香山隧道新近系富水弱膠結(jié)砂巖地層深井降水研究

關(guān)鍵詞：富水弱膠結(jié)砂巖；隧道；地表深井降水；周邊注漿加固中圖分類號： ；U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0167-04

Abstract：Based on the Xiangshan Tunnel Project，the influence of surface deep well precipitation on the groundwaterlevelaroundthe tunnel was studiedandanalyzedbyusing the methodof numericalsimulationand fieldtest，and theeffect and applicabilityof precipitation were tested.The resultsshowed that when thesurface ultra-deep well precipitation was used，the groundwater level decreased significantlyinthe first5O days，decreased slightly in the 50～90 days，reacheda stablelevel onthe9Othday，and decreased to 2～7 mbelow the vault.When the surrounding rock of the tunnel was reinforced by peripheral grouting，the water blocking effect was obvious，which can effectively reduce the head pressure around the tunnel，significantly change the characteristics of the surrounding rock， and improve the bearing capacity of the surrounding rock.Combined with the surface ultra-deep well precipitation andthe grouting reinforcement measures around the tunnel，the water content of the water-rich sandstone formation canbe effectively reduced to about 10%. In order to ensure the safety of water-rich sandstone tunnel construction， the maximum water output capacityof the dewatering well should be considered before tunnel excavation and an economical and reasonable pre-pumping time should be selected.

Key words ：water-rich sandstone tunnel ； surface deep well precipitation ； peripheral grouting

在富水砂巖隧道施工中，圍巖遇水易軟化、滑塌及塑性擠出。因此，對地層中地下水的疏干尤為重要。洞內(nèi)垂直降水井、地表降水、超前真空管降水、輕型井點(diǎn)降水是較為常用的降水技術(shù)[1-3]。其中，輕型井點(diǎn)降水、超前真空管降水和洞內(nèi)垂直降水井因工藝簡便、操作快捷、施工高效，故在富水砂巖隧道中得到廣泛應(yīng)用。曹峰等依托桃樹坪隧道，針對富水弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖地層情況對超前真空降水展開研究，分析不同井管直徑對地下水位的影響，結(jié)果表明超前真空降水可使地層的含水率從 20% 下降到10% 以下，粉細(xì)砂巖的力學(xué)性質(zhì)得到較大提升[4]；王秀英等依托蘭渝鐵路桃樹坪隧道，對輕型井點(diǎn)降水效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明施作真空輕型井點(diǎn)降水后，降低了地下水位，圍巖穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)[5]。張建奇、祁衛(wèi)華依托程兒山隧道，針對輕型井點(diǎn)和管井降水相結(jié)合的方法在第三系富水砂巖地層展開了試驗(yàn)研究，表明二者結(jié)合在對含水率高，但滲水量不是很大的砂巖地層特別適用，圍巖的含水率控制在10% 以下，穩(wěn)定性得到極大改善[6-7]；李國良等依托桃樹坪隧道，通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出，洞內(nèi)綜合降水技術(shù)可有效改善隧道圍巖性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)開挖及支護(hù)的無水作業(yè)[8]；畢煥軍等依托胡麻嶺隧道，針對地表降水同時(shí)配合洞內(nèi)真空降水的綜合方法進(jìn)行研究，得到地下水位隨抽水時(shí)間的變化規(guī)律[9]

基于此，研究依托新近系富水弱膠結(jié)砂巖隧道，以現(xiàn)場圍巖及支護(hù)參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)的方法對地表超深井降水的適用性及規(guī)律展開研究，為類似地層隧道工程的安全施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程背景

以中衛(wèi)至蘭州鐵路香山隧道為依托，隧道全長為 17763.3m ，里程分布在 DK39+990～DK57+ 753.3。隧道最大埋深約 390m ，V級圍巖約占15.4% ，以砂巖為主。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查， DK43+925～ DK44+515 區(qū)間的圍巖主要由新近系中新統(tǒng)的砂巖夾有泥巖及少部分礫巖組成。圍巖呈弱風(fēng)化，成巖性較差，主要靠少量的微小黏土顆粒以及毛細(xì)粘聚力的作用。地下水類型主要為巖溶和基巖裂隙水，孔隙水次之。

DK43+925～DK44+515 區(qū)間地下水位埋深約60～73m ，隧道洞身位于地下水位線以下 30degree 80m ，基巖裂隙水的補(bǔ)充由于裂隙發(fā)育差異呈不均勻性。 DK44+055～DK44+347 屬弱富水區(qū)，該地質(zhì)砂巖含水率大，滲透系數(shù)低，天然含水率為7.8%～27.1% ，掌子面圍巖取樣的含水率達(dá)到了16%～22% ，其滲透系數(shù) （K） 約為 0.02～0.05m/d 為弱透水地層；砂巖以細(xì)粒為主，顆粒含量以0.005～0.075mm 和 0.075～0.25mm 的為主。巖芯多呈短柱狀，巖體較破碎，孔隙比高，細(xì)度模數(shù)小，易失穩(wěn)成流塑。砂巖隧道開挖短時(shí)間內(nèi)，掌子面出現(xiàn)了細(xì)小的汗?fàn)顫B水如圖1所示。

1.2 地表降水試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

選取典型新近系弱膠結(jié)砂巖區(qū)段進(jìn)行現(xiàn)場地表超深井降水試驗(yàn)。降水井在隧道兩側(cè)交錯(cuò)布置，單側(cè)間距 16m ，降水井距隧道正洞兩側(cè)凈距 5m ，井底高程低至隧道仰拱高程以下 20m ，降水井最深為170m ，平均孔深為 145.2m ，降水井直徑 采用電測水位計(jì)實(shí)時(shí)觀測水位位置[10-11]。觀測井位置平均分布于降水區(qū)域內(nèi)，降水井和觀測井平面布設(shè)如圖2所示。

隧道開挖采用三臺階預(yù)留核心土法，超前加固措施采用厚度為 3m 的周邊注漿。注漿壓力為2～4MPa 。漿液選取水玻璃：水泥漿的雙漿液。周邊注漿加固后，漿液在圍巖中充填效果較好，對地下水的滲流起到較好的封堵作用，砂巖性質(zhì)得到較大改善，圍巖承載能力顯著提高。

2地表超深井降水?dāng)?shù)值模擬研究

2.1模型及參數(shù)設(shè)置

2.1.1 模型及邊界條件設(shè)置

模型長 × 寬 × 高 =120m×60m×180m ，網(wǎng)格劃分如圖3（a）所示。隧道埋深 137m ，地下水位高出拱頂 68.8m ；降水井直徑為 60cm ，布置方式如圖3（b）所示。隧道周圍施作 3m 厚的半包式注漿加固圈。圍巖地層、降水井分別采用摩爾-庫倫和彈性本構(gòu)，單元類型均為3D實(shí)體。在模型周圍施加法向位移約束。在地下水位位置設(shè)置節(jié)點(diǎn)總水頭，降水井采用等效折算的方式化為節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行抽水模擬。

圖3數(shù)值模擬建模示意圖

2.1.2 模型參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告取值地層及加固圈參數(shù)。其中，隧道從泥質(zhì)砂巖地層（地層編號6）穿越，為了模擬隧道施工對圍巖的擾動影響，將隧道周圍局部范圍內(nèi)的地層參數(shù)調(diào)整為了砂巖（地層編號5），具體如表1所示。

2.1.3滲流工況設(shè)置

模型在瞬態(tài)滲流工況中設(shè)置不同抽水時(shí)間，間隔為0.1s、1d、5d、10d、20d、30d、40d、50d、 ，分析不同時(shí)刻地下水位位置和滲流場分布情況。

2.2地表超深井降水效果分析

隧道各部位處孔隙水壓水頭如圖4。其中，N1～N6 為隧道外輪廓上典型部位的測點(diǎn)， W1～W5 為注漿圈外側(cè)典型部位的測點(diǎn)[12]

由圖4可知，采用地表超深井降水時(shí)，前50d降水速率最快，斷面孔壓水頭大幅度下降，該階段水位下降均在 60m 左右，拱頂降深占總降幅的84.43% 、拱肩為 83.87% 、邊墻為 81.20% 、仰拱為78.54% 50～90d 時(shí)孔隙水壓水頭小幅度降低，降水井抽水90d時(shí)地下水位達(dá)到穩(wěn)定值，最終水位線降至拱頂以下 3.59m ，拱頂處水位最大降深為72.3m 。此時(shí)，地下水位位于中臺階，隧道拱部圍巖的性質(zhì)得到大幅改善。

隨著降水井抽水時(shí)間的增加，降水井的抽水量逐漸達(dá)到其最大出水能力，地下水位處于降水井抽水與地層無限補(bǔ)給的動態(tài)平衡狀態(tài)。隧道開挖之前應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)合理的降水井的預(yù)抽水時(shí)間，結(jié)合模擬結(jié)果可知， 50～90d 時(shí)地下水位小幅降低，地下水位在抽水90d時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。

2.3注漿圈對降水效果影響分析

穩(wěn)定階段隧道周圍水壓力水頭包絡(luò)圖，如圖5所示。

由圖5可知，在考慮周邊注槳的情況下進(jìn)行地表超深井降水時(shí)，穩(wěn)定階段注漿區(qū)域兩側(cè)的動孔壓水頭相差較大，隧道拱頂位置差值最大，可達(dá)6.91m ；動孔壓水頭差值從拱頂向兩側(cè)邊墻逐漸減小，最后在隧道邊墻的未注漿區(qū)域達(dá)到相同。因此，當(dāng)對隧道周圍采用周邊注漿時(shí)，其加固效果體現(xiàn)在，提高圍巖抗?jié)B性，改善砂巖穩(wěn)定性，一定的阻水作用，降低隧道拱部及掌子面范圍內(nèi)的圍巖含水率。

3地表降水現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1地表超深井降水后地下水位變化規(guī)律

在降水井布置完成后，首先進(jìn)行試抽水操作。試抽水完成后，開始進(jìn)行持續(xù)的地表降水，直到地下水位達(dá)到穩(wěn)定，降水井在全過程中全部打開，進(jìn)行不間斷抽水。圖6、圖7為水位隨時(shí)間變化曲線。

由圖6、圖7可知，從現(xiàn)場地表試驗(yàn)所選區(qū)段內(nèi)的8#、9#觀測井所測數(shù)據(jù)顯示，隨著降水井抽水工作的開展，各觀測井水位相應(yīng)降低，觀測井水位的降低總體分為3個(gè)階段，前期地下水位大幅度降低階段、小幅度下降階段和地下水位達(dá)到穩(wěn)定階段。地下水位大幅度降低階段為 0～50d ，該階段水位下降40～56m ，為穩(wěn)定階段時(shí)總降深的 85% 左右。小幅度降低階段為隨后的 50～90d ，該階段水位下降5～10m 。其中8#、9#觀測井達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間為90d 左右，水位總降深為 45～70m ，穩(wěn)定后地下水位降至隧道中、下臺階附近，洞內(nèi)圍巖性質(zhì)得到明顯改善，達(dá)到施工所需條件，地表超深井在新近系富水弱膠砂巖隧道效果較好。

對比圖6、圖7和圖4圖5可知，當(dāng)采用地表超深井降水時(shí)，數(shù)值模擬所得的地下水位降深規(guī)律均表現(xiàn)為3個(gè)階段的降低。由于新近系弱膠結(jié)砂巖低滲透性的影響，增加抽水時(shí)間對于最終動態(tài)平衡時(shí)水位降深影響不明顯，為合理節(jié)約經(jīng)濟(jì)和工期，預(yù)降水時(shí)間為開挖前 90d 。

3.2地表超深井降水后隧道圍巖含水率變化規(guī)律

在實(shí)施地表超深井降水之前，香山隧道新近系含水砂巖段的圍巖含水率為 17%～19% ，在開挖施工中，砂巖軟化和流塑性滑移現(xiàn)象在掌子面拱頂及邊墻頻發(fā)，嚴(yán)重影響隧道施工進(jìn)度和安全。采用隧道周邊注漿和地表超深井降水組合輔助措施后，由于注槳圈堵水和降水井抽水的共同作用，隧道圍巖含水率降低至 10% 左右，基巖裂隙水及圍巖孔隙潛水明顯減小，圍巖的性質(zhì)得到改善，開挖后具有一定的自穩(wěn)性，開挖掌子面未出現(xiàn)突泥涌砂現(xiàn)象，能夠創(chuàng)造無水或少水施工環(huán)境，滿足隧道正常施工的要求，表明地表超深井降水效果良好。

4結(jié)語

（1）新近系富水弱膠結(jié)砂巖隧道采用地表超深井降水時(shí)，降水井抽水的前 50d 為地下水位大幅度降低階段，在隨后的 50～90d 水位小幅度降低，抽水90d水位達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后地下水位位于拱頂以下 2～7m 。為確保富水砂巖隧道施工安全，隧道開挖之前應(yīng)考慮降水井的最大出水能力并選擇經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)抽水時(shí)間。（2）隧道周圍采用周邊注漿時(shí)，注漿圈能顯著改變圍巖特性，提高圍巖承載力，并降低圍巖滲透性，降水穩(wěn)定后注漿圈內(nèi)外側(cè)最大動水頭差為6.91m ，隧道周邊注漿阻水效果明顯。（3）在新近系富水弱膠結(jié)砂巖地層中，采用隧道周邊注漿加地表超深井降水措施，可將砂巖地層含水率由 20% 降低至 10% 左右，掌子面圍巖穩(wěn)定性和隧道施工安全性大幅提升。

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（責(zé)任編輯：蘇帆）