富水软岩隧道浅埋冲沟段管井降水技术探讨

张会安 谢江胜

（1.中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 266061；2.中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 前言

隧道施工地下水引排是否及时对隧道开挖施工安全至关重要。目前国内外在对隧道施工地下水处理上主要采取截、排、引、堵四种方式［1-2］。合理选择隧道地下水处理方式在工程造价、安全、工期方面有着明显的差别。讨论、研究隧道施工过程中地下水合理的处理方式有十分重要的意义。

本文借鉴适用于均质富水砂土、碎石土管井降水技术［3-6］，通过地质及水文分析，采用管井在山岭隧道富水软弱岩层破碎段进行降水施工，取得了较好效果，具有一定的借鉴参考价值。

2 工程概况

蒙华铁路麻科义隧道DK361＋900～DK362＋500段，地形起伏较大，埋深22～90 m，隧道两次穿越沟谷浅埋地带。该段范围内地层岩性变化大，地质情况较复杂，地层自上而下依次为砂质新黄土、黏质老黄土、粉质黏土、泥岩砂岩互层。

隧道两次穿越浅埋地段分别为DK362＋500～DK362＋460段和DK361＋970～DK362＋040段。首先施工的DK362＋500～DK362＋460段根据设计地质勘探及现场开挖揭示该段地质为：隧道埋深38 m，隧道洞顶覆盖层依次为砂质新黄土（厚度约16 m）、粉质黏土（厚度约14 m）、强风化砂岩泥岩互层（厚度约6 m）。水平构造，岩层较薄，岩体较破碎，呈块碎状镶嵌结构；岩层裂隙水发育渗水，呈淋雨状或股状水涌出，围岩整体稳定性较差。

2017年6月施工DK362＋500～DK362＋460段时，由于围岩裂隙水及土石界面富水层大量渗涌水，隧道掌子面出现坍塌，形成长10 m、高6 m、宽11 m空腔。后续采取回填反压、地表注浆加固处理方案，处理周期50 d，严重影响到施工安全及工期要求。

后续施工的DK361＋900～DK362＋040段位于DK362＋500～DK362＋460段下游，该段隧道埋深22 m。隧道洞顶覆盖层依次为砂质新黄土（厚度约6 m）、粉质黏土（厚度约10 m）、强风化砂岩泥岩互层（厚度约6 m）。水平构造，岩层较薄，岩体较破碎，呈块碎状镶嵌结构，岩层裂隙水发育。经多方根据设计勘察资料研究推测，DK361＋900～DK362＋040段隧道涌水量将增加，该段隧道开挖施工坍塌、冒顶的安全风险更高，需解决隧道富水难题。

3 方案比选及相关计算

3.1 方案比选

为解决DK361＋970～DK362＋040段隧道围岩富水问题，避免隧道开挖施工出现坍塌险情，拟定采取3种解决方案。

（1）水泥搅拌桩加固法

采用φ80 cm水泥搅拌桩加固洞顶土层，桩间距0.75 m，加固范围宽22 m、长70 m、深16 m。搅拌桩共计3 230根，合计51 680延米，估算费用约469.8万元［7］。

（2）注浆加固法

采用袖阀管进行地表加固注浆，钻孔间距按2.0m×2.0m等边三角形布置，钻孔直径为φ133 mm。袖阀管材质为壁厚3mm无缝钢管，钢管直径φ50mm。注浆材料采用双液浆，注浆压力2.0～4.0 MPa，加固范围为隧道横向宽度18 m，长度70 m，加固深度22 m。共计钻孔注浆451根，合计9 922延米，注浆量约 1 010 m3，估算费用约 291.9万元［8］。

（3）管井降水法

采用钻孔直径705mm、无砂混凝土管内径300mm管井降水。在隧道开挖线外5 m外布设管井，井间距30 m，呈梅花形左右布设。共设7口管井，井深37m，日抽水量约1 500～2 000m3，抽水时间3～4个月，估算费用约130万元。

三种方案对比见表1。

表1 方案对比

水泥搅拌桩对隧道上层土体加固效果好，能够起到固结土体的作用，防止隧道出现开挖冒顶险情，但对于隧道上方泥岩砂岩互层无法进行固结，无法阻挡地下裂隙水及土石界面水渗涌入隧道，施工依然存在坍塌风险，工期偏长且费用最高；注浆法能够加固隧道顶土体、填充固结岩层间裂隙，达到固结土体及岩层的目的，同时具有封堵地下水进入隧道的作用，效果最好，费用居中；降水法造价最低，采用引排地下水的方式达到土体固结的目的，且工期相对较短。

通过对3种方案进行综合比选，最终确定采用地表管井降水方案。及时降低隧道开挖范围内周边土层的地下水，使土体得以压缩固结，以提高土层的水平抗力，防止隧道开挖面发生坍塌，保证隧道暗挖施工顺利进行。

3.2 隧道涌水量预测

隧道埋深22 m，洞身开挖高度按12 m计，降水水位至隧道基底以下4 m，降水深度30.5 m，降水范围在隧道开挖线外侧5 m处，距中线距离11 m。

根据结构出水特点采用的渗透系数按0.224 m/d计算。依据《工程地质手册》、《建筑施工手册》、《路桥施工计算手册》公式［9-11］：

Q为隧道涌水量（m3/d）；R为影响半径（m）；r0为洞身横断面等效降水引用半径（m）；K为渗透系数，K＝0.224 m/d；H为含水层厚度，H＝30.5 m；a为隧道降水区域长度，a＝80 m；b为隧道降水区域宽度，b＝22 m；η为 b/a的修正系数，η＝0.13；S为降水深度，S＝30.5 m。

依据库萨金计算影响半径经验公式：

预测隧道涌水量，先计算洞身开挖降水的引用半径r0。

隧道范围内涌水量计算：

3.3 单井出水量

根据降水工程的经验做法及现场实际情况，拟定采用如下管井结构形式降水：管井成孔直径0.705 m，管井内壁直径0.3m，管井深度37m。井管采用水泥无砂管，其中滤管长度8m，滤管外层包裹两层尼龙网，井管周边采用5～10mm天然圆砾石滤料回填。

3.4 管井数量计算及布置形式

（1）单井涌水量q计算

选用扬程50 m潜水泵，排水30 m3/h，单井水泵抽水量360 m3/d。水泵功率满足抽水量要求。

所需要管井数量n计算：

n＝Q/q＝0.017 9/0.002 7＝6.7，故该段需要设降水井7孔。

（2）管井布置形式

在隧道埋深最浅沟谷处DK361＋970～DK362＋040段，隧道范围两侧交错布置降水井，降水井单侧间距30 m，共布设7孔管井。隧道上游布设4孔，下游布设3孔，管井距隧道开挖线5m，管井横向布置如图1，管井构造见图2。降水井成孔直径705 mm，全孔下入φ400 mm水泥砾石滤水管，滤水管外包2层150 g/m2透水土工布。井深范围内水泥砾石滤水管和降水井内壁之间回填5～10 mm天然圆砾石。

图1 管井降水结构（单位：m）

图2 管井构造

4 施工方案

降水井埋设深度为36 m，井径φ705 mm，全孔下入φ400 mm水泥砾石滤水管，井深范围内回填5～10 mm天然圆砾石滤料。成孔施工机械设备选用小型冲击钻机，采用冲击钻成孔工艺，人工配合机械下放井壁管、滤水管，围填圆砾石、黏性土等（见图3）。其施工流程如下：测量井位→埋设护口管→安装钻机→钻进成孔→清孔→下井管→填滤料→井口封闭→洗井→安装与试抽及降水运行。

图3 管井施工

5 降水效果比较

（1）降水前

未采用管井降水前，隧道内掌子面距二衬仰拱距离一般为120～150 m，该段落在二衬仰拱端一般布置2台18.5 kW污水泵（每台1 h抽水60m3），日抽水量约为1 500～2 900 m3。现场掌子面拱顶围岩及拱顶初支呈淋雨状渗水，水量较大，拱顶极易出现掉块，围岩稳定性较差；初支表面喷射混凝土因渗水严重凹凸不平且不密实；洞内道路泥水较多，需穿雨靴进入掌子面；初支仰拱开挖时基底有渗水。施工现场见图4。

受隧道围岩裂隙水影响，隧道开挖过程中经常性出现拱顶掉块、坍塌情况［12］。在喷射混凝土作业时，受渗涌水影响，无法将初支表面喷射饱满圆顺，并造成喷射混凝土超方严重，超出设计量100%～200%，严重情况下超出设计量300%，严重降低施工工效，月开挖进尺40～50 m。

（2）降水后

图4 管井降水前现场

地表经过7孔管井同时降水后，隧道洞内掌子面至二衬仰拱段采用2台7.5 kW水泵（每台1 h抽水20 m3）即可抽排洞内渗积水，日抽水量约为200～300 m3。管井降水后，隧道洞内渗涌水量明显减少，掌子面呈无水或偶有渗水状，围岩较稳定；初支表面喷射混凝土因拱顶无水能够喷射平整密实；洞内积水较少不用雨靴即可进入掌子面；初支仰拱开挖时呈无水或少量渗水现象。降水后现场施工情况见图5。

图5 管井降水后现场

DK361＋970～DK362＋040段采取管井降水后，开挖过程中掌子面及拱顶无水或少量滴水，对施工影响较小，喷射混凝土用量也处于稳定状态，较设计量超耗在50%～80%之间，一次性能够将初支表面喷射饱满圆顺，同时提高了施工效率，月开挖进尺在60～70 m之间。

6 结束语

隧道地下水的存在对软岩的软化作用较强，降低了围岩承载力，影响围岩自稳性，增大了施工安全风险，及时处理地下水对隧道开挖工作至关重要。本文根据地质条件、地下水存在的状态进行研究分析，确定采用管井降水以提前截排隧道周边地下水以防渗涌至隧道内，加强了软土岩体固结程度，提高了围岩自身稳定性，使得隧道开挖安全顺利通过，可为同类地质隧道地下水截排施工提供借鉴。