輕型井點(diǎn)降水井點(diǎn)長度及真空度對降水效果影響性研究

滇中引水工程獅子山隧洞多個標(biāo)段存在高外水壓問題，極易發(fā)生涌突水問題。因此采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對常用的輕型井點(diǎn)降水方案進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了井點(diǎn)長度及真空度對降水效果的影響。研究結(jié)果表明：（1）輕型井點(diǎn)對臺階下部圍巖變形改善效果較好，且井點(diǎn)真空度對圍巖變形改善作用不大，但增長井點(diǎn)長度可有效改善圍巖變形。（2）設(shè)置輕型井點(diǎn)降水可以有效減小臺階下部圍巖的塑性區(qū)分布，井點(diǎn)真空度變化對圍巖的塑性區(qū)分布改善效果有限，但增大井點(diǎn)長度可以有效改善圍巖的塑性區(qū)分布。（3）輕型井點(diǎn)降水可以有效改善圍巖的孔隙水壓分布情況，在洞周及掌子面附近形成低水壓區(qū)。井點(diǎn)長度及真空度越大，對圍巖孔隙水壓分布改善效果越好。（4）綜合考慮井點(diǎn)長度及孔壓對降水效果的影響，并考慮施工過程中的時間成本，經(jīng)濟(jì)效益以及對地下水環(huán)境的影響，認(rèn)為設(shè)置4～6 m輕型井點(diǎn)，保持孔壓在-0.04 MPa以上最符合獅子山隧洞施工要求。

引水隧洞； 真空降水； 輕型井點(diǎn)降水； 數(shù)值模擬

U455.49A

［定稿日期］2024-02-20

［作者簡介］邱志洪（1998—），男，碩士，主要從事新型混凝土在地下工程中的研發(fā)與應(yīng)用。

0 引言

隨著我國地下工程建設(shè)的不斷進(jìn)行，隧道建設(shè)過程中面臨越來越多的工程地質(zhì)問題。對于存在高外水壓問題的隧道段，輕型井點(diǎn)降水作為一種常用的降水技術(shù)被廣泛應(yīng)用。目前大量學(xué)者對輕型井點(diǎn)降水技術(shù)進(jìn)行了研究。

卜長根［1］通過設(shè)計(jì)輕型井點(diǎn)變參數(shù)射流泵，采用雙層喉管變面積比的設(shè)計(jì)，分級地改變面積比，加大輕型井點(diǎn)射流泵吸入真空度，來滿足高效降水工程需要；鄭謙文等［2］提出針對不同地質(zhì)土層選用不同濾頭鉆孔的孔隙率和濾網(wǎng)等設(shè)備，有效保證成孔深度和質(zhì)量；丁銳［3］通過研究得出，隧洞施工承壓水部分使用洞內(nèi)輕型井點(diǎn)降水實(shí)用性強(qiáng)，治水率高，能滿足基底無水作業(yè)，保證施工質(zhì)量和進(jìn)度；周天豪等［4］研究發(fā)現(xiàn)，若暗挖隧道分層開挖施工，利用上層已完成的導(dǎo)洞布設(shè)輕型井點(diǎn)可有效止水，為下層導(dǎo)洞開挖提供良好條件；王菀等［5］通過設(shè)計(jì)真空負(fù)壓抽水，在洞周形成較大范圍的降水漏斗，很好地降低了隧道邊墻范圍外地下水，增大了拱頂、掌子面和兩側(cè)邊墻土體的穩(wěn)定，保證了工程施工質(zhì)量；楊勇［6］指出，當(dāng)一層降水達(dá)不到要求時，可設(shè)置雙層輕型井點(diǎn)，如隧道埋深較大，可配合隧道地面深井降水，組成聯(lián)合降水系統(tǒng)，其效果明顯；杜志昌［7］采用真空疏干與井點(diǎn)復(fù)合降水技術(shù)，通過控制井點(diǎn)降水真空度達(dá)到了良好的降水效果，并成功應(yīng)用于實(shí)踐；許俊朋等［8］研究了管井與輕型井點(diǎn)組合降水施工工藝及方法，既滿足了深基坑的有效降水深度，又解決了基坑坡面因滯水層導(dǎo)致的滲水涌砂問題；郭一男［9］以具體工程施工技術(shù)為例，通過調(diào)整井點(diǎn)管間距，并將井水管底端下降到污水管底側(cè)0.5 m以下，改善了井點(diǎn)降水效果；丁貞東等［10］進(jìn)行了真空井點(diǎn)降水的室內(nèi)模型試驗(yàn)，采用單井點(diǎn)與群井不同的形式，對土層真空度、孔隙水壓力以及其土工試驗(yàn)指標(biāo)等進(jìn)行了測試分析并總結(jié)了相應(yīng)的變化規(guī)律；王福喜［11］通過研究得出，輕型井點(diǎn)降水對含大量粉土、粉砂及其他滲透系數(shù)較小的地層降水效果非常好，在基坑深度為5.5～8.5 m范圍內(nèi)，降水采用輕型井點(diǎn)管較為合適。

綜上所述，目前對于輕型井點(diǎn)降水技術(shù)的研究大多集中于基坑工程中的應(yīng)用，對于其在隧道、引水隧洞中的應(yīng)用研究較少。因此本文以滇中引水工程獅子山隧洞為依托，采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，對輕型井點(diǎn)降水真空度及井點(diǎn)長度對隧洞降水效果的影響進(jìn)行研究，探明其對圍巖變形量、塑性區(qū)分布以及孔隙水壓分布規(guī)律的影響，提出適用本隧洞的最佳輕型井點(diǎn)參數(shù)。同時也可為國內(nèi)高水壓隧道降水方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

滇中引水工程大理Ⅱ段獅子山隧洞位于賓川縣，起訖里程為DLⅡ28+885～DLⅡ50+057， 沿線出露古生界至新生界地層，巖性以沉積巖、巖漿巖為主。本標(biāo)隧洞局部洞段地下水位高出洞身頂板350 m以上，圍巖弱微透水，但在斷層破碎帶及灰?guī)r段尤其在大箐及帽山白云質(zhì)灰?guī)r段巖體弱至中等透水，隧洞沿線依次穿越了大箐村（DLⅡ-Ⅰ-8）及大營鎮(zhèn)（DLⅡ-Ⅰ-9）兩個巖溶水系統(tǒng)。隧洞存在高外水壓問題6個洞段，占比9.65%，最大高外水壓力出現(xiàn)在畢馬村巖溶段。

2 數(shù)值模型建立

2.1 輕型井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)

根據(jù)隧洞輕型井點(diǎn)降水設(shè)計(jì)安裝經(jīng)驗(yàn)，采用在隧洞兩側(cè)埋設(shè)井點(diǎn)管，井點(diǎn)管上端通過連接彎管與集水總管連接，集水總管與真空泵和離心水泵相接，啟用抽水設(shè)備，地下水可在真空泵的吸力作用下，經(jīng)濾水管進(jìn)入井點(diǎn)管和集水總管，排出空氣后，由離心水泵的排水管排出。井點(diǎn)管采用雙線布置，且距離初期支護(hù)1 m，防止施加初支導(dǎo)致井點(diǎn)管松動；井點(diǎn)管排距采用0.8 m，防止井點(diǎn)管設(shè)置距離過近造成串孔。降水井點(diǎn)布置如圖1所示。

本文意在研究在獅子山隧洞DLⅡ47+133～DLⅡ47+945段輕型井點(diǎn)降水真空度及井點(diǎn)長度對臺階圍巖穩(wěn)定性的影響，故不考慮井點(diǎn)管的外插角及前傾角。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研情況［12-13］，輕型井點(diǎn)長度一般為3～5 m，但也存在12 m的特長井點(diǎn)；輕型井點(diǎn)真空度一般取-0.04 MPa以上，故變量參數(shù)取值如表1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

為詳細(xì)掌握獅子山隧洞DLⅡ47+133～DLⅡ47+945段現(xiàn)場的地質(zhì)情況，對隧洞圍巖進(jìn)行鉆孔取樣，并根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)（圖2）完成對不同標(biāo)段原狀土相關(guān)基本物理力學(xué)參數(shù)的測定，并根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料確定圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)規(guī)范，取無支護(hù)時應(yīng)力釋放率為30%，初期支護(hù)承擔(dān)70%的圍巖應(yīng)力釋放。格柵鋼架和噴射混凝土在計(jì)算模型中采用等效剛度進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算如式（1）所示。

E=E0+Sg×EgSc（1）

式中：E為噴射混凝土折算后的彈性模量；E0為原噴射混凝土的彈性模量；Sg為格柵鋼架的鋼筋截面積；Eg為格柵鋼架的彈性模量；Sc為噴射混凝土截面積。

2.3 計(jì)算模型

云南滇中引水獅子山隧洞DK47+133～DK47+945段，該段隧洞長812 m，隧洞埋深215～342 m，隧洞底板置于地下水位以下140～235 m，巖體微透水，滲透系數(shù)k=0.02 m/d，因此取中間值250 m作為計(jì)算埋深，取150 m作為水頭高度。該標(biāo)段采用ⅣP型初期支護(hù)，并采用C30W8F100混凝土噴射，噴射厚度為20 cm，混凝土滲透系數(shù)為0.261×10-8 cm/s。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，隧洞下臺階長度較長，模型計(jì)劃開挖25 m，未進(jìn)行下臺階開挖，故不考慮二次襯砌施作。洞周施作系統(tǒng)錨桿，洞周注漿圈厚度取8 m，注漿圈滲透系數(shù)為5.903×10-13" cm/s。

隧洞開挖斷面寬10.8 m，高10.6 m。由于未考慮下臺階開挖，因此模型的實(shí)際開挖輪廓線高為8.9 m。根據(jù)圣維南定理，隧洞左右邊界應(yīng)取3～5倍洞徑，因此取模型寬度取100 m。模型下邊界Z=-35 m，考慮到水頭高度，上邊界取Z=150 m，上部土層通過模型頂部施加等效均布荷載模擬，模型尺寸為：100 m×60 m×185 m。圍巖及注漿加固圈采用摩爾-庫倫模型，初期支護(hù)采用彈性模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

輕型井點(diǎn)降水屬于豎向降水，通過在隧洞中、下臺階兩側(cè)設(shè)置輕型井點(diǎn)，將地下水從隧洞臺階底部抽出，因此本文從圍巖變形量、圍巖塑性區(qū)及孔隙水壓分布等三個方面分析輕型井點(diǎn)長度及真空度對降水效果的影響。

3.1 臺階變形量

隧洞圍巖變形量突變常作為預(yù)測隧洞突涌水發(fā)生的重要依據(jù)之一。因此本文設(shè)置4組監(jiān)測點(diǎn)，如圖4所示：（1）組1為掌子面中線擠出位移，從拱頂上方至中臺階面4.92 m范圍內(nèi)的軸向變形；（2）組2為中臺階中線擠出位移，從中臺階面至下臺階面4.16 m范圍內(nèi)軸向變形；（3）組3為中臺階中部（距掌子面2.5 m處）的隆起值；（4）組4為下臺階（距上臺階2.5 m處）的隆起值。

圖5-圖7展示了不同井點(diǎn)長度及真空度下的圍巖變形量，三臺階法開挖的高水壓隧洞具有幾點(diǎn)變形特征：

（1）掌子面擠出量在距離拱頂0-1.72 m處呈現(xiàn)迅速增長的趨勢，而后在1.72 m-3.45 m處漲幅變小，在距離拱頂3.45 m處達(dá)到最大值，而后靠近中臺階面，其擠出量迅速減小。中臺階由于上部圍巖開挖，臺階處圍巖初始的三向應(yīng)力狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致圍巖從中臺階上表面至距離拱頂8.04 m處，擠出量均較大，在距離拱頂8.04 m～9.08 m段，擠出量迅速減小。綜合掌子面和中臺階的擠出量隨距離的變化可以發(fā)現(xiàn)，擠出量的最大值均出現(xiàn)掌子面/中臺階面的中下部。

（2）臺階隆起量由臺階兩側(cè)至中線處逐漸增大，且在臺階中部達(dá)到最大值。可以發(fā)現(xiàn)，在臺階兩側(cè)存在明顯沉降，原因是因?yàn)檩p型井點(diǎn)布置于距離初支1 m處，導(dǎo)致臺階下此范圍內(nèi)的地下水被大量抽出，導(dǎo)致土體固結(jié)，土體顆粒間孔隙變小，從而引起臺階面沉降。

以井點(diǎn)長度為2 m時掌子面擠出量隨井點(diǎn)真空度變化為例（圖5（a）），當(dāng)真空度為0、-0.02 MPa、-0.04 MPa、-0.06 MPa、-0.1 MPa時，分別減小了掌子面擠出量11.23%、11.59%、11.23%、11.83%，真空度-0.04 MPa、-0.06 MPa、-0.1 MPa時相較于-0.02 MPa時，其增幅分別為3.09%、0.00%、5.33%，由此可知，輕型井點(diǎn)真空度對隧洞圍巖變形量影響不大。

基于此，僅選取真空度為-0.02 MPa下，對井點(diǎn)長度對圍巖變形量的影響進(jìn)行分析。當(dāng)井點(diǎn)長度為2 m、4 m、6 m、10 m時，掌子面擠出量分別減少了10.1%、11.35%、11.73%、12.12%；中臺階擠出量分別減少了24.64%、36.00%、38.11%、38.96%；中臺階隆起量分別減少了37.79%、59.18%、67.17%、76.62%；下臺階隆起量分別減少了25.14%、42.90%、49.31%、55.57%。因此，可得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）改變井點(diǎn)真空度對于圍巖變形量影響不大，增大井點(diǎn)長度可以有效改善圍巖變形量。

（2）輕型井點(diǎn)降水對于掌子面變形的改善效果有限，且改善效果幾乎不隨井點(diǎn)長度及井點(diǎn)真空度變化。但設(shè)置輕型井點(diǎn)降水措施對改善臺階下部圍巖變形有著良好作用，且井點(diǎn)長度越長，其改善效果越好。

3.2 塑性區(qū)

隧洞開挖完成后，由于卸荷作用引起圍巖應(yīng)力場重分布，導(dǎo)致臨近隧洞巖土體達(dá)到屈服極限，圍繞隧洞形成塑性區(qū)［14］。塑性區(qū)的范圍在一定程度上可以反應(yīng)圍巖穩(wěn)定性程度。根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設(shè)置輕型井點(diǎn)降水對塑性區(qū)縱向深度無明顯改善，故固定真空度為-0.02 MPa，隧洞下臺階塑性區(qū)橫截面如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)置輕型井點(diǎn)降水對于拱頂、拱腰兩側(cè)及掌子面前方的塑性區(qū)范圍的改善較小，但可以大大減小臺階下部圍巖的塑性區(qū)面積，且隨著井點(diǎn)長度的增加，塑性區(qū)收縮的趨勢逐漸放緩。

過FLAC 3D輸出輕型井點(diǎn)設(shè)置范圍內(nèi)（即中臺階縱向5 m范圍內(nèi)，下臺階縱向5 m范圍內(nèi)）臺階下部圍巖塑性區(qū)體積，可以發(fā)現(xiàn)井點(diǎn)真空度變化對于塑性區(qū)體積影響較小，以固定井點(diǎn)長度為2 m時，塑性區(qū)體積隨真空度的變化規(guī)律為例（圖9）。可以發(fā)現(xiàn)隨著真空度的不斷變大，中臺階下部圍巖塑性區(qū)體積始終控制在1 200 m3左右，下臺階下部圍巖塑性區(qū)體積始終控制在950 m3左右，且塑性區(qū)體積與真空度無明顯的線性關(guān)系。由圖9可知，當(dāng)固定井點(diǎn)真空度為-0.02 MPa，當(dāng)長度為2、4、6、10 m時，中臺階下部圍巖塑性區(qū)體積分別減少了36.14%、52.23%、59.30%、67.02%；下臺階下部圍巖塑性區(qū)體積分別減少了30.78%、47.07%、52.16%、60.42%。由此可知，設(shè)置輕型井點(diǎn)降水可以大幅減小臺階下部圍巖塑性區(qū)，有利于增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性。且輕型井點(diǎn)對塑性區(qū)范圍的改善效果隨著井點(diǎn)長度的不斷增加逐漸減弱。

3.3 孔隙水壓

地層孔隙水壓分布直接影響著圍巖穩(wěn)定性，直接體現(xiàn)了降水方案效果。隧洞開挖后，掌子面及隧洞臺階表面成為臨空面，是地下水涌出的直接出口，因此隧洞內(nèi)表面的孔隙水壓固定為0。另外，存在高水壓問題的隧洞標(biāo)段埋深較大，模型上部通過施加均布荷載模擬上部土層，因此設(shè)置的模擬水面處孔隙水壓并不為0。分析數(shù)值模擬結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，布置輕型井點(diǎn)后，隧洞洞周及掌子面前方孔隙水壓明顯減小，且孔隙水壓與真空度及井點(diǎn)長度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對照組及工況1（井點(diǎn)長度2 m，真空度-0.02 MPa）的孔隙水壓分布如圖10、圖11所示。

提取掌子面拱頂至模型頂部的孔隙水壓，以研究輕型井點(diǎn)真空度及井點(diǎn)長度對降水效果的影響。以固定真空度為-0.02 MPa為例（圖12），可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，掌子面上方孔隙水壓隨井點(diǎn)長度的增大不斷減小，當(dāng)井點(diǎn)長度為2、4、6、10 m時，其孔隙水壓平均減少19.85%、24.48%、28.92%、36.83%。固定井點(diǎn)長度為2 m時（圖13），可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)真空度為-0.02、-0.04、-0.06、-0.1 MPa時，其孔隙水壓平均減少19.85%、23.84%、27.51%、33.23%。

綜上所述，可以得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）設(shè)置輕型井點(diǎn)降水可以有效改善隧洞洞周、掌子面前方的富水情況，隨著井點(diǎn)長度及真空度的增大，隧洞洞周及掌子面前方低水壓程度更明顯。

（2）增加井點(diǎn)長度及井點(diǎn)真空度能夠改善地層的孔隙水壓分布情況，且當(dāng)井點(diǎn)真空度控制在-0.04 MPa以上時，對于地層富水情況的改善效果最明顯。

但在實(shí)際工程中，需要考慮對環(huán)境的影響因素，在確保輕型井點(diǎn)降水有效的情況下，應(yīng)盡量保證隧洞洞周的低水壓范圍及程度不應(yīng)過大［15］，防止地下水流失過多，影響生態(tài)平衡。

4 結(jié)論

本文依托滇中引水工程獅子洞隧洞，采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，從臺階下部圍巖變形、圍巖塑性區(qū)及孔隙水壓分布情況三個方面探究了輕型井點(diǎn)長度及真空度對降水效果的影響，得到幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）設(shè)置輕型井點(diǎn)可以有效改善臺階下部圍巖變形，但對掌子面前方圍巖變形改善效果較弱。井點(diǎn)真空度變化對于隧洞圍巖變形的影響性較小；增大井點(diǎn)長度可以有效減小圍巖變形量，但當(dāng)井點(diǎn)長度超過6 m時，改善效果增幅逐漸減小。

（2）設(shè)置輕型井點(diǎn)降水可以有效減小臺階中下部圍巖的塑性區(qū)分布，井點(diǎn)真空度變化對圍巖的塑性區(qū)范圍改善效果有限，但增大井點(diǎn)長度可以有效改善圍巖的塑性區(qū)范圍，但隨著井點(diǎn)長度的不斷增加，改善效果不斷減弱。

（3）采用輕型井點(diǎn)降水可以有效改善圍巖的孔隙水壓分布情況，但會在洞周及掌子面附近形成低水壓區(qū)。井點(diǎn)長度

及真空度越大，對圍巖孔隙水壓分布改善效果越好。

（4）綜合考慮井點(diǎn)長度及孔壓對圍巖的變形控制效果、圍巖塑性區(qū)范圍以及地層孔隙水壓分布的改善情況，且考慮施工過程中的時間成本，經(jīng)濟(jì)效益以及對地下水環(huán)境的影響，認(rèn)為設(shè)置4～6 m輕型井點(diǎn)，保持孔壓在-0.04 MPa以上更符合本標(biāo)段隧洞的施工要求。

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