胡麻岭隧道第三系富水砂岩地表深井降水研究

毕焕军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

胡麻岭隧道第三系富水砂岩地表深井降水研究

毕焕军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

胡麻岭隧道为兰渝线重点控制性工程，隧道中部通过长4 250 m的第三系弱胶结含水粉细砂岩，在地下水作用下，掌子面开挖扰动后工程性质迅速恶化，基本呈散砂、稀糊状，局部还伴有涌水涌砂现象，施工受阻。针对这种情况，洞内开展了集水井降水、井点降水、分步超前降水、边墙侧向深井降水、轻型井点(真空降水)、水平旋喷、注浆固结、冷冻固结等研究试验，确定采用洞内深井与轻型井点相结合施工降水方案。但受岩层地下水水头高、渗透系数小、洞内降水作业工序繁杂及降水后达到开挖条件的周期长等影响，施工进度滞缓，因此研究地表深井预降水。通过对工程场地水文地质条件、施工现状、工法等综合分析，进行现场水文地质试验，分析计算采用地表深井预降水的井间距离及设计深度。

铁路隧道；第三系；富水砂岩；深井；降水

1 工程概况

胡麻岭隧道位于甘肃省榆中县与定西县境内，穿越黄土高原梁、峁区，地表覆盖厚度较大的第四系砂质黄土，下伏第三系砂岩夹泥岩、砂岩夹砾岩和白垩系泥岩夹砂岩[1]。隧道长度13 611 m，共设6个斜井和1个竖井，其中第三系弱成岩含水粉细砂岩段(DK75+350～DK79+600)设置有3号、4号、5号、8号斜井及7号竖井，隧道埋深在100～200 m。隧道通过区地下水类型为孔隙、裂隙潜水，水位埋深一般在80～100 m，沟谷区埋深较浅，一般在10 m左右，地下水的富集程度受地层岩性、地貌形态影响较为明显。

2 施工中出现的主要问题

胡麻岭隧道通过的第三系砂岩成岩性差，泥质弱胶结[2]，无地下水时，围岩整体稳定性较好，含水地段，掌子面在开挖扰动、遇水浸泡后软化现象十分明显。同时，开挖扰动后，在地下水静水头压力作用下，还往往形成孔隙扩张，造成地下水的相对富集，导致掌子面局部出现涌水、涌砂且有外挤现象[3-4]。表1为隧道施工中地下水初见水位的高程及涌水量，数据显示第三系砂岩区地下水水位相对稳定，具有统一的自由水面，富水性较好。

表1 施工中各掌子面出水情况统计

隧道及斜井开挖遇到地下水后，现场施工出现的问题主要如下。(1)砂岩成岩性差，受地下水作用，掌子面开挖后3～5 h为围岩开始塑性变形的临界时间点，7～10 h为围岩开始流变的临界时间点，发生流变后呈散砂状、稀糊状。(2)下半断面拱架接腿施工难度极大，开挖时砂随水快速流出[5]，造成拱架背后脱空，两侧边墙极易垮塌，钢架多次分段连接，不能及时封闭成环。(3)隧道变形大，施工中需采用加设横撑或临时仰拱等措施控制变形；已支护地段变形不稳定，伴有混凝土喷层剥落、钢架扭曲现象。(4)在水头差的作用下掌子面开挖时常伴有全断面渗水、局部股状涌水、涌砂现象，涌水时水流带走砂粒，导致掌子面前方或边墙背后岩体结构破坏[6，-]，出现坍塌，形成空腔，施工风险极大。

针对施工中出现的这些问题，在洞内开展了以降水为主线的施工方案试验研究，但受各种因素影响，施工进度依然缓慢，为此又提出了地表超前预降水的辅助施工方案，并开展了现场试验研究。

3 现场试验及观测

3.1 抽水试验

为掌握第三系含水砂岩的水文地质参数及降水井漏斗的影响范围，为地表降水井布置取得较为适合该类地层的参数，在DK78+050设计主抽水孔1孔，观测孔4孔，呈一字排列，前4个钻孔的孔间距2.5 m，第5孔与第4孔间距为3m，试验结束后对观测孔1进行了水位恢复观测。

根据抽水试验资料，采用了裘布依稳定流抽水试验渗透系数计算理论(一个观测孔的计算公式)、非稳定流抽水试验渗透系数计算理论(配线法和直线法)、水位恢复试验法等3种方法对渗透系数进行了计算[8-9]。

3.2 降水漏斗观测

抽水试验完成后，为掌握降落漏斗的发展情况，又进行了两次增大抽水孔出水量、利用观测孔监测水位变化的降水试验，以掌握降水时降落漏斗的变化情况。观测试验两次共进行了15 d，观测数据显示，第一次降落漏斗曲线与水平面夹角为56°，第二次夹角为59°，表明随降深的增加，降落漏斗曲线与水平面夹角增大，但降水影响范围呈收敛态势。

4 地表深井降水设计参数计算

4.1 场地含水层水力特征

在进行降水井设计参数计算前，需对场地含水层水力特征进行概化[10]，概化主要包括三个方面：一是渗流是否符合达西流；二是水流呈平面运动还是三维运动；三是水流呈稳定流还是非稳定流。从空间上看，本区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律，地下水运动符合达西定律。根据隧道施工揭示的不同地貌单元第三系含水砂岩的地下水位变化情况，计算含水层厚度30～48 m，概化为均质体潜水含水层，根据现场试验渗透系数取平均值0.267 m/d。

4.2 单井降水井设计井深度计算

依据上述概化条件，设计降水井为井壁井底同时进水，其含水层厚度为H，地下水的水位处于天然水位状态，即天然水平面A-A，当从井中抽水，井中和四周附近地下水位降低，在含水层中形成了以井中垂直轴线对称的浸润漏斗面，如图1所示。

图1 潜水非完整井示意

在离井中心r处渗流的浸润面上的点的高度为z，z′为该点到天然水面的距离，z′=H-z，而过水断面为一与井同心的圆柱面，其面积为w=2πrz，又设其渗流为渐变渗流，则过水断面上各点的水力坡度J=dz/dr。

根据达西定律，过水断面上的各点渗流流速u都相等，因而断面平均流速v也等于渗流流速u，故v=u=kJ，k为土体渗透系数。

经此渐变圆柱面的渗流量为

进而得到潜水井的浸润曲线方程为

式中,r0为井的半径;h为井中水位。

对于井的影响半径R，在浸润漏斗上，有半径r=R的一个圆，在R范围内，浸润漏斗的下降H-z趋于零，即天然地下水位不受影响，距离R即称为井的影响半径，则产水量Q为

式中,对于一定的水量Q，S为水位降深，S=H-h。

结合上述关系，最终获得浸润线的计算关系即z′和r的关系

设降水井拟开采量为一定值，采用抽水试验中的最大降深、地下水水位预测值对隧道位置的水位下降值进行计算。降水井正常降水时，降水曲线达到掌子面中心底板时[11]，认为降水井产生理想效果，此时公式存在水位降深和影响半径两个参数s和r。设计降水井距离隧道外侧边界4 m，隧道直径14 m，即r=11 m，此时z′为40 m，单井产水量150 m3/d，根据以上条件可计算降水井井底与隧道底板的距离为22 m。

4.3 井群降水设计井深度计算

根据现场试验，隧道底板距离含水层静水位高度为20 m，当多个降水井同时抽水时，降落漏斗相交处水位会形成干扰水位，计算模型见图2。

图2 干扰降水井模型示意

设计抽水井4座对称布置，井深位于隧道底板下20 m，有效降深35 m，总出水量Q=600 m3/d，有效含水层厚度H取35 m，影响半径R取50 m，j=n=4，r=11 m，依据公式[12]

si=23.1m

根据以上计算，井群抽水隧道中心水位降深23.1 m，降至隧道底板下3.1 m，从计算看出，井群抽水与单井抽水水位降深相差不大。

4.4 降水井距离确定

降水井间距离与降深成正相关关系，设计降水井越深，井间距离也相应加大，但井间距离大，降水达到无水施工相应的时间变长。根据现场试验计算，第三系砂岩有效影响半径约30 m，考虑隧道宽度、设计井深度、成井工艺、降水时间等综合因素，计算分析设计井经济合理的井间距离为22 m，在实施过程中根据地形条件采用20～22 m。

5 结语

第三系弱胶结含水砂岩天然状态时处于较密实状态，开挖扰动后基本呈散砂、稀糊状，局部还伴有涌水涌砂现象，工程性质迅速恶化。同时，扰动后往往产生孔隙扩张，静水压力增大，洞内实施井点降水钻探过程中易形成涌砂或包裹钻具现象，成孔十分困难，试验中成孔深度很难达到20 m，降水效果受到限制。通过现场试验及理论计算研究，地表降水井在隧道两侧对称布置，距离洞室轮廓线外侧边缘4～6 m，每侧井间距离20 m，降水井深入洞底高程以下20 m。此外，从现场抽水时水位降深过程分析，开始抽水至120 min时其水位降深已达平衡时的95%，说明受第三系砂岩渗透系数小影响，加大抽水时间对降深影响不明显。因此，隧道开挖前应采取预降水措施，现场实践及分析认为，采用预降水2个月左右的时间可达到预期效果。

[1] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.第三系砂岩复杂水稳特性专题研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2011．

[2] 王文斌.兰州地区第三系风化红砂岩工程地质特性研究[J].兰州铁道学院学报，1997(1)：24-28.

[3] 曹峰.兰州第三系砂岩水稳性特征隧道施工研究[J].铁道工程学报，2012(12)：21-23．

[4] 魏国俊.程儿山隧道第三系砂岩施工地质问题研究[J].铁道标准设计，2013(7)：87-89．

[5] 董兰凤.兰州第三系砂岩工程特性研究[J].兰州大学学报，2003(11)：90-93．

[6] 陈斌斌.兰州市区红层砂岩地基承载力探讨[J].甘肃科技，2003(11):141-142．

[7] 王志强.甘肃引洮工程重大工程地质问题研究[D].兰州:兰州大学，2006．

[8] 中华人民共和国铁道部.TB 10049—2004铁路工程水文地质勘察规程[S].北京：中国铁道出版社，2004．

[9] 铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1999．

[10]周正礼.天津某交通枢纽场地水文地质特征与工程降水建议[J].铁道标准设计，2012(1)：70-73．

[11]中华人民共和国建设部.JTJ/T 111—98建筑与市政降水工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，1999．

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012．

Research on Surface Dewatering with Deep Well in Tertiary Water-rich Sandstone of Humaling Tunnel

BI Huan-jun

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd.，Xi’an 710043，China)

Humaling Tunnel， an important controlling project of Lan-Yu Railway， goes through weak cementation aqueous silty sand rock of 4250 meters long in THYPERLINK "javascript∶void(0);"ertiary. The construction is blocked due to the impact of groundwater， and encountered with loose sand or thin paste on account of disturbance after excavation， which makes the engineering works deteriorated rapidly. To solve this problem， experiments such as water-collecting well dewatering， well-points dewatering， advanced step by step dewatering， sidewall lateral deep well dewatering， light well dewatering (vacuum dewatering)， horizontal jet grouting， grouting consolidation and freezing consolidation are employed out in the tunnel. The experimental results support the combination of deep wells and light wells. But the progress is sluggish because of the influence of high water head， the low hydraulic conductivity， the complexity of dewatering process， the extended period from dewatering to excavating. Thus， surface deep well dewatering is proposed and analyzed. This paper focuses on the analysis of the hydrogeological conditions， construction status and construction method， on the hydrogeological experiments， and on the calculation of inter-well distance， designed depth and time of surface dewatering well arrangement．

Railway tunnel; Tertiary; Water-rich sandstone; Deep well; Dewatering

2014-09-28；

2014-10-13

毕焕军(1964—)，男，教授级高级工程师，1987年毕业于成都理工学院水文地质专业，工学学士，E-mail：bjj-b@163.com。

1004-2954(2015)07-0116-03

U455.49

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.026