轻型井点降水井点长度及真空度对降水效果影响性研究

邱志洪

[摘要]滇中引水工程狮子山隧洞多个标段存在高外水压问题，极易发生涌突水问题。采用现场调研、室内试验、数值模拟等方法对常用的轻型井点降水方案进行了研究，重点研究了井点长度及真空度对降水效果的影响。研究结果表明：（1）轻型井点对台阶下部围岩变形改善效果较好，且井点真空度对围岩变形改善作用不大，但增长井点长度可有效改善围岩变形（2）设置轻型井点降水可以有效减小台阶下部围岩的塑性区分布，井点真空度变化对围岩的塑性区分布改善效果有限，但增大井点长度可以有效改善围岩的塑性区分布。（3）轻型井点降水可以有效改善围岩的孔隙水压分布情况，在洞周及掌子面附近形成低水压区。井点长度及真空度越大，对围岩孔隙水压分布改善效果越好。（4）综合考虑井点长度及孔压对降水效果的影响，并考虑施工过程中的时间成本，经济效益以及对地下水环境的影响，认为设置4～6 m轻型井点，保持孔压在-0.04 MPa以上最符合狮子山隧洞施工要求。

[关键词]引水隧洞； 真空降水； 轻型井点降水； 数值模拟

[中国分类号]U455.49                         [文献标志码]A

0引言

随着我国地下工程建设的不断发展，隧道建设过程中面临越来越多的工程地质问题。对于存在高外水压问题的隧道段，轻型井点降水作为一种常用的降水技术被广泛应用。目前大量学者对轻型井点降水技术进行了研究。

卜长根［1］通过设计轻型井点变参数射流泵，采用双层喉管变面积比的设计，分级地改变面积比，加大轻型井点射流泵吸入真空度，来满足高效降水工程需要；郑谦文等［2］提出针对不同地质土层选用不同滤头钻孔的孔隙率和滤网等设备，有效保证成孔深度和质量；丁锐［3］通过研究得出，隧洞施工承压水部分使用洞内轻型井点降水实用性强，治水率高，能满足基底无水作业，保证施工质量和进度；周天豪等［4］研究发现，若暗挖隧道分层开挖施工，利用上层已完成的导洞布设轻型井点可有效止水，为下层导洞开挖提供良好条件；王菀等［5］通过设计真空负压抽水，在洞周形成较大范围的降水漏斗，很好地降低了隧道边墙范围外地下水，增大了拱顶、掌子面和两侧边墙土体的稳定，保证了工程施工质量；杨勇［6］指出，当一层降水达不到要求时，可设置双层轻型井点，如隧道埋深较大，可配合隧道地面深井降水，组成联合降水系统，其效果明显；杜志昌［7］采用真空疏干与井点复合降水技术，通过控制井点降水真空度达到了良好的降水效果，并成功应用于实践；许俊朋等［8］研究了管井与轻型井点组合降水施工工艺及方法，既满足了深基坑的有效降水深度，又解决了基坑坡面因滞水层导致的渗水涌砂问题；郭一男［9］以具体工程施工技术为例，通过调整井点管间距，并将井水管底端下降到污水管底侧0.5 m以下，改善了井点降水效果；丁贞东等［10］进行了真空井点降水的室内模型试验，采用单井点与群井不同的形式，对土层真空度、孔隙水压力以及其土工试验指标等进行了测试分析并总结了相应的变化规律；王福喜［11］通过研究得出，轻型井点降水对含大量粉土、粉砂及其他渗透系数较小的地层降水效果非常好，在基坑深度为5.5～8.5 m 范围内，降水采用轻型井点管较为合适。

综上所述，目前对于轻型井点降水技术的研究大多集中于基坑工程中的应用，对于其在隧道、引水隧洞中的应用研究较少。因此本文以滇中引水工程狮子山隧洞为依托，采用现场调研、室内试验、数值模拟等方法，对轻型井点降水真空度及井点长度对隧洞降水效果的影响进行研究，探明其对围岩变形量、塑性区分布以及孔隙水压分布规律的影响，提出适用本隧洞的最佳轻型井点参数。同时也可为国内高水压隧道降水方案设计提供参考。

1工程概况

滇中引水工程大理Ⅱ段狮子山隧洞位于宾川县，起讫里程为DLⅡ28+885～DLⅡ50+057， 沿线出露古生界至新生界地层，岩性以沉积岩、岩浆岩为主。本标隧洞局部洞段地下水位高出洞身顶板350 m以上，围岩弱微透水，但在断层破碎带及灰岩段尤其在大箐及帽山白云质灰岩段岩体弱至中等透水，隧洞沿线依次穿越了大箐村（DLⅡ-Ⅰ-8）及大营镇（DLⅡ-Ⅰ-9）两个岩溶水系统。隧洞存在高外水压问题6个洞段，占比9.65%，最大高外水压力出现在毕马村岩溶段。

2数值模型建立

2.1轻型井点降水设计

根据隧洞轻型井点降水设计安装经验，采用在隧洞两侧埋设井点管，井点管上端通过连接弯管与集水总管连接，集水总管与真空泵和离心水泵相接，启用抽水设备，地下水可在真空泵的吸力作用下，经滤水管进入井点管和集水总管，排出空气后，由离心水泵的排水管排出。井点管采用双线布置，且距离初期支护1 m，防止施加初支导致井点管松动；井点管排距采用0.8 m，防止井点管设置距离过近造成串孔。降水井点布置如图1所示。

本文研究在狮子山隧洞DLⅡ47+133～DLⅡ47+945段轻型井点降水真空度及井点长度对臺阶围岩稳定性的影响，故不考虑井点管的外插角及前倾角。根据文献调研情况［12-13］，轻型井点长度一般为3～5 m，但也存在12 m的特长井点；轻型井点真空度一般取-0.04 MPa以上，故变量参数取值如表1所示。

2.2计算参数

为详细掌握狮子山隧洞DLⅡ47+133～DLⅡ47+945段现场的地质情况，对隧洞围岩进行钻孔取样，并根据固结试验和直剪试验（图2）完成对不同标段原状土相关基本物理力学参数的测定，并根据工程设计资料确定围岩和支护结构的力学参数如表2所示。

根据规范，取无支护时应力释放率为30%，初期支护承担70%的围岩应力释放。格栅钢架和喷射混凝土在计算模型中采用等效刚度进行计算，具体计算如式（1）所示。

E=E0+Sg×EgSc（1）

式中：E为喷射混凝土折算后的弹性模量；E0为原喷射混凝土的弹性模量；Sg为格栅钢架的钢筋截面积；Eg为格栅钢架的弹性模量；Sc为喷射混凝土截面积。

2.3计算模型

云南滇中引水狮子山隧洞DK47+133～DK47+945段，该段隧洞长812 m，隧洞埋深215～342 m，隧洞底板置于地下水位以下140～235 m，岩体微透水，渗透系数k=0.02 m/d，因此取中间值250 m作为计算埋深，取150 m作为水头高度。该标段采用ⅣP型初期支护，并采用C30W8F100混凝土喷射，喷射厚度为20 cm，混凝土渗透系数为0.261×10-8 cm/s。根据现场调研情况，隧洞下台阶长度较长，模型计划开挖25 m，未进行下台阶开挖，故不考虑二次衬砌施作。洞周施作系统锚杆，洞周注浆圈厚度取8 m，注浆圈渗透系数为5.903×10-13 cm/s。

隧洞开挖断面宽10.8 m，高10.6 m。由于未考虑下台阶开挖，因此模型的实际开挖轮廓线高为8.9 m。根据圣维南定理，隧洞左右边界应取3～5倍洞径，因此取模型宽度取100 m。模型下边界Z=-35 m，考虑到水头高度，上边界取Z=150 m，上部土层通过模型顶部施加等效均布荷载模拟，模型尺寸为：100 m×60 m×185 m。围岩及注浆加固圈采用摩尔-库伦模型，初期支护采用弹性模型（图3）。

3实验结果分析

轻型井点降水属于竖向降水，通过在隧洞中、下台阶两侧设置轻型井点，将地下水从隧洞台阶底部抽出，因此本文从围岩变形量、围岩塑性区及孔隙水压分布等3个方面分析轻型井点长度及真空度对降水效果的影响。

3.1台阶变形量

3.1.1设置监测点

隧洞围岩变形量突变常作为预测隧洞突涌水发生的重要依据之一。因此本文设置4组监测点，如图4所示。

（1）组1为掌子面中线挤出位移，从拱顶上方至中台阶面4.92 m范围内的轴向变形。

（2）组2为中台阶中线挤出位移，从中台阶面至下台阶面4.16 m范围内轴向变形。

（3）组3为中台阶中部（距掌子面2.5 m处）的隆起值。

（4）组4为下台阶（距上台阶2.5 m处）的隆起值。

3.1.2围岩变形量

图5～图7展示了不同井点长度及真空度下的围岩变形量，三台阶法开挖的高水压隧洞具有以下变形特征：

（1）掌子面挤出量在距离拱顶0～1.72 m处呈现迅速增长的趋势，而后在1.72～3.45 m处涨幅变小，在距离拱顶3.45 m处达到最大值，而后靠近中台阶面，其挤出量迅速减小。中台阶由于上部围岩开挖，台阶处围岩初始的三向应力状态被破坏，导致围岩从中台阶上表面至距离拱顶8.04 m处，挤出量均较大，在距离拱顶8.04～9.08 m段，挤出量迅速减小。综合掌子面和中台阶的挤出量随距离的变化可以发现，挤出量的最大值均出现掌子面/中台阶面的中下部。

（2）台阶隆起量由台阶两侧至中线处逐渐增大，且在台阶中部达到最大值。可以发现，在台阶两侧存在明显沉降，原因是因為轻型井点布置于距离初支1 m处，导致台阶下此范围内的地下水被大量抽出，导致土体固结，土体颗粒间孔隙变小，从而引起台阶面沉降。

以井点长度为2 m时掌子面挤出量随井点真空度变化为例见图5（a），当真空度为0，-0.02 MPa，-0.04 MPa，-0.06 MPa，-0.1 MPa时，分别减小了掌子面挤出量11.23%，11.59%，11.23%，11.83%，真空度-0.04 MPa，-0.06 MPa，-0.1 MPa时相较于-0.02 MPa时，其增幅分别为3.09%，0.00%，5.33%，由此可知，轻型井点真空度对隧洞围岩变形量影响不大。

基于此，仅选取真空度为-0.02 MPa下，对井点长度对围岩变形量的影响进行分析。当井点长度为2 m，4 m，6 m，10 m时，掌子面挤出量分别减少了10.1%，11.35%，11.73%，12.12%；中台阶挤出量分别减少了24.64%，36.00%，38.11%，38.96%；中台阶隆起量分别减少了37.79%，59.18%，67.17%，76.62%；下台阶隆起量分别减少了25.14%，42.90%，49.31%，55.57%。因此，可得到结论：

（1）改变井点真空度对于围岩变形量影响不大，增大井点长度可以有效改善围岩变形量。

（2）轻型井点降水对于掌子面变形的改善效果有限，且改善效果几乎不随井点长度及井点真空度变化。但设置轻型井点降水措施对改善台阶下部围岩变形有着良好作用，且井点长度越长，其改善效果越好。

3.2塑性区

隧洞开挖完成后，由于卸荷作用引起围岩应力场重分布，导致临近隧洞岩土体达到屈服极限，围绕隧洞形成塑性区［14］。塑性区的范围在一定程度上可以反应围岩稳定性程度。根据模拟结果发现，设置轻型井点降水对塑性区纵向深度无明显改善，故固定真空度为-0.02 MPa，隧洞下台阶塑性区横截面如图8所示，可以发现设置轻型井点降水对于拱顶、拱腰两侧及掌子面前方的塑性区范围的改善较小，但可以大大减小台阶下部围岩的塑性区面积，且随着井点长度的增加，塑性区收缩的趋势逐渐放缓。

过FLAC 3D输出轻型井点设置范围内（即中台阶纵向5 m范围内，下台阶纵向5 m范围内）台阶下部围岩塑性区体积，可以发现井点真空度变化对于塑性区体积影响较小，以固定井点长度为2 m时，塑性区体积随真空度的变化规律为例（图9）。可以发现随着真空度的不断变大，中台阶下部围岩塑性区体积始终控制在1 200 m3左右，下台阶下部围岩塑性区体积始终控制在950 m3左右，且塑性区体积与真空度无明显的线性关系。由图9可知，当固定井点真空度为-0.02 MPa，当长度为2 m、4 m、6 m、10 m时，中台阶下部围岩塑性区体积分别减少了36.14%，52.23%，59.30%，67.02%；下台阶下部围岩塑性区体积分别减少了30.78%，47.07%，52.16%，60.42%。由此可知，设置轻型井点降水可以大幅减小台阶下部围岩塑性区，有利于增强围岩稳定性。且轻型井点对塑性区范围的改善效果随着井点长度的不断增加逐渐减弱。

3.3孔隙水压

地层孔隙水压分布直接影响着围岩稳定性，直接体现了降水方案效果。隧洞开挖后，掌子面及隧洞台阶表面成为临空面，是地下水涌出的直接出口，因此隧洞内表面的孔隙水压固定为0。另外，存在高水压问题的隧洞标段埋深较大，模型上部通过施加均布荷载模拟上部土层，因此设置的模拟水面处孔隙水压并不为0。分析数值模拟结果后发现，布置轻型井点后，隧洞洞周及掌子面前方孔隙水压明显减小，且孔隙水压与真空度及井点长度呈负相关关系。对照组及工况1（井点长度2 m，真空度-0.02 MPa）的孔隙水压分布如图10、图11所示。

提取掌子面拱顶至模型顶部的孔隙水压，以研究轻型井点真空度及井点长度对降水效果的影响。以固定真空度为-0.02 MPa为例（图12），可以发现规律，掌子面上方孔隙水压随井点长度的增大不断减小，当井点长度为2 m、4 m、6 m、10 m时，其孔隙水压平均减少19.85%，24.48%，28.92%，36.83%。固定井点长度为2m时（图13），可以发现，当真空度为-0.02 MPa、-0.04 MPa、-0.06 MPa、-0.1 MPa时，其孔隙水压平均减少19.85%，23.84%，27.51%，33.23%。

综上所述，可以得到结论：

（1）设置轻型井点降水可以有效改善隧洞洞周、掌子面前方的富水情况，随着井点长度及真空度的增大，隧洞洞周及掌子面前方低水压程度更明显。

（2）增加井点长度及井点真空度能够改善地层的孔隙水压分布情况，且当井点真空度控制在-0.04 MPa以上时，对于地层富水情况的改善效果最明显。

但在实际工程中，需要考虑对环境的影响因素，在确保轻型井点降水有效的情况下，应尽量保证隧洞洞周的低水压范围及程度不应过大［15］，防止地下水流失过多，影响生态平衡。

4结论

本文依托滇中引水工程狮子洞隧洞，采用现场调研、室内试验、数值模拟等方法，从台阶下部围岩变形、围岩塑性区及孔隙水压分布情况3个方面探究了轻型井点长度及真空度对降水效果的影响，得到结论：

（1）设置轻型井点可以有效改善台阶下部围岩变形，但对掌子面前方围岩变形改善效果较弱。井点真空度变化对于隧洞围岩变形的影响性较小；增大井点长度可以有效减小围岩变形量，但当井点长度超过6 m时，改善效果增幅逐渐减小。

（2）设置轻型井点降水可以有效减小台阶中下部围岩的塑性区分布，井点真空度变化对围岩的塑性区范围改善效果有限，但增大井点长度可以有效改善围岩的塑性区范围，但随着井点长度的不断增加，改善效果不断减弱。

（3）采用轻型井点降水可以有效改善围岩的孔隙水压分布情况，但会在洞周及掌子面附近形成低水压区。井点长度

及真空度越大，对围岩孔隙水压分布改善效果越好。

（4）综合考虑井点长度及孔压对围岩的变形控制效果、围岩塑性区范围以及地层孔隙水压分布的改善情况，且考虑施工过程中的时间成本，经济效益以及对地下水环境的影响，认为设置4～6 m轻型井点，保持孔压在-0.04 MPa以上更符合本标段隧洞的施工要求。

参考文献

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