陳小羊， 徐 桃， 張 浩， 張 峰， 郭茶發(fā)

(1. 中建七局交通建設(shè)公司, 河南 鄭州 450004； 2. 中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司， 福建 福州 350003)

0 引言

隧道工程施工中經(jīng)常會(huì)遇到地下水，尤其在遭遇地質(zhì)不良地段時(shí)，如何將地下水對(duì)施工帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)降低到可控范圍內(nèi)一直是工程的熱點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)有常規(guī)的施工技術(shù)是采用洞內(nèi)預(yù)注漿堵水和鉆孔引排等措施，但這些措施存在治理費(fèi)用較高、難度大以及工序繁瑣等不足，同時(shí)會(huì)對(duì)隧道的正常掘進(jìn)造成一定程度的干擾，并且難以達(dá)到徹底治理的效果。相對(duì)于注漿堵水或鉆孔引排等事后措施，采用井點(diǎn)降水可以最大程度地避免這些不足。

在隧道施工過(guò)程中，如何有效地采用井點(diǎn)降水，許多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究。張曉宇[1]在軟塑黃土隧道中開(kāi)展了超前降水試驗(yàn)研究，通過(guò)地表降水，有效疏干了洞身范圍內(nèi)的地下水，減小了股狀涌水的風(fēng)險(xiǎn)，并降低了洞身地下水壓力； 徐志平[2]根據(jù)地形地質(zhì)條件，對(duì)胡麻嶺隧道7號(hào)豎井進(jìn)行了降水試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)，確定了地表降水井的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)降水前和降水后地下水位的變化，驗(yàn)證了降水井設(shè)置的合理性； 王菀等[3]依托蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道洞內(nèi)降水工程，通過(guò)降水管設(shè)計(jì)與施工，對(duì)真空輕型井點(diǎn)在洞內(nèi)降水進(jìn)行了研究； 張?jiān)偃蔥4]在采取了一定程度的加強(qiáng)措施和輔助措施之后，在桃樹(shù)坪隧道出口段通過(guò)采取深井降水措施，有效改善了施工環(huán)境和施工條件； 王廣宏等[5]以蘭渝鐵路桃樹(shù)坪隧道出口現(xiàn)場(chǎng)施工中采用的垂直深井降水和超前真空深孔降水以及輕型井點(diǎn)降水的3級(jí)降水技術(shù)為例，總結(jié)出了一套在富含水未成巖粉細(xì)砂地層降水施工技術(shù)，為類(lèi)似地層條件下隧道施工作業(yè)提供了經(jīng)驗(yàn)； 朱育宏等[6]針對(duì)富水復(fù)合地層深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)較大但是研究較少的重難點(diǎn)問(wèn)題，以風(fēng)險(xiǎn)源分析為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程案例，歸納富水地層中深基坑開(kāi)挖的特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，提出了科學(xué)合理的降水措施； 馬志富等[7]針對(duì)牡綏鐵路雙豐隧道洞身穿越第三系泥巖間夾砂巖地層以及富水等工程條件，結(jié)合地層特性，確定了降水的具體措施，較好地控制了隧道變形； 張學(xué)文[8]以桃樹(shù)坪隧道斜井正洞塌方處治作為工程案例，制定了詳細(xì)的降水方案，就富水粉細(xì)砂層如何有效處治隧道塌方進(jìn)行了詳細(xì)的論述和總結(jié)； 李治國(guó)等[9]以位于富水砂層中的聯(lián)絡(luò)通道為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)常用的地層加固技術(shù)進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的對(duì)比，選擇降水之后再進(jìn)行注漿止水的施工方案，施工過(guò)程中對(duì)隧道和地表變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了方案的有效性； 李鐵生等[10]以北京地鐵8號(hào)線王府井站為工程背景，對(duì)比研究了地下降水的不同方案，根據(jù)洞樁法的技術(shù)特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出在洞樁法車(chē)站的上層施工導(dǎo)洞適當(dāng)放大或進(jìn)行合并，提供打設(shè)降水井的空間，解決了復(fù)雜環(huán)境下隧道施工過(guò)程中的降水問(wèn)題。

當(dāng)前對(duì)井點(diǎn)降水的研究中，大部分均是針對(duì)降水過(guò)程及降水結(jié)果等進(jìn)行理論和數(shù)值分析，較少探討對(duì)降水技術(shù)的改進(jìn)。常規(guī)的降水技術(shù)中，過(guò)濾層是在鉆孔成型之后再采用透水性材料進(jìn)行回填，但是如果地層條件自身為風(fēng)化花崗巖之類(lèi)透水性較好的材料，這會(huì)造成一定程度的浪費(fèi)。在總結(jié)常規(guī)管井降水施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討了在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層條件下對(duì)常規(guī)管井降水施工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，形成改進(jìn)型管井降水技術(shù)。該技術(shù)將管井周?chē)耐馏w直接作為透水性材料，在水井鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)高壓風(fēng)自動(dòng)形成反濾層，相對(duì)于常規(guī)管井降水技術(shù)減少了過(guò)濾層包裹和反濾層回填2道工序。以廈門(mén)地鐵4號(hào)線首開(kāi)段大帽山礦山法施工隧道為研究對(duì)象，結(jié)合地層條件，確定了在應(yīng)用改進(jìn)型管井降水施工技術(shù)時(shí)降水井的布置數(shù)量和布置距離，降水結(jié)果驗(yàn)證了該技術(shù)具有良好的效果，在類(lèi)似地層條件下具有一定的推廣價(jià)值。

1 改進(jìn)型管井降水技術(shù)原理

1.1 常規(guī)管井降水技術(shù)

常規(guī)管井降水施工技術(shù)是井點(diǎn)降水的一種，沿著需要降低水位的地表周邊埋設(shè)一定數(shù)量的管井，然后直接與抽水設(shè)備相連或與總管連接從中抽水，使地下水位降低到合理的高度。常規(guī)排水井系統(tǒng)主要包含過(guò)濾管、過(guò)濾層、出水管及水泵等，具體組成見(jiàn)圖1。

圖1 常規(guī)管井排水系統(tǒng)

常規(guī)管井降水施工中，過(guò)濾層一般采用中粗砂或者砂礫石等透水性材料，管井安裝到位后，將這些材料沿管井四周進(jìn)行回填。

1.2 改進(jìn)型管井降水技術(shù)

1.2.1 技術(shù)原理

改進(jìn)的管井降水技術(shù)主要是針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，由于其本身透水性較強(qiáng)，是一種較好的回填材料，如果管井開(kāi)挖之后再進(jìn)行回填置換會(huì)造成一定程度的浪費(fèi)，同時(shí)影響施工效率?；诖?，對(duì)常規(guī)管井進(jìn)行改進(jìn)，并提出一種改進(jìn)型管井降水施工技術(shù)。該技術(shù)與常規(guī)管井降水施工技術(shù)的區(qū)別在于將管井周?chē)耐馏w作為透水性材料，在水井鉆進(jìn)過(guò)程中自動(dòng)形成反濾層，這樣就減少了常規(guī)管井降水施工中過(guò)濾層包裹和反濾層回填2道工序，并提升了施工效率。改進(jìn)后的管井構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)型管井構(gòu)造示意圖

1.2.2 具體做法

1.2.2.1 施工準(zhǔn)備

現(xiàn)場(chǎng)提前做好人員、機(jī)械設(shè)備和材料的準(zhǔn)備工作。施工前需對(duì)鋼管進(jìn)行割縫處理，加工鋼管套并與鋼管的一端進(jìn)行焊接，將管靴與首節(jié)鋼管進(jìn)行焊接。

1.2.2.2 定井位

根據(jù)降水設(shè)計(jì)方案提供的井位圖位置，現(xiàn)場(chǎng)放樣確定井位和井間距。正常情況下井位偏差≤50 mm，若遇特殊情況需調(diào)整井位時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做適當(dāng)調(diào)整。

1.2.2.3 鉆機(jī)就位、調(diào)整

履帶式鉆機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，鉆機(jī)就位后通過(guò)4個(gè)液壓支腿來(lái)調(diào)整鉆機(jī)平整度和鉆塔垂直度，精準(zhǔn)對(duì)位后進(jìn)行液壓鎖定，以保證鉆機(jī)安裝位置準(zhǔn)確，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)平穩(wěn)、鉆塔豎直。

1.2.2.4 鉆進(jìn)及管井跟進(jìn)

鉆進(jìn)前將空壓機(jī)的風(fēng)管與鉆桿頂部進(jìn)風(fēng)管連接，供水的高壓泵管與鉆桿頂部的進(jìn)水管連接；將首節(jié)管井底部通過(guò)管靴套在伸縮鉆頭上，頂部通過(guò)連接件固定在鉆桿上。開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)同步啟動(dòng)空壓機(jī)和高壓泵輸送高壓風(fēng)和高壓水，高壓風(fēng)和高壓水通過(guò)鉆桿經(jīng)鉆頭底部的開(kāi)孔噴射出來(lái)，噴射出來(lái)的高壓水氣流夾帶鉆碴沿水井孔壁與滲水管之間的空隙沖向地面，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中利用高壓水氣流將鉆孔附近的細(xì)小顆粒沿井孔吹出地面，未被吹出的粗大顆粒落在管井周邊作為濾料包裹管井，自動(dòng)形成管井降水的反濾層。鉆進(jìn)過(guò)程中利用鉆頭通過(guò)管靴將管井壓入井孔，當(dāng)首節(jié)管井下降到一定高度時(shí)停止鉆進(jìn)，安裝第2根管井，井管之間通過(guò)管套焊接連接。第2根管井安裝好后繼續(xù)鉆進(jìn)，如此循環(huán)跟管鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)管井跟進(jìn)始終與鉆孔同步進(jìn)行，直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，形成水井。

1.2.2.5 安裝水泵及水管

選擇揚(yáng)程不小于100 m、排水量不小于6 m3/h的潛水泵，水管安裝前全面檢查，保證安裝后能平穩(wěn)運(yùn)行。水泵底距離井底3 m，用鋼絲繩懸掛固定。

1.2.2.6 洗井

水泵及水管安裝到位后，先進(jìn)行洗井，以便將鋼管內(nèi)外側(cè)殘留的少量黏土、粉土、泥漿等影響降水的雜質(zhì)通過(guò)洗井排出井外，直至出水完全達(dá)到清澈。

1.2.2.7 開(kāi)始降水

洗井結(jié)束后，正式開(kāi)始降水。抽水開(kāi)始后，逐一檢查排水管道是否暢通，有無(wú)滲漏現(xiàn)象。

2 工程案例

2.1 工程簡(jiǎn)介

大帽山隧道屬于廈門(mén)地鐵4號(hào)線首開(kāi)段，位于廈門(mén)北站東北方向，隧道整體為東西走向，在SDK1+326.5處設(shè)置豎井，以此作為暗挖隧道的起點(diǎn)，向東(大里程方向)為暗挖隧道區(qū)間，暗挖隧道全長(zhǎng)1 900 m，向西(小里程方向)為盾構(gòu)隧道區(qū)間。該暗挖隧道為左右分離式，進(jìn)口端為豎井，進(jìn)口端130 m范圍隧道埋深32～40 m，主要穿越土層類(lèi)型從上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中砂、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。隧道地質(zhì)縱剖面圖見(jiàn)圖3。

圖3 暗挖隧道進(jìn)口端地質(zhì)縱剖面圖

本區(qū)間礦山法隧道開(kāi)挖寬7.2 m、高7.5 m、內(nèi)輪廓面積約40 m2，襯砌類(lèi)型為復(fù)合式襯砌，降水段落均為Ⅴ級(jí)圍巖，降水范圍主要為進(jìn)口端130 m。

進(jìn)口端相關(guān)數(shù)據(jù)有： 隧道底高程為-10.5 m，地面高程約為26.4 m，隧道埋深約37.5 m；地下水穩(wěn)定水位埋深約6.5 m(高程20.0 m)，設(shè)計(jì)水位高程為 -11.0 m(隧道底高程以下0.5 m)，地下水位設(shè)計(jì)降深為31.0 m。

土層中散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖強(qiáng)度為一般—較高，性狀致密，人工、機(jī)械開(kāi)挖困難，其內(nèi)部裂隙水較發(fā)育，并具有微承壓性。開(kāi)挖后裂隙水很快滲透至基巖表面，在外界空氣的作用下，基巖表面很快變軟、松散、掉塊，直至坍塌。散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的這一特性給該段暗挖隧道的正常施工帶來(lái)了很大困難，增加了較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 降水井布置

依據(jù)有關(guān)降水的相關(guān)著作[11-14]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在線路左SDK1+354.18～+454.18(右SDK1+354.18～+454.18)區(qū)間布置降水井35口，6口用于豎井降水、24口新設(shè)置的降水井、5口監(jiān)測(cè)井。降水井按照3排布置，中間排布置在左、右隧道中間位置，距離兩洞邊約5.9 m，兩側(cè)布置在距離隧道邊線4 m處，沿隧道縱向軸線的間距為6～15 m[14]，平均約9 m。降水井位置平面示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 降水井位置平面示意圖(單位： cm)

2.3 降水井深度

降水井深度：

Hw=Hw1+Hw2+Hw3+Hw4

[15]。

(1)

其中，

Hw2=ir0。

(2)

式(1)和式(2)中：Hw1為自地面算起至設(shè)計(jì)要求的水位間的深度,m;Hw2為降水管井分布范圍，宜為1/10～1/15;i為水力坡度，取值為0.1～0.2;r0為降水管井分布范圍的等效半徑或降水管井排間距的1/2,m;Hw3為從Hw2以下算起至最下部過(guò)濾器底端的長(zhǎng)度,m，包括水泵高度和過(guò)濾層高度;Hw4為設(shè)計(jì)擬降低壓力水頭的目的含水層頂板的埋深,m，本項(xiàng)目未考慮壓力水頭，故Hw4值取為0。

由于每個(gè)降水井的地表高度和隧道埋深均不一致，選取埋深最深斷面處的降水井進(jìn)行分析。降水井橫斷面布置示意圖見(jiàn)圖5。

該處Hw1和Hw3的取值分別為37.0 m和4 m，Hw2的計(jì)算公式為：

Hw2=ir0=0.2×7.7 m=1.54 m。

(3)

圖5 降水井橫斷面布置示意圖(單位： cm)

鉆孔的計(jì)算深度取值為42.54 m，實(shí)際鉆孔過(guò)程中為保險(xiǎn)起見(jiàn)，進(jìn)行了適當(dāng)增加，取45 m。

2.4 實(shí)施效果

通過(guò)對(duì)全部降水井的持續(xù)觀測(cè)，各井位水位下降最大數(shù)值為1.2 m/d，下降最小數(shù)值為0.5 m/d，平均達(dá)到0.8 m/d，降水速度快，效率高。實(shí)施降水后，暗挖隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞內(nèi)均為干燥無(wú)水狀態(tài)或僅在隧道底部仰拱開(kāi)挖過(guò)程中有少量滲漏水。隧道降水效果見(jiàn)圖6。后期通過(guò)在多個(gè)地鐵暗挖或明挖工點(diǎn)實(shí)踐，證明該技術(shù)在富水含砂土層隧道及散體狀、碎裂狀石質(zhì)暗挖隧道中降水效果良好。

圖6 隧道降水效果

3 結(jié)論與討論

在常規(guī)管井降水施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套適用于風(fēng)化花崗巖地層條件下的降水施工技術(shù)。該技術(shù)直接將管井周?chē)娘L(fēng)化花崗巖層作為透水性材料，在水井鉆進(jìn)過(guò)程中可以自動(dòng)形成反濾層，相對(duì)于常規(guī)管井降水技術(shù)，減少了過(guò)濾層包裹和反濾層回填2道工序，有效地提升了施工效率。

該技術(shù)所需的施工設(shè)備簡(jiǎn)單，占地少，易于操作，過(guò)程中過(guò)濾層能自動(dòng)形成，降水時(shí)不易發(fā)生堵管，安全可靠，對(duì)周?chē)h(huán)境影響很小，環(huán)保效果突出。單孔可節(jié)約過(guò)濾料2.92 m3，減少施工時(shí)間10 h左右。將該技術(shù)應(yīng)用于廈門(mén)地鐵4號(hào)線首開(kāi)段大帽山隧道，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，對(duì)類(lèi)似地質(zhì)條件下的隧道降水施工具有較好的借鑒作用和推廣價(jià)值。

該技術(shù)目前只在廈門(mén)地鐵4號(hào)線和6號(hào)線項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用范圍有待進(jìn)一步拓展，同時(shí)，對(duì)于類(lèi)似工程條件如中粗砂層的適用性有待進(jìn)一步探索。