水下降水關鍵技術的研究與應用

沙俊強，張百濤

(國網江蘇省電力有限公司 建設分公司，南京 210024)

隨著經濟和社會的高速發展，穿越水體的隧道、輸水管道、輸電通道及水體內的沉井、圍堰等工程越來越多，如：過江隧道、穿湖隧道、跨海大橋橋墩施工等。這些工程均穿越水體下的土層。水體下土層相對于陸上土層，存在分布復雜多變、雜物多、與上部水體存在補給關系等問題。特別是水下土層中存在承壓水時，對盾構環片接縫處及沉井(圍堰)底部會形成威脅，容易導致盾構結構環片間滲漏、沉井(圍堰)底部出現管涌、流砂等現象；過大的承壓水還可能導致盾構、頂管的上浮。因此對危險性較大的工程有必要采用“水下降水技術”降低水體下土層中地下水的水位或水壓(部分特殊地質也可同時排除地下有害氣體)，避免對工程造成危害[1]。

“水下降水技術”是一種特殊情況下的降水技術，它是指在江、河、湖、海等水體下的土層中進行降水的技術，主要目的是為了降低水體下土層中地下水的水頭壓力和水位，減小對穿越該土層的地下工程結構的危害。該項技術在國內外研究、應用較少。在此之前，有個別對小型水體或岸邊沉井(圍堰)采用水平或斜管降水的案例，如杜德明[2]撰寫的論文《深基坑內45°橫向降水施工技術》中對斜管降水技術進行了相關的研究。但在大型水體下的管井降水施工，本文所述工程為國內首次在實際工程中研究并成功應用。

1 工程概況及特點

現以長江岸邊某盾構取水隧道工程為例，對水下降水技術進行研究分析。該取水隧道工程位于長江岸邊，取水隧道頭部深入長江干流內1 000 m處、27 m深的水下土層中，盾構直徑為4.8 m。根據地質勘察報告，工程所在地地質情況如下：江底線以下①號土層為淤泥質粉質粘土，②號土層為粉質粘土夾粉砂，③號土層為粉土，④號土層為粉質粘土。其中隧道穿越土層為③號土層。

工程所在地水文條件如下：(1)歷年最高潮位4.801 m，歷年最低潮位-1.589 m，歷年平均潮位2.041；(2)江水最大流速為2.78 m/s，漲潮時逆向最大流速為3.12 m/s；(3)最大波高2.8 m，周期2.9 s；(4)上層水體與③層水力聯系不明顯，③承壓含水層水位波動受長江水位及潮汐影響較大，主要接受長江水補給。

該工程有以下特點：

1)由于盾構穿越土層埋深達到27米，加上土層上部有12 m厚的水體，參照靜水力學公式及孔隙水壓力的現場(埋管)測試，③號土層中承壓水壓力達到261 kPa。

2)由于長江岸線緊張，本工程占地狹小且不規則。盾構為避開既有碼頭，采用曲線型，且環片間接口為平口型，轉彎處環片間接口存在不均勻性，土層中的高水壓對盾構環片間形成較大威脅。

3)該取水隧道工程位于長江干流與支流交界處，長江支流常年帶入大量有機物并沉積在干流的土層中。前期的工程加密勘測中，也發現少量的小型沼氣團。沼氣團的存在一方面壓力不可控，另一方面沼氣團從環片接縫處涌入盾構內容易產生作業人員窒息、爆炸的風險。

4)工程所在地①號土層為淤泥質粉質粘土，厚度為12.39 m，垂直滲透系數為1.4×10-5cm/s，水平滲透系數為1.6×10-5cm/s。

基于以上四點，經多輪探討、論證，初步確定采取水下降水的方式，降低③號土層中水位到盾構頂部以上1 m的位置，同時排除土層中的沼氣團，確保工程施工安全。確定水位降到盾構頂部1 m以上，是避免水位降到盾構底部后，盾構底部因降水產生沉降[3-4]，影響盾構結構安全。

2 水下降水的技術難點及可行性分析

本工程位于水體下的27 m深的土層中，上部水體平均厚度為12 m，再根據土層地質資料和相關參數，輕型井點方案不具備實施條件，擬采用管井降水。

以下對水下管井降水的難點和應對措施逐一分析。

2.1 隔離上部水體的問題

難點：如何有效隔離上部水體，避免上部水體和降水目標層形成補給關系，是水下降水首先要解決的問題。

應對措施：根據地質勘察報告，①號土層垂直滲透系數僅為1.4×10-5cm/s，為天然的隔水層，具備隔離上部水體下滲的條件。如果實際下滲量偏大，可以通過在江底鋪設一層隔水層或對土層進行預處理，進一步減少水體下滲量。

2.2 降水井穿越水體以及上部水體與目標降水層的隔斷問題

難點：水下降水施工時，降水井需穿越上層水體，要克服水流、潮汐和波浪的影響。定位和降水井安裝難度大。同時，水下降水管道豎向穿越①號土層時，上部水體容易通過管井周圍空隙和目標降水層(③號土層)連通，形成補給關系。這種補給關系一旦建立，江水補給量小時，大幅降低管井降水效果；補給量大于管井出水量時，將導致降水失敗。因此，必須采取技術措施進行隔斷。

應對措施：考慮到上部水體及水流對成井的制約，擬采用止水套管方案，即：在穿越水體部分采用大于管井直徑的鋼套管(可回收)隔離江水，鋼套管下插到①號土層一定的深度(不穿透)，在套筒內形成成井作業空間；在套管內施工便于控制管井的位置和垂直度控制。同時，為了阻斷管井豎向穿越①土層時形成的空隙，可以采取在套管和管井間填入粘土阻斷上部水體和目標降水層的通道。

2.3 水文地質參數的可靠性問題

難點：和陸上土層相比，水下土層地質條件更復雜、參數多變，地勘確定的土層參數準確性差，為降水方案的設計計算帶來不確定性。

應對措施：為獲得水下土層的準確參數，如滲透系數等。降水可以分兩步，先實施試驗井，通過抽水試驗采集更接近實際的數據，準確測定、計算相關參數。相對于一般陸地上降水，水下降水的抽水試驗更重要。

2.4 水下作業平臺設置問題

難點：和陸上降水施工相比，水下降水需在水面上設置作業平臺，作業平臺的設計和實施存在較大難度。

應對措施：水下施工作業面一般采用水下平臺或船舶。如果設置平臺，則需要設計平臺樁，平臺樁要插入水下土體中，容易形成上述第2.2條所述的江水下滲連通通道，且成本過高。因此，降水管井套管和管井施工宜采用大噸位船舶，同時采取壓艙措施，以保證作業面的穩定。

3 水下降水方案設計及計算

根據張永波所著的《基坑降水工程》，參照陸上降水設計方法[5-6]，通過分析、計算、比選，適當加大降水能力的冗余量(考慮上部水體的影響)，初步設計在盾構兩側呈之字型設置14口直徑為600 mm、深度45 m(從江平面0.0 m標高算起)管井，管井鋼濾管直徑為273 mm。

降水管井的深度根據兩個條件設計：

一是降水水位的目標值為穿越工程(盾構)頂部以上1 m。目標值的確定主要考慮保證盾構底部承受的最大水壓力為5.8 m；盾構在推進過程中可以承受該壓力；如果將水位降低到盾構隧道底部以下，容易導致盾構下沉[7-8]，且造價大幅增加。經專題論證，綜合考慮安全和經濟性，確定上述目標水位值。

二是考慮③號土層下④號土層為粉質粘土，降水井底部宜設置在③號土層底部，因此選定降水井深度為45 m。

降水井的位置也根據兩個條件設計：一是降水影響半徑，根據土層地質參數情況，初步確定降水影響半徑為70 m；二是受狹窄場地影響(上下游均有碼頭)，降水井設置在盾構兩側6 m處。

根據前文分析，考慮到上部水體及水流對成井的制約，采用套管方案，即：在穿越水體部分采用直徑為800 mm的套管隔離江水，在套筒內形成成井作業空間；同時在套管和管井間填筑粘土層隔離上部水體和③號土層的通道，管井位置、結構及相關參數如圖1所示。

圖1 地層剖面及管井結構圖

考慮到水下土體的復雜性，管井實施分兩步進行，第一步擬設置4口試驗井，通過抽水試驗準確測定各類參數，并根據試驗結果對抽水方案進行調整、完善；抽水試驗同時可以初步驗證水下降水的可行性。在此基礎上再進行正式降水井的實施，前期試驗井作為觀測井使用。試驗井布置如圖2水下降水試驗井點布置圖。

圖2 水下降水試驗井點布置圖

鑒于篇幅所限，本文僅對套管打入土層深度的設計計算和試驗井的數據分析方法等關鍵問題進行描述。

3.1 套管打入土層深度的設計計算

關于套管打入①號土層的深度，主要考慮兩個方面的因素，一是套管打入土層后，要克服上部水體流水壓力和波浪荷載的作用，避免套管底部移動甚至脫出，導致套管內降水管井損壞；二是在套管和管井間填充粘土隔水層的可靠性。

3.1.1 套管在水體中承受的流水壓力

水流速度按工程所在地處長江最大流速和漲潮時逆向最大流速的較大者，取3.12 m/s。流水壓力著力點，設在設計水位線以下0.3倍水深處。

流水壓力標準值公式為：

(1)

式中：Fw—流水壓力標準值(kN)；k—套管形狀系數，圓形取0.8；A—套管迎水面積(m2)；γs—水的容重(9.8 kN/m3)；g—重力加速度(9.8 m/s2)；V—水流最大速度(m/s)。

由式(1)，水體深度按平均水位時的深度12 m計算，套筒直徑為800 mm，則流水壓力標準值為：

Fw=0.8×0.8×12×9.8×3.122/(2×9.8)=37.38 kN

3.1.2 套管承受的波浪荷載

由于工程處在長江入海口，潮汐和浪高較大，還應考慮波浪荷載。垂直套管軸線方向的單位長度荷載采用Morison公式計算，波浪荷載的著力點，設在最高浪頭以下0.3倍浪高處。

(2)

作用在單根鋼套管上的波浪總荷載，可由PDmax(波浪力速度分力最大值)、PImax(波浪力慣性分力最大值)計算，計算式分別為：

(3)

(4)

上述公式中：CD—拖曳系數，圓形套管拖拽系數CD取1.2；γs—水重度(kN/m3)；g—重力加速度(m/s2)；A—垂直于對象軸的單位長度投影面積(m2/m)；U—垂直于對象軸上的水體速度分量(m/s)；CM—慣性系數，圓形套管慣性系數CM取2.0；V—單位長度上移動體積(m3/m)；D—有效直徑(m)，取0.8 m；H—波高(m)，取2.8 m。

根據《海港水文規范》K1取0.361、K2取0.671。

由式(3)：PDmax=1.2×9.8×0.8×2.82×0.361/2=13.31 kN

由式(4)：PImax=2×9.8×3.14×0.42×2.8×0.671/2=9.25 kN

因PDmax大于0.5 PImax，所以波浪總荷載為：

3.1.3 套管在土層中承受的被動土壓力

在受水流水平應力作用下，套管沒入①號土層的深度范圍內與土層接觸面的受力為被動土壓力。為了保證精度，采用朗肯理論對被動土壓力進行計算。

(5)

(6)

式中：PP—套管深入①號土層中總被動土壓力合力(kN)，作用于底部以上1/3 h處；γt—①號土層的容重，根據地質勘察報其值為16.2(kN/m3)；h—鋼套管插入①號土層的高度(m)；KP—被動土壓力系數；c—①號土層粘聚力，根據地質勘察報告其值為8(kPa)；φ—①號土層內摩擦角，因江底土壤含水量較大，根據地質勘察報告其值為15°。

由式(5)：PP=13.69h2+20.80h(kN)

所以：套管在①號土層中總被動土壓力合力為：PP=13.69h2+20.80h(kN)。

3.1.4 套管打入土層深度確定

根據3.1.1-3.1.3計算結果，以套管打入①號土層中最低點為支點，流水壓力和波浪荷載力矩的和與套管在土層中總被動土壓力合力力矩相等時，二者平衡，列方程如下：

14.92×(h+12+2.8×0.7)+37.38×(h+12×0.7)=(13.69h2+20.80h)×h/3

解一元多次方程，得h=5.11(m)。

所以，套管打入①號土層5.11 m時，即可以保證套管的穩定；但為確保降水安全，考慮將套管打入①號土層6 m深處。經計算和現場試驗，在套管和管井間填充6 m粘土也可以有效承受上部水壓并隔離上部水體。

3.2 試驗井的數據分析及參數確定方法

由于水下降水的作業平臺實施技術要求高、周期長、成本高，所以降水方案的井點布置、管徑、深度設計等必須準確，否則井點設計達不到預期的效果，臨時增加井點或調整位置都要付出巨大的代價。而要保證降水方案合理、可行，相關參數必須準確、可靠。因此，在降水試驗的基礎上，宜采用三種方法(理論)對水文地質參數進行測算，然后對比其計算結果，再綜合取值，保證計算數據與實際情況一致。這三種方法分別是：穩定流理論、非穩定流理論(解析法)和三維計算數值法(數值法)。

其中穩定流理論、非穩定流理論是陸上降水常用的方法。三維計算數值法是建立地下水滲流三維計算數值模型，再根據抽水試驗觀測資料進行反演分析，來確定相關參數[9-11]。該方法適用于水下、陸上降水地下水計算。考慮到水下降水上部覆蓋了12米厚度的水體，采用三維計算數值法可以更準確的計算出相關參數。

三維計算數值法計算步驟：

1)建立三維非穩定數值模型，主要利用地下水連續性方程及其定解來描述地下水的三維非穩定滲流規律。

2)對場地水文條件進行概化，計算范圍以試驗區為中心，四周按定水頭邊界處理，水平方向上由中心向外逐漸變疏的原則進行剖分，在垂直方向根據地層剖分。

3)根據抽水試驗資料，將抽水試驗參數代入三維數值模型中，進行模擬計算，對比計算結果和實測數據，循環調整并反演，最終取得最符合實際的參數，如表1抽水試驗反演參數。

表1 抽水試驗反演參數

上述三維計算數值法一般采用滲流軟件進行計算。試驗井數據的準確性和系統性是參數計算準確性的關鍵。因此試驗井的施工、觀測、監控非常重要。本次計算主要采用Modflow 軟件中的PEST 程序。為了便于滲流計算，對場地水文地質條件進行概化，為了克服邊界的不確定性給計算結果帶來誤差，計算的范圍以試驗場區為中心取1 250 m×1 250 m，四周均按定水頭邊界處理，計算過程中以長江低潮平均水位為準。有限差分網格水平方向上本著由抽水試驗區向外逐漸變疏的原則進行剖分，在垂向上根據地層進行剖分，為簡化起見，假設地層厚度為等厚。

4 水下降水的施工過程、控制要點及結果

根據先期實施4口試驗井的抽水效果分析，水下降水可以有效降低水體下土層中的承壓水的壓力和水位。同時根據抽水試驗數據，采用本文3.2所述方法對滲透系數、影響半徑進行修正、調整，根據表1可以看出，數值法反演計算可同時給出含水層水平和垂直滲透系數。計算結果顯示，反演計算出的①土層和第③層滲透系數與解析法的計算結果基本一致，說明試驗及計算模型較為準確。但考慮到水下降水的復雜性，為確保工程安全，實際施工方案按15%的冗余量設計，對整個降水方案進行了優化，將14口降水井增加到16口，管井間距也進行了相應的調整。

4.1 水下降水施工過程

水下降水方案經調整、完善后，就組織在取水隧道工程兩側的長江江面上實施。施工平臺采用大噸位的700噸船舶作為主施工船，300噸駁船配合，并經配載壓倉至吃水線。經套管安裝、管井成孔、濾料裝填、套管止水及洗井試抽等工序后，開始正式抽水。

4.2 水下降水施工要點

水下降水施工最重要的環節是避免上部水體下滲與目標降水層連通，因此應特別控制好套管安裝的施工，施工過程中應特別注意以下幾點：

1)套管下沉應在無風、微風或平潮時施工，且振錘振幅應盡量小，以2～3 mm為宜，以減少對土層的擾動。

2)嚴格控制套管垂直度，套管垂直度偏差大，套管和管井之間空隙不均勻，將導致止水粘土球厚薄不一，影響止水效果。

3)套管要嚴格按方案要求沉到標高-18 m處，打入土層過淺，套管容易晃動、脫出，且減少了粘土隔水層的厚度；打入土層過深則減少了套管與下層水體的隔離厚度，且套管頂標高降低，波浪和潮汐較大時，江水將灌入套管內。

4.3 水下降水實施效果

正常抽水22天后，江底下③號土層中的地下水位下降到盾構頂部設計標高以上1.2～1.8 m之間，基本達到預定的效果。在這種水位下，盾構掘進施工過程中未發生環片接縫處滲漏等問題，也未發生盾構內氣體報警等現象，整個工程安全、順利完成。

5 水下降水技術應用條件

水下降水技術因其技術的復雜性及工程部位的特殊性，實施過程涉及到的措施費用較高，其應用范圍也有一定的條件要求。一般來說，具有下列一項或多項情況時，可采用水下降水技術：

1)工程所在地受廠址所限無法變更廠址(路徑)或變更廠址(路徑)費用遠大于水下降水技術措施增加費用的(如：本文所述工程為該區域長江岸線唯一的尚未占用的取水資源)。

2)采用一定的技術措施，如：加強盾構環片接口承壓能力，仍然無法承受施工層水壓力或加強環片間承壓能力增加的費用遠大于水下降水增加費用的[12-16]。

3)施工層中已經探明有沼氣團存在，有較大安全隱患的。

4)有天然隔水層或人工設置隔水層產生的費用在技術經濟比較中仍然有優勢的。

6 結論與建議

水下降水技術在本工程的成功應用表明在地質條件允許的情況下，或者采取一定的技術措施，降低水體下土層中的水位(潛水層)或水壓(承壓水層)是可行的。水下降水方案的各項技術措施,包括止水套管技術、新型隔水材料、水下降水試驗模型建立、套管穩定性計算等，每個環節的設計、實施過程中均使用了多學科的綜合技術，如套管穩定性計算涉及到巖土力學和水力學等學科。上述技術路線的確定和應對措施值得總結并在類似研究中推廣使用[10]。水下降水技術除了可以保證工程施工過程的安全，還可以用于水體下土層中運行管線、隧道(過江、穿湖隧道)等設施的維護、修復。通過降低地下水位或水壓，為這些設施的維護、修復施工創造作業空間和條件。因此，推進該項技術的發展有重要的現實意義。

本文提供的方案是針對該具體工程，具體工程設計和實施過程中還應在此基礎上因地制宜，采取相應的措施。如果水體底部和目標降水層之間無天然的隔水層，則需采取人工設置隔水層，阻止或減緩上部水體水流下滲。如：在江底人工設置粘土隔水層或在土層中噴漿形成隔水層等措施。當然，這些措施要經過嚴格的論證和精確的計算，一些技術環節還需要進一步探索和研究。此外，水下降水施工難度大、費用高，還存在一定的技術風險。因此，該項技術還可以在技術的可靠性、方案的經濟性方面做進一步研究。