鐵錨，形為齒狀，呈米型布置，備用錨1只，當某一側錨因水流方向變化出現微走錨時，在可能造成平臺船漂移的最大流向方向上增補，提高船在施工時抗漂移的能力。

降水井定位工作采用GPS雙頻RTK系統和實時差分系統進行，同時在岸上采用全站儀進行校核。

3.3.3 護管及成孔

試驗井施工時，選用高強度的?800 mm優質鋼管作隔水保護套管，采用60 t(600 kN)震動錘將護筒插入江底地層中8 m以上，采用?600 mm三翼鉆頭成孔。

井管提前包扎好備用。下管時，用船吊垂直提吊井管下入孔內，使其位于鉆孔中心，濾管外側捆扎扶正器，確保濾管外側濾料層的厚度均勻，且大于規范中的最小厚度。

3.3.4 填礫、止水

(1)填礫料前先換漿，保證礫料順利下沉；

(2)采用井管外通水填礫料法，填礫中途不宜停泵；

(3)填礫時礫料沿井管四周均勻連續投入，填礫速度要適當，隨填隨測填礫深度；

試驗井采用?2～3 cm優質粘土球止水，止水層厚度約為5 m，上部至孔口段用粘土回填密實。

3.3.5 洗井、試抽

下管填礫后立即進行洗井工作。洗井主要采取沖水頭洗井，直至洗清為止。洗井結束后，及時進行試抽水，以檢驗井深、單井涌水量、出水含砂量等情況是否符合要求。

3.4 試驗數據

試驗過程中，采用全自動水位觀測記錄儀進行水位數據采集，利用水表進行流量采集。

考慮長江潮汐的影響，正式試驗前3天，分別對地下水位及江水位進行觀測，三者之間具明顯的水位差，可見三者之間無直接水力聯系，見圖4。

圖4 地下水位與江水位關系曲線Fig.4 Groundwater vs river level curve

第一承壓含水層單井出水量約為400 m3/d，單位涌水量q1=0.155 L/(s·m)，主井水位降深31 m，同層觀測井水位分別下降了7.98、3.94 m，而第二承壓含水層觀測井水位基本無變化；第二承壓含水層單井出水量約為1600 m3/d，單位涌水量q2=0.482 L/(s·m)，主井水位降深37.96 m，而第一承壓含水層水位基本無變化，見表1、圖5、圖6。反映出兩含水層之間水力聯系差，也間接判斷了⑦層粉質粘土的穩定隔水性能。

表1 抽水試驗結果Table 1 Pumping test results

注：標“*”表示主井水位，“△”表示未觀測到水位有明顯下降。

圖5 第一承壓含水層抽水s-t曲線Fig.5 s vs t curve of the first confined aquifer

圖6 第二承壓含水層抽水s-t曲線Fig.6 s vs t curve of the second confined aquifer

抽水試驗過程中，對護筒及西線隧道進行沉降監測，未觀測到地層有明顯的沉降。

3.5 參數計算

3.5.1 第一承壓含水層

選用帶2個觀測井的承壓含水層完整井公式：

(1)

(2)

式中：K——滲透系數，m/d；Q——抽水量，m3/d；r1、r2——兩個觀測井至抽水井的水平間距，m；s1、s2——兩個觀測井內的水位降深，m；M——含水層厚度，m；R——影響半徑，m。

將試驗數據代入式(1)、(2)，計算得到第一承壓含水層滲透系數為1.508 m/d，影響半徑為70 m，見表2，根據相關工程經驗，砂性地層的影響半徑可達500 m左右，計算值偏小，建議影響半徑按300 m取值。

表2 第一承壓含水層計算參數Table 2 Calculation parameters of the first confined aquifer

3.5.2 第二承壓含水層

該層僅布置1口非完整井抽水，且無觀測井，選用承壓非完整井單孔抽水計算公式：

(3)

(4)

式中：rw——抽水主井井徑，m；sw——抽水主井水位降深，m；l——過濾器長度，m。

將試驗數據代入式(3)、(4)，計算得到第二承壓含水層滲透系數為2.75 m/d，影響半徑為630 m，見表3，考慮到主井井損的影響，計算結果偏小。

表3 第二承壓含水層計算參數Table 3 Calculation parameters of the second confined aquifer

4 隧道修復降水方案

4.1 降水井布置

考慮到地質條件復雜，在東線隧道繼續施工期間隧道外部降水、隧道抽水、外套管下沉等施工時，將不可避免的對隧道周圍土體產生一定程度的影響。為減小對已通水的西線隧道產生較大的不利影響，在兩條隧道之間采取高壓旋噴樁隔離，旋噴樁深入⑦層粉質粘土層1 m，離東線隧道外側6 m。

降水井布置時采用三維數值模擬軟件進行分析計算，即根據工程的地質和水文地質條件，建立本工程地下水滲流三維計算數值模型(圖7)，再將抽水試驗數據代入模型，對降水進行模擬分析，得到降水后的等水位線圖(圖8)。

圖7 三維數值模型離散圖Fig.7 Discrete diagram of the three-dimensional numerical model

圖8 第一層承壓含水層水位標高(m)等值線圖Fig.8 Water level contour of the first confined aquifer

從圖8可看出，受隔離墻的影響，當修復段水位降至設計要求標高-25.0 m，已建西線隧道附近最大水位降至標高-10.0 m，隔離墻的繞流阻水效果明顯。總涌水量約1500 m3/d，考慮群井干擾影響，單井出水量按抽水試驗時單井出水量的一半考慮，即200 m3/d，共在隧道東側布置了12口降水井(包含4口備用觀測井)，降水井結構與試驗井相同。

4.2 變形分析

降水引起地層的沉降主要有以下2個因素：(1)降水過程中，地層中大量的細顆粒隨降水井抽水被帶走，導致地層沉降，此種沉降一般會產生較大的不均勻沉降，具有很大的破壞性；本次施工過程中，降水井出水含砂率<1/10萬，避免了細顆粒被帶走而產生的地層沉降。(2)含水層(組)內地下水位的降低，導致土層內液壓降低，顆粒間的有效應力增加，從而導致松散類含水層(組)骨架發生壓密引起地面沉降，此種沉降等值線與水位等值線形狀相同，不均勻沉降較小。

對于④層淤泥質粉質粘土層，其上部有約10 m深的地表水體，在降水過程中，可以始終保持該層不失水，模擬計算的結果同樣表明該層水位未發生變化，該層雖為高壓縮性土，但在降水過程中，該層不會產生失水固結沉降。對于第二承壓含水層，其與第一承壓含水層之間存在⑦層粉質粘土，且降水井濾管并未設置到第二承壓含水層當中，降水過程中，該層水位不下降，可以不考慮該層因水位降低引起的地層沉降。

綜上分析，降水過程中會因水位下降而產生沉降的地層主要是⑥層粉土，而地層沉降對已建隧道的影響主要表現在不均勻沉降可能會造成已建隧道管片的拉裂。累計沉降量可采用《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)[6]中沉降計算公式：

(5)

根據圖8的水位數據，可計算出各點的累計沉降量，東線隧道最大沉降量約為189 mm，最大不均勻量為1.1 mm/m，西線隧道最大累積沉降量約為77 mm，不均勻沉降約0.58 mm/m，見圖9。雖然累積沉降量較大，但不均勻沉降量小，對已建隧道的影響小。

圖9 東線隧道累計沉降量與距離關系曲線Fig.9 Curve of cumulative subsidence vs distanceof the eastern line tunnel

5 結論與體會

本工程采用水下管井降水取代氣壓門作為隧道修復過程中的安全備用措施，同時又通過降水井釋放了地層中蘊含的豐富沼氣，提高了工程的安全性。通過本工程的實施，得到以下幾點體會：

(1)地下工程面臨的問題絕大多數是地下水的問題，對地下水的理解與認識是避免及解決地下工程事故的首要前提。

(2)本工程中，通過對場地水文地質結構進行剖析，查明江水及下部巨厚的承壓含水層與目的含水層水力聯系程度差，認為可通過降水的方式來預防隧道修復過程中再次突涌問題，并通過現場抽水試驗進行了驗證，最后對整體江上降水方案進行設計施工。

(3)水位下降引起的沉降主要是均勻沉降，對形狀構筑物，造成破壞的主要是不均勻沉降；施工中，應嚴格控制降水井質量，確保單井出水量及出水含砂率均滿足要求，防止地層細顆粒流失引起不均勻沉降。

由于本工程降水是作為備用措施，并未進行長期連續的降水，未觀測到隧道沉降變化，在今后類似工程中，應加強對地層沉降的研究。