王家寨隧道第三系半成岩富水段地表深井降水方法探讨

Surface Deep Well Dewatering Methods for Tertiary Water-Rich Semi-Diagenetic Section of Wangjiazhai Tunnel

摘要

云南临清高速公路王家寨隧道第三系半成岩砂岩具有结构松散、成岩强度低、胶结差等特点，隧道穿越该富水段极易发生坍塌和涌水突泥等灾害。该文以王家寨隧道第三系半成岩砂岩富水段地表深井降水为例，探讨隧道穿越第三系半成岩富水段的地表深井降水方法及关键参数。通过现场单井地表降水试验，研究隧址区地下水位及岩层渗透性，测试得出：区域渗透系数为8.5×10^-4 cm/s，单井降水影响半径为60 m，该区域属于低渗透性地层。通过对该区域含水层的概化，开展设计试算，确定最佳降水井布置间距为15 m。按照15 m间距布置试验区井位，通过观测洞内开挖情况与开展围岩孔隙水压力监测以验证实际地表深井降水效果，经现场验证：地表降水后掌子面周边水压力下降约70%，满足安全开挖条件，施工进度显著提升，月均进尺达到30 m。

Abstract

The tertiary semi-diagenetic sandstone of the Wangjiazhai Tunnel on the Yunnan Linqing Expressway is characterized by loose structure, low diagenetic strength, and poor cementation. The geological disasters such as collapse, water gushing, and mud bursting are very easy to happen when the tunnel passes through the water-rich section. With the surface deep well dewatering of the tertiary water-rich semi-diagenetic section of Wangjiazhai Tunnel as an example, the surface deep well dewatering methods and key parameters for tunnel crossing the tertiary water-rich semi-diagenetic section were discussed. Based on the single well surface dewatering test, the groundwater level and strata permeability of the tunnel site were studied. According to the test, the permeability coefficient is 8.5 × 10^‒4 cm/s, and the influence radius of single well dewatering is 60 m, which indicates that this area is a low-permeability formation. Based on the generalization of the aquifer in this area, design and calculation were carried out. The optimum spacing of dewatering wells is determined to be 15 m. The well sites in the test area were set up with the spacing of 15 m. The surface deep well dewatering effect was verified by observing the excavation of the tunnel and monitoring the pore water pressure of the surrounding rocks. The on-site verification shows that the water pressure around the tunnel face is reduced by about 70% after surface dewatering, which meets the safe excavation conditions. The construction progress is significantly improved, and the average monthly footage reaches 30 m.

Graphical abstract

0 引言

随着中国隧道工程建设的蓬勃发展，常遇软弱富水地质和围岩极差的工程环境^［1-3］，尤其是以第三系半成岩富水段落为典型代表，第三系半成岩砂岩具有成岩强度低、结构松散、胶结差等特点，施工难度大、风险高、灾害频发，是近年来出现的新的工程难题^［4-5］。朱举^［6］、陈书玄^［7］通过对半成岩地质工程的研究，总结了第三系半成岩砂岩的相关特征，一致认为第三系半成岩砂岩具有复杂的水稳特征；王清华^［8］、王庆林等^［9］对第三系半成岩水文特性进行了总结，认为第三系半成岩砂岩含水率为5%~10%时呈现软塑状态，为15%~18%时呈现流塑状，当含水率大于18%时，半成岩基本不具备强度；张献伟等^［10］和尚军等^［11］也认为地下水的软化作用是造成第三系半成岩地层灾害频发的主要原因。

因此，在第三系半成岩砂岩富水段进行隧道建设时，应重点控制地下水水位，但现阶段的降水措施多集中于洞内降水^［12-13］，洞内降水效果并不明显。地表降水仅在胡麻岭隧道开展了相关试验^［14-16］，虽有效降低了隧道围岩含水率，并有效控制了涌水突泥灾害，但其降水措施还不甚成熟，故降水方案难以直接应用于王家寨隧道。

云南临沧至清水河高速公路王家寨隧道临翔端位于第三系富水半成岩砂岩段，开挖初期仅采用洞内降水措施，隧道开挖后围岩的含水率一直处于高位，多次发生涌水突泥等地质灾害，施工风险大、进度缓慢。根据王家寨隧道进口端地形及地质条件，拟采用地表深井降水方法进行超前降水，由于国内外隧道地表深井降水应用较少，实施前需进行地表深井降水试验，分析该区域水文地质参数，合理设计，为大范围施工提供参考。

1 工程概况

王家寨隧道为临清高速控制性工程，项目位于云南省临沧市临翔区，隧道为分离式特长隧道，隧道左幅起止桩号为ZK21+460~ZK29+470，全长8 010 m；右幅起止桩号为K21+440~K29+480，全长8 040 m，第三系半成岩富水段近1 400 m（图1）。

隧道围岩以半成岩砂岩为主，夹杂部分泥岩，隧道底板下部为全风化花岗岩。半成岩砂岩岩质软、岩体破碎、胶结差、饱水、自稳能力极差。该区域地下水系发育，主要通过地表降水和断层进行补给，具有补给量大、富水性强等特点。施工过程中多次发生坍塌、冒顶及涌水突泥等重大地质灾害，如图2所示。

在采用洞内超前钻孔排水、掌子面真空降水、掌子面超前注浆堵水等多种洞内排水、堵水措施均无法有效降低隧道开挖涌水风险的情况下，借鉴兰渝铁路胡麻岭隧道第三系半成岩地表降水经验，开展地表降水试验，现已打设地表降水试验井13口，钻孔设计深度位于隧底以下10 m，降水深度为隧底以下5 m，降水井分布情况如图3所示。

2 地表降水试验

2.1 试验目的

王家寨隧道第三系半成岩砂岩区域因其富水性强，围岩含水率常年超过24%，在掘进过程中多次发生涌水、突泥等灾害，洞内降排水及掌子面帷幕注浆效果较差。为降低掌子面前方水压力，确保开挖安全，采用地表深井降水的方式进行超前降水。在进行大规模地表深井施工前，需对该地层渗透系数、降水影响半径等参数进行测算，为后续深井降水的设计、施工提供指导。

2.2 试验方案

本次现场降水试验共选取4口井，4口试验井分别为降水井J1（ZK22+400）、观测井G1（ZK22+420）、 G2（ZK22+440）、 G3（ZK22+460），降水井打设深度位于隧道仰拱以下10 m，J1、G1、G2、G3打设深度分别为165 m、184 m、161 m和178 m。试验以J1作为抽水井，探究区域渗透系数及单井降水最远影响距离。降水试验平面布置图如图4所示，现场地表深井钻进，如图5所示。

2.3 试验结果分析

2.3.1 抽水影响半径

对ZK22+400处抽水井进行现场抽水试验，以单位时间内水位降深小于0.1 m/h作为地下水位稳定的标准，降水4 h后其地下水位趋于稳定，持续降水至6 h时水位变化极小，此时水位试验结果见表1。

根据单井降水试验数据进行拟合，绘制降水深度‒横向距离关系，如图6所示。

由图6可知：单井降水在水平方向上最大影响范围约为60 m，降水范围在14 m处出现拐点，且降水深度随着距离的增加衰落较快，距离井位20 m处降深约为8 m，仅为最大降深的12.5%，表明该区域内渗透性较弱，综合分析单井降水降深与距离的关系，为确保降水效果，建议该区域内降水井布置间距宜为10~20 m。

2.3.2 渗透系数分析

参照《井点降水设计与施工》^［17］、《建筑基坑支护技术规范》（JGJ 120—2012）^［18］，降水井深度未达到含水层隔水底板时应为非完整井，非完整井渗透系数可由式（1）计算：

k=\frac{\mathrm{0.366}Q\mathrm{l}\mathrm{g}(R/r)}{M_{\mathrm{a}}S}\cdot \sqrt[]{\frac{M_{\mathrm{a}}}{L}\cdot \sqrt[\mathrm{4}]{\frac{M_{\mathrm{a}}}{\mathrm{2}{M}_{\mathrm{a}}-L}}}（1）

式中：M_a为含水层的有效带深度（m），由表2查出；k为渗透系数（m³/d）；Q为抽水量（m³/d）；R为影响半径（m）；r为孔的半径（m）；L为抽水井进水部分长度（m）；S为抽水井孔内水位下降（m）。计算所得渗透系数k值为8.5×10^-4 cm/s。

3 地表降水设计

3.1 降水计算范围及含水层参数概化

王家寨隧道第三系半成岩区域含水量较为均匀，为便于设计计算，将该区域第三系半成岩概化为等厚度均质含水层，含水层厚度为80 m，含水底板位于隧道底部20 m，降水井设计降深为60 m，含水层渗透系数k为8.5×10^-4 cm/s。根据工程地质条件及现场情况，降水井横向距离隧道边缘及中线分别为5 m、12 m，自2022年进行地表深井降水以来，隧址区单洞平均月进尺约为30 m，故将降水井纵向长度设置为30 m。因隧道建设具有对称特征，取一半进行降水设计计算，计算区域为15 m×30 m。

3.2 不同间距降水情况分析

3.2.1 工况设计

不同降水井间距会直接影响降水效果及施工进度，为更好地指导设计，对降水井布置间距进行探讨。调研了已打设试验井降水效果，单井日抽水量为200~500 m³/d，采用潜孔钻机钻孔，钻孔过程中打井间距过密会发生串孔现象，所以钻孔间距最低应不小于10 m。综上，单井日抽水量设计分为200 m³/d和500 m³/d 两种工况，结合单井降水试验情况，降水井间距宜为10~20 m，因此降水井间距设计分为10 m、15 m和20 m三种工况，不同工况降水井单侧分布计算如图7所示。

3.2.2 控制点水位计算

（1） 不同距离单日降水深度计算

根据裘布依假设理论，距离降水井距离r处的水位下降深度h₁与距离r关系如式（2）所示：

h_{\mathrm{1}}=H-\sqrt[]{\frac{Q}{\mathrm{\pi }k}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{r}{r_{\mathrm{0}}}\right)+h^{\mathrm{2}}}（2）

式中：H为含水层厚度（m）；Q为降水井日抽水量（m³/d）；k为渗透系数（cm/s）；r₀为降水井半径（m）；h为井内水位距离底部高度（m）。

（2） 降水井叠加计算

利用群井降水时，当降水井影响半径大于各个井间距时需考虑井间降深之间相互干扰的问题，群井降水的干扰程度主要受降水井布置方式以及日抽水量影响，根据群井降水理论^［19-23］，设不同降水井日抽水量分别为Q₁、Q₂~Q_n，各井位距离控制点距离分别为r₁、r₂~r_n，则控制点处降深h_i 为：

h_i={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left[H-\sqrt[]{\frac{Q_i}{\mathrm{\pi }k}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{r_i}{r_{\mathrm{0}}}\right)+h^{\mathrm{2}}}\right]（3）

式中：r_i 为各井距离控制点距离（m）；Q_i 为单井日抽水量（m³/d）；其他符号含义与式（2）相同。

根据式（2）、式（3），10 m、15 m、20 m间距情况下半试验区域内干扰井数量分别为4口、3口和2口，代入200 m³/d和500 m³/d两种日抽水工况，以隧道中轴线最左侧点位为降水计算控制点，根据群井日降水量，结合控制点位设计降深，降水井沿隧道两侧对称布置，按照60 m降深进行计算，计算所得控制点位单日降深及降水时间如表3所示。

由表3可知：随着降水井布置间距的增大，降水效果明显下降，当降水间距达到20 m后，水位降低速度明显减小，10 m间距布置日降水深度与15 m间距布置相差较小，结合经济效益及施工因素，在隧址区适宜以15 m间距布置降水井位。

3.3 降水井设计

3.3.1 降水井平面布置

根据计算结果和现场情况，距离隧道外侧5 m处布置3口降水井，降水井布置间距为15 m，沿隧道两侧对称布置，地表井打设深度位于隧道仰拱以下10 m。隧道地表降水井半侧布置示意图及试验现场如图8、图9所示。

3.3.2 管井参数及施工工艺

（1） 管井参数。开孔直径426 mm，终孔直径170 mm，0~20 m段落下426 mm套管，井口以下20 m至底部以上10 m范围内采用168 mm套管，管井底部10 m范围设置木塞，避免底部流砂涌入。

（2） 填砾参数。168 mm套管外采用2.0~2.5 mm的均匀滤料进行填砾，填砾材料应选用磨圆度较好的硬质砂砾石填料，填砾厚度不小于120 mm。钻井与填砾设计，如图10所示。

（3） 井壁参数。管井井壁采用6 inch（15.24 cm）钢管进行设计，钢管内径153 mm，外径168 mm，壁厚7.5 mm，管身进行开孔，孔径21 mm，孔心纵距A为47.9 mm，横距B为22.2 mm，滤水管为条形孔式滤水管，滤水孔按梅花形布设，宽度5 mm，长度10 cm，管壁外侧焊接垫筋并缠绕铁丝，以避免填砾进入管井内部，过滤骨架结构如图11所示。

（4） 施工工艺。采用潜孔钻钻进，抽水设备采用150QJ井用潜水泵，流量为25 m³/h，扬程为240 m，转速2 850 r/min。施工流程如图12所示。

3.3.3 地表深井降水存在的问题及解决方案

（1） 钻井倾斜。钻井偏离原设计孔位后会影响钻进效率，导致井管安装不直，最终使填砾不均，无法正常抽水。出现钻井倾斜后，应立即停止钻进，查找钻井倾斜原因，采用慢转方式对倾斜段井壁进行修整；若钻孔较深，可采取回填方式纠斜。

（2） 抽水量少。地下水降水效果较差，这类问题往往是底部泥砂淤积，造成水泵堵塞。处理底部泥砂淤积，应先上提抽水泵，运用空压机进行吹砂处理、清洗孔壁，再下放抽水泵进行抽水。

4 地表深井降水效果评价

4.1 降水前后掌子面施工状况对比

王家寨隧道临翔端进口开挖至600 m后进入第三系半成岩富水段，在未实施地表降水区域，掌子面稳定性差，半成岩多呈流塑状，经室内试验测定含水率为15%~18%，采用洞内降水收效甚微，多次发生较大的突涌事故，仅2019—2021年就发生大型突涌事故14起，造成了严重的安全事故和经济损失。当隧道开挖至进口端约800 m处，到达深井降水试验区域，该区域内掌子面含水率明显减小，开挖后掌子面稳定，现场取土室内测定含水率约为10%，掌子面基本稳定。地表深井降水前后掌子面开挖情况对比如图13所示。

收集整理了王家寨隧道自2021年8月以来的施工进度数据，绘制施工进度曲线图如图14所示。

隧道进口段，自2022年2月以来开始采用地表深井降水。在未采取深井降水期间月最大进尺仅为6 m，基本无法开挖施工；采用深井降水后，施工进度大幅提高，随着降水井数增多，降水范围逐渐增大，降水效率得到显著提升，单洞月进尺最高达51.8 m，月均进尺约30 m，施工进度明显提升。

4.2 降水前后掌子面周边孔隙水压力对比

为定量研究王家寨隧道地表深井降水效果，对王家寨隧洞进口端ZK22+320断面开展孔隙水压力监测，监测仪器采用JMZX-5503HAT型孔隙水压计，监测仪器布置方式如图15所示。

对该断面开展为期60 d的孔隙水压力监测，收集整理孔隙水压力数据，绘制孔隙水压力‒降水时间变化曲线，如图16所示。

由图16可知：左洞左拱肩9 m处以及左边墙处孔隙水压力峰值分别为95 kPa、100 kPa，经地表降水35 d后，孔隙水压力值分别下降至32 kPa、25 kPa，较最大值分别降低了66%、75%，表明地表深井降水能有效降低掌子面周边的孔隙水压力。其余位置孔隙水压力值均小于15 kPa，接近无水状态，初步分析有两点原因：① 径向注浆使得掌子面周边5 m范围内形成了一个相对隔水区域；② 受中隔墙影响，左洞右侧处于无水状态。

5 结论

通过地表深井降水现场试验，研究了王家寨隧道第三系半成岩富水区域的水文地质特征，结合现场试验及监测，对地表深井降水间距进行了设计计算，并对隧址区地表深井降水效果进行了评价，主要结论如下：

（1） 王家寨隧道第三系半成岩砂岩具有水稳定性差特点，区域内渗透系数为\mathrm{8.5}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{4}}\mathrm{c}\mathrm{m}/\mathrm{s}，连续抽水4 h，地表降水单井最大影响半径约为60 m，降水影响范围较小。

（2） 对单井日抽水量200 m³/d和500 m³/d 两种工况进行了不同间距的群井降水计算，得出降水方案为：降水井间距为15 m，距离隧道左右洞轴线12 m，双排布置降水井。对地表深井降水管井结构增加了管壁滤水装置和孔底木塞，有效降低了降水管井内部的泥砂淤积。

（3） 地表深井降水后，掌子面围岩含水量明显降低，最大孔隙水压力下降约70%，围岩稳定性增强，确保了隧道安全开挖，施工进度明显提高，月均进尺提升至30 m/月。表明地表深井降水在王家寨隧道第三系半成岩砂岩富水段具有较好的适用性。

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