第三系含水砂巖隧道地表深井降水研究

姚建青

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 銀川工程建設指揮部，寧夏 銀川 750002）

0 引言

第三系含水砂巖在我國西北地區分布較廣，該地層巖性較單一，多為粉細粒結構，呈泥質弱膠結，具有高水位、低滲透性的特點，且水穩特性較為敏感，其單軸抗壓強度、抗剪強度隨含水增大而大幅度下降，開挖擾動后自穩能力極差，在地下水影響下，極易由原始固結狀態向流塑狀態轉變［1-2］。若處理不當極易發生涌砂等工程問題，造成掌子面前方及拱背圍巖發生滑塌，形成空腔，施工安全風險較大，支護容易因此發生侵限及破壞，給保障現場施工人員安全和工期順利完成帶來了極大挑戰［2-6］。

近幾年，我國鐵路隧道修建時曾多次遇到此類地層，如程兒山隧道［7］、桃樹坪隧道［8］、胡麻嶺隧道［9］等，大量專家學者對此類圍巖進行了研究。在施工工法方面，祁衛華［5］針對第三系砂巖的工程性質，對該類隧道的各種施工工法進行了對比分析，提出“重降水、輔注漿、強支護、快封閉”的設計施工理念。在圍巖特性方面，高勤運等［10-12］從現場監測數據出發，對砂巖隧道的變形特征進行了分析，揭示了砂巖遇水失穩的機理，得到含水率與圍巖穩定性的關系，指出降水是保障此類隧道工程施工安全的關鍵。

因此，針對該類圍巖特殊工程特性，需要制定相關降水措施以提高圍巖穩定性，降低此類圍巖隧道發生工程事故的概率。在降水措施方面，畢煥軍［9］依托胡麻嶺隧道施工，針對第三系富水砂巖提出了洞內深井與輕型井點相結合的施工降水方案，張建奇［7］則提出輕型真空井點降水與管井降水相結合的降水措施，在第三系含水砂巖隧道均取得了良好的應用效果。在降水井設計方面，徐志平［13］通過大量現場降水試驗，剖析了第三系含水砂巖的水文地質特性，對地表降水井設計參數進行了確定。

基于相關工程建設經驗可知，針對埋深200 m以內第三系富水砂巖隧道施工，常規的洞內降水措施不僅需要施工前進行降水，并且受限于地層特性，降水效果并不理想，工程進度依然緩慢，因此有必要考慮洞外地表降水措施，以保證第三系含水砂巖隧道的施工安全性和施工進度。

鑒于以上研究，依托香山隧道第三系含水砂巖段，制定地表超前深井群的降水方案，并通過現場監測，對降水前后的地下水位高程及掌子面含水率變化規律進行分析，對地表深井降水方案的應用效果進行評價，為此后相關隧道工程的安全施工提供借鑒。

1 工程概況

香山隧道位于寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區常樂鎮水車村至亂井子附近，穿越香山山脈，隧道起訖里程為DK39+990—DK57+753.3，全長17 763.3 m，是新建中蘭鐵路的重要組成部分。

1.1 地質及水文特征

依托香山隧道1#斜井大里程上第三系砂巖段進行試驗研究，隧道地質縱斷面見圖1。根據設計地質調查和勘探，1#斜井DK43+925—DK44+515 段圍巖巖性為上第三系中新統砂巖夾泥巖、礫巖，弱風化，成巖作用差，粉細粒結構，局部為中細粒結構，泥質膠結，礦物成分以長石和石英為主，圍巖級別為Ⅴ級。該段內大部分地下水位至仰拱底部距離較大，平均厚度約70～80 m，隧道洞身附近天然含水率約10.5%～14.5%，大部分巖層含水率大于塑限含水率。

圖1 第三系砂巖段工程地質縱斷面示意圖

1.2 工程難點

由于第三系砂巖具有結構脆弱、強度低、復雜的水穩特性，以及遇水時工程性質迅速惡化的特性，在前期施工時，掌子面及拱部背后常伴有涌水、涌砂等現象，造成掌子面滑塌，進而導致支護侵限等工程問題（見圖2）。不僅施工安全風險較大，還由于需要對上述地段采取反壓回填、注漿加固、支護拆換等處理措施，耗費時間較長，致使施工進度緩慢。

圖2 香山隧道含水砂巖段工程問題

無地下水時，圍巖整體穩定性較好，當地下水發育時，受水浸潤或浸泡后，圍巖軟化，施工擾動后多呈粉細砂狀，呈蠕變流態。基于現有研究，香山隧道含水砂巖段制定“重降水、密導管、強支護、輔注漿、快挖快支快封閉”的施工原則，降水主要采用輕型井點降水和洞內真空負壓降水，但洞內降水效果不明顯，砂巖地層含水率隨著降水時間的增加變化較小，仍時常出現涌砂等情況，施工進度仍然緩慢。因此，結合現場實際施工情況，對隧道降水方案進行調整，針對性地提出地表深井降水的輔助施工措施。相比洞內降水方案，在地表施作對洞內施工干擾較小，可以超前隧道掌子面一段距離施作并提前排水，降水效果容易控制。

2 地表深井降水原理及計算

第三系含水砂巖含水較為均勻，可將該類地層概化為大厚度均質潛水含水層。從井中抽水時，井中和四周附近地下水位降低，在含水層中形成以井中垂直軸線對稱的浸潤漏斗面，對于單排井抽水，在土體水平各向同性條件下，降水漏斗則為以抽水井中心線為對稱的平面曲線（見圖3（a））。但實際隧道施工時，為達到更好的降水井效果，常采用雙排井同時進行降水，此時降落漏斗相交處會形成干擾水位（見圖3（b））。

圖3 降水井降水示意圖

在計算降水井設計參數前，需對場地含水層水力特征進行概化，概化內容主要包括3方面：一是滲流是否符合達西流；二是水流呈平面運動還是三維運動；三是水流呈穩定流還是非穩定流。根據現場實際施工揭示第三系含水砂巖的地下水位變化情況，計算含水層厚度取60～120 m，根據現場資料確定降水井降深為50～90 m，根據現場試驗，滲透系數取0.02～0.05 m/d。

參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》［14］和JGJ 111—2016《建筑與市政工程地下水控制技術規范》［15］地下水控制中降水井設計方法，基坑地下水位降深應滿足：

式中：Si為基坑內任一點的地下水位降深，m；Sd為基坑地下水位的設計降深，m。

降水井深度未至含水層的隔水頂板，理論上應為潛水非完整井，但降水井的有效區影響深度H0按最小取值，為1.3Hs（Hs為水位降深和過濾器長度之和），已大于含水層的104 m，即有效區影響深度深入至含水層下部隔水底板以下，故基坑降水總涌水量可按潛水完整井計算：

式中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；H為含水層厚度，m；k為滲透系數；Sd為基坑地下水位的設計降深，m；R為降水影響半徑，；r0為基坑等效半徑，（F為井點系統的圍合面積，m2）。

降水井數量n按下式確定：

式中：q為單井設計流量，m3/d；rs為過濾器半徑，m；l為過濾器進水部分長度，m。

將相鄰降水井間的隧道概化為基坑降水進行計算，初擬降水井距正洞兩側結構外緣凈距5 m，按照隧道進度暫按16 m/月考慮，基坑寬為24 m，長度為16 m。計算含水層厚度H取90 m，降水井降深Sd為70 m，滲透系數k取0.035 m/d，則降水影響半徑R計算為248.5 m，基坑面積A為360 m2，等效半徑r0為10.7 m，計算出基坑總涌水量Q為265.9 m3/d。過濾器半徑取0.15 m，過濾器進水部分長度取10 m，則單井流量q為187 m3/d，擬定開挖長度16 m 內需要2 孔降水井。

按照規范要求，根據式（5）對井點布置方案進行驗算，滿足Si≥Sd。

3 試驗段地表深井降水方案

3.1 降水井位置布置

根據上述降水原理及計算方法，降水井距正洞兩側結構外緣凈距5 m，隧道單側間距16 m，兩側梅花形布置，具體位置可結合現場地形進行微調。針對香山隧道第三系含水砂巖段隧道施工，通過查閱相關文獻［2，9，13-14］，綜合考慮隧道寬度、降水井深度、成井工藝、降水時間等綜合因素，擬在第三系含水砂層試驗段共設68 口地表降水井，降水采用自然降水方式。根據施工進度，選擇在1#斜井大里程方向DK43+985—DK44+113 段和2#斜井小里程方向DK44+409—DK44+505 段分別先行設置18 口和14 口降水井，共計32 口（見圖4）。此外，在相關試驗段附近設置共7 口觀測井，以長期對地下水位進行觀測，觀測井距正洞兩側結構外緣1 m，兩側交錯布置。

圖4 降水井和觀測井平面布置圖

3.2 降水井成孔方式及參數

根據文獻［2］，100 m 以上的地表降水井可采用反循環鉆成孔，該依托工程的降水井成孔直徑為600 mm，井管直徑為300 mm，井深到仰拱下20 m，其中1#斜井大里程方向設計井深為140.7～170.5 m，平均井深為157.3 m；2#斜井小里程方向設計井深為111.6～133.4 m，平均井深為125.5 m，因此均采用泵吸反循環成井工藝。

泵吸反循環是直接利用砂石泵的抽吸作用使鉆桿內泥漿上升而形成反循環。相較于正循環成井，反循環上升速度較快，排渣能力強，孔壁不易坍塌。根據前述設計計算，降水井詳細構造示意見圖5。此外，為保證降水效果，采用群孔降水的方式進行降水，每組不少于6～8 眼，且降水實行超前降水，超前量不低于2周，并根據降水效果適時進行調整。

圖5 降水井構造示意圖

4 試驗段地表深井降水效果分析

分析評價地表深井降水效果，一是可以通過觀測地下水位數據進行分析，二是可以根據隧道洞內施工時的圍巖開挖情況進行揭示。

4.1 地下水位高程變化

在降水井成孔、洗井成功后，對各降水井靜止水位進行觀測，通過3～4個月的深井降水后，對各降水井及觀測井的動水位高程進行觀測統計，得到試驗段降水前后地下水位高程對比（見圖6）。分析圖6可知：

圖6 降水試驗段降水前后地下水位對比

（1）降水前，兩試驗段內各降水井靜止水位高程不一，基巖孔隙裂隙水含水層厚度不均勻，其中1#斜井大里程方向地下水位至仰拱底部距離較大，平均距離70～80 m，2#斜井小里程方向地下水位至仰拱底部平均距離為20～30 m。

（2）地表深井降水后，試驗段內地下水位降低明顯，平均降低30～40 m，尤其是已施工段的降水井（降2#井、降3#井和降4#井），且由于該處降水井施作及工作時間較早，現平均總抽水量已超過800 m3，動水位已降至仰拱底以下2.5～12.0 m，地表深井降水基本達到降低地下水位的效果，掌子面的穩定性明顯提高；其余降水井目前雖未降水至仰拱高程以下，但隨著工作時間的推進以及抽水量的進一步增大，動水位高程能夠進一步降低，進而可保障香山隧道第三系砂巖段施工的安全性。

為更為直觀地對地表深井降水效果進行分析，繪制觀測井7#、觀測井8#、觀測井9#及觀測井10#的水位變化曲線見圖7。分析圖7 可知，4 口觀測井均從2021 年11 月16 日開始觀測，觀測井地下水位高程在附近降水井開始抽水后迅速下降，平均下降水位40～50 m，之后水位呈緩慢下降趨勢，但整體水位均低于拱頂，觀測井10#水位更是低于仰拱高程，地表深井降水效果顯著，保障了第三系含水砂巖隧道的安全施工。

圖7 降水試驗段觀測井水位變化

4.2 洞內圍巖性狀變化

（1）未進行地表深井降水前，香山隧道第三系含水砂巖段1#斜井大里程方向施工時掌子面開挖情況見圖8（a），現場檢測該掌子面圍巖含水率為16%～17%，開挖過程中在掌子面拱部和邊墻出現砂巖軟化、流塑狀外涌，圍巖穩定性差，采用洞內真空降水效果不佳，且對施工干擾較大，影響施工進度和施工安全。

（2） 進入地表深井降水段后，掌子面情況見圖8（b），洞內施工較為順利，尤其進入地表降水群井效應區域后，洞內開挖未見明顯線狀和股狀滲水，掌子面含水率明顯降低，含水率多在11%～14%，且未出現集中的涌水涌砂現象，基巖裂隙水明顯減少，開挖后圍巖有一定的自穩性，基本能夠滿足隧道正常施工要求。

圖8 地表深井降水前后掌子面圍巖對比

綜上分析，通過地表深井降水后，地下水位降低明顯，已施工段降水漏斗基本形成，動水位高程基本降至仰拱以下，但其余降水井降水深度仍未完全達到預期效果，應結合降水井抽水量大小與時間的關系，動態調整各降水井抽水、關泵時間間隔和頻率，建議通過加大泵流量及持續降水來增大降水井的抽水量，保證各降水井動態水位低于隧道開挖面以下，進而保障第三系含水砂巖隧道的施工安全。

5 結論

依托香山隧道工程，通過對現場施工進行動態調整，提出針對第三系含水砂巖的地表深井降水方案，并從地下水位高程、掌子面圍巖變化情況2方面對降水方案應用效果進行分析，主要結論如下：

（1）針對第三系含水砂巖隧道，降水是保障施工安全的關鍵，而洞內真空負壓降水效果并不明顯，圍巖含水率變化較小，可采用隧道地表深井降水的輔助施工措施對該類圍巖隧道施工進行處理。

（2）根據地表深井降水原理進行計算，綜合考慮隧道寬度、降水井深度、成井工藝、降水時間等綜合因素，確定降水井距正洞兩側結構外緣凈距5 m，隧道單側間距16 m，在第三系含水砂層試驗段共設68 口地表降水井，滿足計算降水需求。

（3）采用地表深井降水后，試驗段內地下水位大幅降低，平均降低30～40 m，尤其是已施工段的降水井（降2#井、降3#井和降4#井），動水位已降至仰拱底以下2.5～12.0 m，并且能夠明顯降低掌子面的含水率，有效提高開挖后圍巖穩定性，滿足隧道正常施工要求。

（4）通過現階段地表深井降水后，取得了良好的降水效果，但部分降水井降水深度仍未完全達到預期效果，應結合降水井抽水量大小與時間的關系，動態調整各降水井抽水、關泵時間間隔和頻率，以確保降水井動態水位低于隧道開挖面以下，保障第三系含水砂巖隧道的施工安全。