蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系含水粉細砂巖地表降水試驗研究

徐志平（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

蘭渝鐵路胡麻嶺隧道第三系含水粉細砂巖地表降水試驗研究

徐志平
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

摘要：蘭渝鐵路胡麻嶺隧道7號豎井工區通過的第三系含水弱膠結粉細砂巖具有異常復雜的水穩性特征，掌子面自穩性差，施工進度極其緩慢，采用洞內降水措施，效果很難保證，施工風險大。根據地形地質條件，對胡麻嶺隧道7號豎井工區開展地表降水試驗研究，對試驗成果進行計算分析，了解和掌握該第三系含水砂巖的水文地質特性，確定地表降水井的設計參數。通過對降水前后圍巖、施工進度的比較，驗證了降水井的設計合理。

關鍵詞：鐵路隧道；第三系粉細砂巖；豎井；滲透系數；地表降水

0　引言

第三系含水粉細砂巖是目前鐵路隧道施工中遇到的復雜地質之一。曹峰［1］和王慶林等［2］人總結了蘭渝線桃樹坪隧道和胡麻嶺隧道第三系含水弱膠結粉細砂巖的施工情況后認為，第三系含水粉細砂巖具有異常復雜的水穩性特征，一般在掌子面開挖4 h以內，掌子面基本能自穩，4～6 h掌子面開始發生流變，6 h以后掌子面失穩，需采取超前降水等措施保證第三系砂巖保持在合理含水率以內，以保證圍巖處于基本穩定狀態，滿足正常的施工要求。王菀等［3］和張再仁［4］對桃樹坪隧道洞內降水設計和施工進行了總結，但對通過第三系含水粉細砂巖的鐵路隧道采取地表井群降水，國內尚未查到相關資料。

胡麻嶺隧道7號豎井工區地處溝谷地帶，隧道埋深相對較淺，地下水豐富，且通過第三系粉細砂巖段，滲透系數小，屬弱透水地層。在隧道開挖后，支護體系封閉之前，采取洞內超前降水措施，圍巖的含水率很難控制在18%以內［5］，常常出現掌子面涌泥涌砂的現象，施工風險大，施工進展極其緩慢。7號豎井工區隧道掌子面涌砂見圖1。根據胡麻嶺隧道豎井工區地形條件，對豎井施工的正洞設置地表群井超前降水，由于國內尚無類似工程經驗，實施前進行地表降水試驗，研究分析該地層水文地質參數，對地表降水設計是十分必要的。

圖1　7號豎井工區隧道掌子面涌砂Fig.1 Sand flowing out of the tunnel face

1　工程概況

1.1隧道概況

胡麻嶺隧道為新建鐵路蘭渝線控制性工程，位于甘肅省境內榆中縣與定西市境內，隧道起訖里程為DK68＋626～DK82＋237，全長13 611 m，為單洞雙線隧道。隧道洞身DK76＋350～DK79＋600段通過第三系含水弱膠結粉細砂巖，施工進度極其緩慢，進度嚴重滯后。隧道設置6座斜井＋1座豎井輔助正洞施工。

1.2工程地質特征

通過現場取樣并進行室內實驗分析，胡麻嶺隧道通過的第三系含水粉細砂巖黏粒含量為5.21%～8.52%；天然含水率為4%～10%；密度為1.882～2.133 g／cm3；顆粒密度為2.599～2.648 g／cm3；比重為2.64～2.67；孔隙比為0.363～0.442；黏聚力為14.21～99.38 kPa；內摩擦角為31.96°～46.29°。第三系砂巖遇水浸潤或擾動后極易軟化，其飽和抗壓強度無法通過室內試驗測得；局部夾有鈣質膠結薄層或結核，天然抗壓強度平均為2.46～7.58 MPa，飽和抗壓強度為0.8～2.67 MPa［5］。

7號豎井開挖后主要地層為第三系含水粉細砂巖，淺紅色，粉細粒結構，成巖性差，泥質弱膠結，局部形成鈣質半膠結或膠結的透鏡體，巖質軟，無地下水時圍巖整體穩定性尚好。

1.3水文地質特征

胡麻嶺隧道地下水主要為基巖裂隙（孔隙）水，該區域為弱富水區，地下水的分布受地形地貌（地表徑流條件）控制明顯，在溝谷區受降水地表匯集、上游地下水及地表水體長期補給影響，地層含水性遠大于其他地段，溝谷附近地下水水位埋深較淺，水量較為豐富。隧道區地下水以潛水為主，在運動過程中主要受裂隙通道控制，無統一的地下水面。根據斜井、豎井開挖及鉆探資料揭示，胡麻嶺隧道第三系含水砂巖段不同地貌的地下水位高程為2 195～2 231 m，變化不大，水力坡度較小，含水層厚度為15～48 m，地下水位的埋深受地形起伏影響變化較大，初始水位線一般位于隧道基底以上7～40 m。7號豎井位于石門水庫上游奶長溝溝床內，溝內常年有水流，沖溝發育，下切較深，一般為8～15 m，沖溝溝壁陡峭，垂直山脊多呈樹杈狀分布，為地下水的補給創造了條件［5］。

1.47號豎井及正洞的結構設計概況

豎井結構尺寸為8 m×16 m×30.5 m（長×寬×井深），采用鉆孔灌注樁圍護，豎井周邊采取豎向旋噴樁加固。豎井結構及地質柱狀圖見圖2，豎井工區正洞主要支護參數見表1，隧道襯砌支護斷面見圖3。

圖2　7號豎井結構及地質柱狀圖（單位：cm）Fig.2 Structure of No.7 vertical shaft and geological column（cm）

表1　7號豎井工區正洞主要支護參數表［6］Table 1 Support parameters of tunnel［6］

2　地表降水試驗

胡麻嶺隧道7號豎井工區正洞的地表降水沿隧道軸線方向，在隧道某一特定的施工段落的地表兩側布設多個降水井點，采用群井同時抽水，降低該段隧道第三系含水砂巖的含水率，以滿足正常施工的需要。根據地表單井降水試驗研究結果，為了進一步了解胡麻嶺隧道7號豎井工區第三系含水砂巖的水文地質特性，分析并驗證地表降水時的實際效果，通過計算分析

出該地層的群井降水適合的水文地質設計參數，從而對豎井工區正洞的地表降水進行設計。

圖3　隧道襯砌支護斷面圖（單位：cm）Fig.3 Crosssection of tunnel（cm）

2.1地表試驗情況

在7號豎井實施地表降水試驗前，打設5口呈一字排列、孔徑168 mm、井深74 m的試驗井進行地表單井降水試驗研究。初步了解該地區第三系含水砂巖的水文地質特性及降水的影響范圍，研究分析后確定降水目標為將降水井的水位線降至隧道基底以下20 m。

根據地表單井降水試驗研究分析，在7號豎井周邊進行了地表試驗群井布置。布設原則：降水井打設深度為50 m，位于洞底高程以下20 m，降水井管徑350 mm，配置潛水泵流量2～12 m3／h，揚程大于150 m。考慮現場實際地形及施工情況，地表試驗降水井布設見圖4。地表深井降水情況統計見表2。

現場實施地表試驗井，7號豎井結構已落底完成，在豎井實施過程中，水位線已降低，試驗井的水位降深根據實際降水效果控制。降水井水位觀測模擬地下水降落漏斗見圖5。

圖4　地表降水布置示意圖Fig.4 Layout of ground surface dewatering wells

式中：Sw為井水位降深，m；k為含水層滲透系數，m／d；H為潛水含水層厚度，m［7］。

7號豎井地表管井試驗數據計算滲透系數、影響半徑見表3。

根據計算，順河床方向的1和4號井滲透系數在1.12～1.69 m／d，影響半徑較大，遠離河谷的其他井滲透系數小于1 m／d，影響半徑相應較小。通過查閱鐵路工程地質手冊等參考工具書，以粉細砂為主的地層滲透系數一般為1 m／d左右，影響半徑為20～50 m。而根據地表單井降水試驗，滲透系數計算為0.276 m／d，說明胡麻嶺隧道深埋地區的滲透系數小于1 m／d，考慮地表地形變化的影響，對比計算結果，降水影響半徑擬采用60 m［8］。

2.2水文地質參數計算

按穩定流抽水試驗計算滲透系數，潛水含水層的影響半徑R按庫薩金公式確定：

表2　地表深井降水情況統計表Table 2 Statistics of ground surface deepwell dewatering

圖5　7號豎井位置降水剖面圖（單位：m）Fig.5 Profile of dewatering at the location of No.7 vertical shaft（m）

表3　滲透系數及影響半徑計算表Table 3 Calculation of permeability coefficient and influence scope

3　地表降水設計

3.1降水井設計參數分析

3.1.1含水層性質概化

第三系粉細砂地層，含水較為均勻，可將第三系粉細砂地層概化為大厚度均質潛水含水層，含水層厚度H取40 m，降水井降深Sw取35 m，含水層下部隔水底板低于隧道底部30 m。降水井地下水位降深見圖6。

圖6　降水井地下水位降深圖Fig.6 Dewatering depth

3.1.2基坑降水方式設計降水井數

參考JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》地下水控制內容中降水井設計方法，基坑地下水位降深

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1.3 Hs（Hs為水位降深和過濾器長度之和），已大于含水層的40 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均質含水層潛水完整井計算［9］：

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，取0.5 m／d；Sd為基坑地下水位的設計降深，m；R為降水影響半徑，取60 m；r0為基坑等效半徑，m，（A為基坑面積，m2）。

初擬基坑寬22 m，長15 m，計算得基坑總涌水量797 m3／d。

降水井數量n＝1.1 Q／q，設計單井流量q＝100 m3／d，計算得出降水井數量為9孔。

通過式（4）驗算基坑內各點都滿足要求Si≥Sd。

3.1.3考慮隧道實際施工進度下降水井數量

擬設計隧道施工進尺為15 m，隧道掌子面涌水量分為200 m3／d和500 m3／d 2種工況。預排水時間1個月，基坑實際面積為22 m×15 m。降水井出水量分為50 m3／d和100 m3／d 2種情況，降水井數量計算見表4。

表4　考慮實際施工進度降水井數量表Table 4 Quantity of dewatering wells

3.1.4加大動水位設計深度及井距分析

根據裘布衣假設理論，降水井產水量

式中：Q為降水井產水量，m3／d；H為含水層厚度，m；k為滲透系數，m／d；S為降水井設計降深，m；R為降水影響半徑，m；r0為降水井半徑，m。

其中降水浸潤線Z′和r的計算關系為：

式中：r為滲流的浸潤面上的點距降水井的距離，m；Z′為在離井中心r處滲流的浸潤面上的點距初始水位線的高度，m。

設降水井擬開采量為一定值，采用抽水試驗中的最大降深、地下水水位預測值對隧道位置的水位下降值進行計算。潛水降水井示意圖見圖7。

1）降水井深度及井距計算。降水井正常降水時，降水曲線達到掌子面中心底板時，認為降水井達到理想效果，此時公式存在水位降深和影響半徑2個參數S和R。降水井設計離隧道外側邊界4 m，取隧道直徑14 m，即R＝11 m時，此時Z′為40 m，單井抽水量50，100 m3／d，根據以上條件計算降水井井底與隧道底板的距離見表5。

圖7　潛水降水井示意圖Fig.7 Dewatering well for phreatic water

2）降水井干擾水位計算。當多個降水井同時工作時，降落漏斗相交處水位會形成干擾水位，計算模型見圖8。

含水層厚度取40 m，影響半徑R取60 m，降水井位置設于距隧道中線11 m，通過式（4）計算，單井情況下，水位降深Si＝1.4 m，雙井情況下，Si＝4.2 m，隧道中心線水位較單井多下降2.8 m，可見影響相對較大。

表5　設計降水井井底與隧道底板的距離Table 5 Distance between the bottom of designed dewatering well and the tunnel floor

3.2地表降水設計

通過試驗降水效果研究并計算分析，對胡麻嶺隧道7號豎井工區正洞第三系砂巖地表降水進行如下設計。

3.2.1降水管井參數

1）含水層類型。以細砂、粉砂類為主的潛水含水層。

2）降水井類型及參數。管井、管井直徑300 mm，填礫厚度150～200 mm。

3）過濾器位置。靜水位以下10 m至距離孔底5 m范圍內。

4）考慮布設井位地形的變化及第三系砂巖復雜的水文地質特性，降水井設計深度位于洞底以下22 m。

3.2.2降水井平面布置

正洞隧道兩側管井間距20 m，位于隧道輪廓線外側4 m，隧道單側相鄰兩管井與另一側管井呈等腰三角形布置或對稱布置，預降水時間為1個月。

4　降水效果評價

4.1降水前后掌子面圍巖變化

胡麻嶺隧道7號豎井工區蘭州方向，掌子面開挖進入無地表降水井降水區域后，掌子面上半斷面自穩性差，出現砂巖軟化、流塑狀外涌，采用洞內超前降水

效果甚微，上半斷面掌子面開挖后一段時間圍巖含水率能達到18%以上。當設置地表降水后，洞內施工較為順利，尤其進入地表降水群井效應區域后，掌子面水量明顯減少，開挖后有一定的自穩性，即使不采用洞內降水措施，圍巖的含水率也能有效控制在10%以內，能滿足隧道的正常施工的要求。地表井降水前后掌子面圍巖對比見圖9。

圖8　干擾降水井模型示意圖Fig.8 Model of interfering dewatering well

圖9　采用地表井降水前后掌子面圍巖對比Fig.9 Effect of ground surface dewatering

4.2降水前后施工進度對比

胡麻嶺隧道7號豎井工區蘭州方向正洞溝谷區由于埋深淺，降水井較好實施。2013年4月進入正洞形成正常開挖后，進度達15～20 m／月。而進入隧道深埋地段，由于地表降水深井打設滯后，2013年12月至2014年5月正洞進入無地表降水井區域段，施工進度為6～9 m／月，而2014年6月地表深井成功實施降水，正洞進入地表降水井區域段后，施工進度大幅提高，可達21.7 m／月。7號豎井工區蘭州向正洞施工進度見圖10。

圖10　7號豎井工區蘭州向正洞施工進度曲線圖Fig.10 Tunneling progress toward Lanzhou direction

5　結論與體會

1）第三系砂巖具有異常復雜的水穩特性，是一個世界性施工技術難題，地下水對圍巖穩定性的影響非常大。胡麻嶺隧道大段落通過第三系含水砂巖，施工難度大，進度緩慢，相比其他地質條件的高風險隧道，通過第三系含水砂巖的隧道超前降水是極其重要且十分關鍵的工程措施，胡麻嶺隧道7號豎井工區地表降水試驗研究表明，在隧道地表布設超前降水井群，能有效降低掌子面圍巖的含水率，加快施工進度，降低施工風險。

2）第三系含水砂巖具有十分復雜的水文地質特征，通過胡麻嶺隧道7號豎井工區地表單井和群井的降水試驗研究，胡麻嶺隧道穿越的第三系含水砂巖屬弱透水層，其滲透系數和降水影響范圍相對較小，降水時效短。經對試驗數據計算分析，該地層的滲透系數為0.5 m／d，降水影響半徑為60 m，進行地表降水井設計計算，經施工效果檢驗，可作為該隧道降水設計參考。

3）胡麻嶺隧道7號豎井工區實施地表降水試驗，分析計算是將第三系砂巖假設為一定厚度均質潛水含水層，而實際上隧道斷面通過砂巖的粒徑、孔隙率、密實度等物理性質的差異導致巖層含水的分布規律具有不均一性，這需在以后的降水施工中進一步總結。

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Experimental Study on Ground Surface Dewatering for Tertiary Watercontaining Finesilty Sandstone：Case Study on Humaling Tunnel on LanzhouChongqing Railway

XU Zhiping
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

Abstract：The tunneling from No.7 vertical shaft of Humaling tunnel on LanzhouChongqing railway crosses Tertiary watercontaining poorlycemented finesilty sandstone，which has extremely complex waterstable property.The tunnel face has poor selfsupport stability，and the tunneling progress is very slow.Furthermore，the effect of dewatering carried out inside the tunnel cannot be guaranteed.The tunneling has great risks.Experimental study is made on the dewatering made from the ground surface based on the terrain and geological conditions of the tunnel.The study results are analyzed，the hydrogeological property of the Tertiary watercontaining sandstone is obtained and the design parameters of the ground surface dewatering wells are determined.

Key words：railway tunnel；Tertiary watercontaining finesilty sandstone；vertical shaft；permeability coefficient；ground surface dewatering

作者簡介：徐志平（1981—），男，江蘇連云港人，2005年畢業于西南交通大學，土木工程專業，本科，工程師，主要從事鐵路隧道的設計和施工工作。

收稿日期：2014－12－08；修回日期：2015－03－30

中圖分類號：U 455.46

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）05－0428－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.006