某高鐵隧道小口徑井抽水試驗探討

譚茂蘭， 武興龍， 肖綱通，覃明彩，辛 武

(核工業(yè)衡陽第二地質(zhì)工程勘察有限公司 ，湖南 衡陽 421008)

1 引言

高鐵目前成為我國主要的交通出行方式，穿梭于城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間，不斷縮小地域時空間距。高鐵所經(jīng)路線往往地形地貌復雜，在崇山峻嶺地段，需要修建隧道通過。本文以湖北某高鐵隧道的1號孔為研究對象，該隧道洞身穿越地段主要由巖石組成，通過抽水試驗數(shù)據(jù)研究該隧道工程水文地質(zhì)參數(shù)中的重要指標——巖石的滲透系數(shù)K為隧道的涌水量估算提供可靠的水文地質(zhì)參數(shù)。依據(jù)達西定律可知[1]，滲透系數(shù)等于水力梯度為1時的滲透流速，即單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度，可以說明巖石的滲透性能，滲透系數(shù)越大，其巖石的透水性能越強[2]。本試驗孔為某高鐵3號隧道1號孔，鉆探地點及紙上定線里程DIK161+400.6右30，設計深度220 m，該隧道長度7862 m，隧道洞身高程202.60～212.60 m。

2 隧道小口徑井抽水試驗

2.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

該高鐵隧道1號孔為山區(qū)丘陵地貌，地層上部為第四系殘積粉質(zhì)黏土，下部為下第三系古新統(tǒng)礫巖夾砂巖夾泥巖，地下水及節(jié)理裂隙發(fā)育。鉆探顯示，下伏基巖上部為礫巖且厚度較大，弱風化，富水性弱；下部為含礫砂巖，破碎、富水性好，且礫巖與含礫砂巖、砂巖破碎帶交錯分布，水文地質(zhì)條件較為復雜。

表1 1號抽水試驗孔地層巖性分布情況

2.2 試驗孔布置

1號抽水試驗孔的布置嚴格按照規(guī)范[3]進行，布孔平面圖見圖1。

開孔孔徑Φ130 mm鉆至完整基巖10 m，下入127 mm套管，換Φ110 mm鉆至195 m，最后91 mm終孔。需保證物探綜合測井、抽水設備能順利下入孔內(nèi)，抽水試驗能正常進行，如不能保證，要求做擴孔，并保證后序水文測井能順利完成。抽水試驗孔出水孔為Φ110 mm，小口徑孔。

2.3 抽水設備選擇

抽水試驗中，最大動水位深度盡可能的接近孔底，并配備小口徑深水泵抽水設備。本抽水試驗孔采用G100QJ20-97/5型潛水泵，深井泵下至孔深35.20 m處， 揚水管(鋼質(zhì))φ50/φ39 mm，測水管采用Φ25 mm/22 mm的塑料PVC管，下入孔深33.70 m。下入各路管路時，各絲扣均用止水生料膠帶纏繞，以防漏氣、滲水。測量出水量采用三角堰測量，水位測量采用電測水位計測量。2019年11月17日9:00進行抽水試驗。

圖1 1號試驗孔鉆場平面布置

2.4 試驗過程及技術要求

首先進行了洗井工作，洗孔前實際孔深219.50 m。下入鉆桿后，進行了完全洗井，先采取全孔用清水置換泥漿，泥漿置換后，循環(huán)沖洗、孔內(nèi)循環(huán)水完全變清后，再用泵桿噴射法沖洗孔壁濾網(wǎng)處，最后采用卷揚機提桶洗井法，直至提出水完全變清后，洗孔結束。

抽水試驗開始前，準確量測孔內(nèi)靜止水位，進行全孔混合抽水試驗，并根據(jù)巖芯鑒定和物探測井結果，確定過濾器放置位置。抽水試驗要求完成三個落程，正式抽水試驗的大落程Smax應與試抽最大降深相同，大落程降深一般情況應達到或超過含水層(體)厚度的1/2。中落程S2=2/3Smax，小落程S3=1/3Smax。三個落程從大到小進行，兩個落程的間距不得小于1 m。試驗過程中要及時繪制Q-S曲線，檢查抽水試驗是否正確。抽水試驗結束后，應立即進行水位恢復觀測，其精度應符合《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB1049-2004)技術要求。

本次抽水試驗采用了大落程S1和小落程S2兩次降深，取得了兩次水位降深S及涌水量Q資料。

從圖2可以看出，大落程降水深度5.40 m，出水量Q= 5.112 L/s 日出水量為441.6768 m3/d；而小落程降水深度4.30 m，出水量Q= 4.427 L/s 日出水量為382.4928 m3/d。隨著降水深度增加流量隨著增大，Q～S曲線呈現(xiàn)近似直線關系，符合承壓水Q～S關系特征。

圖2 Q～S曲線

從圖3可以看出，大、小落程抽水結束水位恢復的穩(wěn)定靜水位均為11.70 m。大落程水位動水位為17.10 m，水位恢復時間從2019年11月18日9:00至13:00分，累計用時4 h；小落程動水位為16.00 m，水位恢復時間從2019年11月19日7:00至11:00，累計用時4 h。

圖3 大小兩次落程抽水結束后水位恢復曲線

3 試驗結果分析探討

根據(jù)試驗場地實際情況及工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件，本文選用單孔穩(wěn)定流承壓水非完整井公式巴布什金—吉林斯[5]公式(1)計算隧道巖層滲透系數(shù)K。

(1)

公式(1)中K——滲透系數(shù)(m/d)；Q——穩(wěn)定抽水流量/(m3/s)；S——鉆孔水位降深/(m);L——過濾器有效滲透部分的長度/(m)；r——鉆孔半徑/(m)。

特別要說明的是，r本指鉆孔半徑，但是由于本實驗抽水鉆孔直徑為110 mm，則鉆孔半徑為0.055 m，而出水管半徑僅為0.016 m，出水管半徑小于鉆孔半徑，因此根據(jù)計算原理應選取出水管半徑值作為本次計算值。根據(jù)試驗資料計算的高鐵隧道含水層滲透系數(shù)K值列入表2。

表2 隧道巖層單孔抽水井滲透系數(shù)K計算情況

從表2可以看出通過本次試驗計算獲得滲透系數(shù)K值范圍為3.82～4.15 m/d，取算術平均值3.99 m/d作為本次3號隧道1號試驗孔巖層的滲透系數(shù)K值。

影響半徑即降落漏斗的周邊在平面上投影的半徑。影響半徑的大小與含水層的透水性、抽水延續(xù)時間、水位降深等因素有關。根據(jù)本次抽水試驗得出承壓水的特性，則影響半徑R采用吉哈爾特[6]公式(2)計算。

(2)

將各項試驗數(shù)據(jù)代入公式(2)計算出的水文地質(zhì)參數(shù)影響半徑R值見表3。

表3 隧道巖層單孔抽水井影響半徑R計算情況

根據(jù)大落程S1地下水位降深數(shù)值5.40 m及計算出的滲透壓系數(shù)K值3.82 m·d-1，依據(jù)公式2計算得出影響半徑R=105.84 m；根據(jù)小落程S2地下水位降深數(shù)值4.30 m及計算出的滲透壓系數(shù)K值4.15 m·d-1，依據(jù)公式2計算得出影響半徑R=110.16 m。綜合求算數(shù)平均值，得出影響半徑R=108.00 m作為本次高鐵隧道1號抽水試驗孔的地下水影響半徑數(shù)值。

4 結語

(1)小口徑井在高鐵等大型且地質(zhì)條件較復雜的工程中用于抽水試驗具有操作簡單便捷，成本低，且能較準確地反應含水層的水文地質(zhì)特點的優(yōu)勢。因此在大型工程項目、地質(zhì)環(huán)境較復雜的地區(qū)進行抽水試驗建議使用小口徑試驗井。

(2)通過抽水試驗查明場地的水文地質(zhì)條件，需根據(jù)實際條件選擇合適的計算公式，本文根據(jù)單孔穩(wěn)定流承壓水非完整井的水文地質(zhì)實際情況，選取了合適的巴布什金—吉林斯公式及吉哈爾特公式分別計算出隧道巖層滲透系數(shù)K=3.99 m·d-1，影響半徑R=108.00 m。為該高鐵隧道的勘察設計及順利施工提供了較可靠的技術數(shù)據(jù)支持，達到了試驗目的。