管井降水技术在江底取水隧道修复中的应用

2019-08-20车灿辉

钻探工程 2019年7期

车灿辉，黄健，刘静

(1.安徽省地矿局第一水文工程地质勘查院，安徽蚌埠 233000； 2.安徽水文地质工程地质公司，安徽蚌埠 233000；3.中铁十四局大盾构工程有限公司，江苏南京 210031)

0 引言

隧道工程为典型的地质工程，在进行隧道施工过程中，不可避免要遇到各种不良的工程地质问题。特别是水下隧道，面临地下水压高、沼气(囊)丰富等复杂工程地质状况，容易发生气体喷溢、地下水涌出以及泥沙涌出等风险，给施工带来障碍以及周边地面沉降等问题，甚或酿成重大的工程事故。

温竹茵等[1]对上海沪崇苏特大隧道施工中可能遇到的不良工程地质问题进行了具体的分析，并提出了详实可行的施工技术措施。该工程中涉及了江底隧道施工中经常遇到的工程地质问题。提出了钻井释放浅层沼气的措施；设计了针对承压水问题的密封装置；采用了针对管涌和流沙的技术。徐彬等[2]就输水隧洞中存在的突发涌水问题以及塌方进行了分析，并制定了一套预防和抢险的方案。祁孝珍等[3]针对辽宁大伙房输水隧洞的管涌突水问题进行了分析，并总结了几种突水的前兆标志。孙谋等[4]就武汉长江隧道施工中存在的高水压问题进行了分析，具体针对施工开挖面的稳定以及防坍塌技术，防泥水喷发技术以及隧道上浮等关键技术进行了阐述。林朝[5]对隧道施工冷冻法的发展进行了概述，并以广州地铁施工为例，详细介绍了施工中的冷冻方案设计和技术要点以及施工工艺，对冻结效果以及施工中的要点进行了分析。

从上述研究成果看，关于隧道施工中地质灾害问题及施工对策研究、承压含水层中隧道施工技术和地下水盾构注浆封堵与冷冻封堵技术等方面的研究成果很多，但就长江入海口进行水下隧道修复过程中的承压水控制尚无先例。鉴于此，本文以长江入海口某发电厂取水隧道修复工程为依托，针对高承压水对隧道修复带来的施工风险，提出采用管井进行水下降压降水技术方案，并进行了理论分析及现场试验，结合三维数值模拟计算分析，给出了设计及施工方案，并得以成功应用。

1 工程概况

苏南某发电厂扩建工程取水方案采用2条大直径的地下隧道从长江深水区取水，取水隧道位于长江入海口，处于已建或在建构筑物的包围中，上游有在建码头，下游仅距输煤栈桥防撞桩40 m。隧道横穿长江大堤，在陆域仅87 m，在长江水域长870 m，为典型的地下水工构筑物，且建于水下软土层中，较一般水工构筑物施工难度大，施工中潜在的地质灾害难以预测、预报。

西线隧道顺利完成了施工，但东线隧道在盾构最后一环推进施工时，发生了沼气喷溢引起承压水携带泥砂涌入险情。要修复受损隧道，必须降低⑥层承压水，同时释放地层中蕴含的沼气。

但是长江上降水的特殊性决定了降水工程的难度：(1)降水井施工、降水运行管理受江水影响较大；(2)承压含水层很可能会直接接受长江水的补给，水位无法降低；(3)下部含水层厚度大、渗透性能好，涌水量大；(4)水位降深大，降水引起的土层压缩可能对已建隧道造成较大影响。

基于以上问题，本次先从水文地质条件上分析降水的可行性；再进行现场抽水试验验证，并计算各相关含水层的水文参数；最后对整体江上降水方案进行设计及施工。

2 工程区水文地质条件分析

2.1 地层结构

根据岩土工程勘察报告，工程区大部分被第四系沉积地层覆盖，地基土由河口-滨海相第四系全新统和晚更新统松散沉积物组成。上部为第四系全新统冲击软塑—流塑淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉质粘土夹砂土等；下部为第四系全新统粉砂、粉细砂、粗砂等，见图1。

2.2 水文地质条件

图1隧道地质剖面(单位：m)
Fig.1Geological profile along the tunnel (unit: m)

工程区地表为长江水体，江底以下工程建设涉及的第四系地层存在2层承压水，主要分布于隧道底部的⑥层粉土、⑧层粉砂及深部砂层中，分隔2层承压含水层的⑦层粉质粘土相对隔水层埋深约为40 m，厚度约为4 m，分布不连续，在局部可能缺失。勘察报告中将⑥层粉土、⑧层粉砂作为同一含水层考虑。

2.3 降水可行性分析

(1)隧洞顶部分布的隔水层——④层淤泥质粉质粘土层：此层是将长江这一巨大的、流动的地表水体与隧道顶面有效隔断的隔水顶板。其垂直方向上渗透系数达到10-7～10-8cm/s量级，属不透水层；该层相对稳定，普遍厚度>6.0 m，能有效阻隔10 m深江水垂直入渗，是本工程场地的重要工程地质隔水层组。

(2)盾构隧道推进层——⑤层粉质粘土夹粉土层：本层地下水赋存在所夹的薄层粉砂、粉土层中，富水性不丰富。夹层水平延伸不远、层位不稳定，周围被粘性土所封闭，地下水连通性差，其渗透性10-5cm/s量级，属微透水层，且水平和垂直渗透性差异不大，也正因为其相对隔水性，才能将沼气等可燃气体封闭保存在所夹砂性土透镜体中。该层与上覆④层共同构成相对隔水层，也可有效阻止江水入渗。

(3)隧道底部第一承压含水层——⑥层粉土层：本层的特点是以粉粒土为主的含水层，受沉积环境的影响，夹有薄层的粉砂或粉质粘土，使含水层在垂直方向有各向异性的特点，其水平渗透系数要大于垂直渗透系数，勘察报告给出其KH=2.3×10-5cm/s、KV=1.5×10-5cm/s。本层的砂土密实状态为中密，因其颗粒细又有粘性土薄层分布，水量不大，但水头压力高。其高水头是造成隧道底板突涌的最主要原因，是本次降水的目的含水层，主要以减压降水头为目的。

(4)隧道底部第一承压含水层隔水底板——⑦层粉质粘土层：勘察报告认为本层厚度小，分布不均匀，局部缺失，忽视其隔水功能，认为⑥层粉土与下伏的⑧、、层共同构成了统一的承压水含水层。经仔细分析⑦层的沉积环境和区域分布范围，发现该层分布应该较稳定，其陆域厚度大，可达10余米，而江底厚度虽薄，也达4～5 m，其隔水作用不可忽视。可切断或减少⑥层粉土与⑧层粉砂垂直方向的水力联系，有利于分层控制、减少降水抽水量，减小降落漏斗的半径。

(5)隧道底部第二承压水含水层——⑧层粉砂及深部砂层：本层的颗粒粒径较⑥层粗、厚度大，渗透性能要远高于⑥层，已有钻孔资料显示，100 m深度范围内未揭穿此层。一旦该层与降水目的含水层水力联系密切，将大大增加总涌水量、降水难度及隧道修复风险。

从上述水文地质结构剖析，本场地具备在江面对隧道底部第一承压含水层中的高承压水头进行减压降水的岩土环境条件和水文地质结构条件。

3 现场抽水试验验证

3.1 试验目的

现场抽水试验的主要目的在于验证目的含水层的水头压力能否降低，并为降水井的设计、施工提供可靠的依据，具体如下：

(1)查明目的含水层(第一承压含水层)与长江水体、第二承压含水层之间的水力联系程度；

(2)求取目的含水层的水文地质参数，如渗透系数、影响半径、单井涌水量等；

(3)通过试验观测，分析降水可能对已建隧道造成的影响；

(4)提供合理可行的降水方案。

3.2 试验井布置

为防止试验对已建隧道产生影响，在东线隧道的东侧布置4口试验井，其中3口井滤管设置在第一承压含水层中(编号1、2、4)，1口井滤管设置在第二承压含水层中(编号3)，见图2、3。

图2 试验井平面位置Fig.2 Test well plane position

3.3 试验井施工

试验井施工充分克服了长江上定位、施工、止水等一系列难题。施工时选用了1条大吨位的驳船作为本次试验井施工、抽水试验船只。

3.3.1 平台搭建

采用旁侧式钻探平台，平台外伸3.0 m，宽>6 m，下悬挂副平台，两平台上下距离≥2.0 m。上平台面用厚度≥50 mm的木质地板铺设、固定，下平台面用钢丝网铺设，上下平台配备必要的防护栏杆，平台的孔口槽板应拆卸方便，以便遇紧急情况撤离。

图3 试验井结构Fig.3 Test well structure

3.3.2 锚泊定位

施工船采用抛锚泊位，配备至少4只铁锚，形为齿状，呈米型布置，备用锚1只，当某一侧锚因水流方向变化出现微走锚时，在可能造成平台船漂移的最大流向方向上增补，提高船在施工时抗漂移的能力。

降水井定位工作采用GPS双频RTK系统和实时差分系统进行，同时在岸上采用全站仪进行校核。

3.3.3 护管及成孔

试验井施工时，选用高强度的Ø800 mm优质钢管作隔水保护套管，采用60 t(600 kN)震动锤将护筒插入江底地层中8 m以上，采用Ø600 mm三翼钻头成孔。

井管提前包扎好备用。下管时，用船吊垂直提吊井管下入孔内，使其位于钻孔中心，滤管外侧捆扎扶正器，确保滤管外侧滤料层的厚度均匀，且大于规范中的最小厚度。

3.3.4 填砾、止水

(1)填砾料前先换浆，保证砾料顺利下沉；

(2)采用井管外通水填砾料法，填砾中途不宜停泵；

(3)填砾时砾料沿井管四周均匀连续投入，填砾速度要适当，随填随测填砾深度；

试验井采用Ø2～3 cm优质粘土球止水，止水层厚度约为5 m，上部至孔口段用粘土回填密实。

3.3.5 洗井、试抽

下管填砾后立即进行洗井工作。洗井主要采取冲水头洗井，直至洗清为止。洗井结束后，及时进行试抽水，以检验井深、单井涌水量、出水含砂量等情况是否符合要求。

3.4 试验数据

试验过程中，采用全自动水位观测记录仪进行水位数据采集，利用水表进行流量采集。

考虑长江潮汐的影响，正式试验前3天，分别对地下水位及江水位进行观测，三者之间具明显的水位差，可见三者之间无直接水力联系，见图4。

图4 地下水位与江水位关系曲线Fig.4 Groundwater vs river level curve

第一承压含水层单井出水量约为400 m3/d，单位涌水量q1=0.155 L/(s·m)，主井水位降深31 m，同层观测井水位分别下降了7.98、3.94 m，而第二承压含水层观测井水位基本无变化；第二承压含水层单井出水量约为1600 m3/d，单位涌水量q2=0.482 L/(s·m)，主井水位降深37.96 m，而第一承压含水层水位基本无变化，见表1、图5、图6。反映出两含水层之间水力联系差，也间接判断了⑦层粉质粘土的稳定隔水性能。

表1 抽水试验结果Table 1 Pumping test results

注：标“*”表示主井水位，“△”表示未观测到水位有明显下降。

图5 第一承压含水层抽水s-t曲线Fig.5 s vs t curve of the first confined aquifer

图6 第二承压含水层抽水s-t曲线Fig.6 s vs t curve of the second confined aquifer

抽水试验过程中，对护筒及西线隧道进行沉降监测，未观测到地层有明显的沉降。

3.5 参数计算

3.5.1 第一承压含水层

选用带2个观测井的承压含水层完整井公式：

(1)

(2)

式中：K——渗透系数，m/d；Q——抽水量，m3/d；r1、r2——两个观测井至抽水井的水平间距，m；s1、s2——两个观测井内的水位降深，m；M——含水层厚度，m；R——影响半径，m。

将试验数据代入式(1)、(2)，计算得到第一承压含水层渗透系数为1.508 m/d，影响半径为70 m，见表2，根据相关工程经验，砂性地层的影响半径可达500 m左右，计算值偏小，建议影响半径按300 m取值。

表2 第一承压含水层计算参数Table 2 Calculation parameters of the first confined aquifer

3.5.2 第二承压含水层

该层仅布置1口非完整井抽水，且无观测井，选用承压非完整井单孔抽水计算公式：

(3)

(4)

式中：rw——抽水主井井径，m；sw——抽水主井水位降深，m；l——过滤器长度，m。

将试验数据代入式(3)、(4)，计算得到第二承压含水层渗透系数为2.75 m/d，影响半径为630 m，见表3，考虑到主井井损的影响，计算结果偏小。

表3 第二承压含水层计算参数Table 3 Calculation parameters of the second confined aquifer

4 隧道修复降水方案

4.1 降水井布置

考虑到地质条件复杂，在东线隧道继续施工期间隧道外部降水、隧道抽水、外套管下沉等施工时，将不可避免的对隧道周围土体产生一定程度的影响。为减小对已通水的西线隧道产生较大的不利影响，在两条隧道之间采取高压旋喷桩隔离，旋喷桩深入⑦层粉质粘土层1 m，离东线隧道外侧6 m。

降水井布置时采用三维数值模拟软件进行分析计算，即根据工程的地质和水文地质条件，建立本工程地下水渗流三维计算数值模型(图7)，再将抽水试验数据代入模型，对降水进行模拟分析，得到降水后的等水位线图(图8)。

图7 三维数值模型离散图Fig.7 Discrete diagram of the three-dimensional numerical model

图8 第一层承压含水层水位标高(m)等值线图Fig.8 Water level contour of the first confined aquifer

从图8可看出，受隔离墙的影响，当修复段水位降至设计要求标高-25.0 m，已建西线隧道附近最大水位降至标高-10.0 m，隔离墙的绕流阻水效果明显。总涌水量约1500 m3/d，考虑群井干扰影响，单井出水量按抽水试验时单井出水量的一半考虑，即200 m3/d，共在隧道东侧布置了12口降水井(包含4口备用观测井)，降水井结构与试验井相同。

4.2 变形分析

降水引起地层的沉降主要有以下2个因素：(1)降水过程中，地层中大量的细颗粒随降水井抽水被带走，导致地层沉降，此种沉降一般会产生较大的不均匀沉降，具有很大的破坏性；本次施工过程中，降水井出水含砂率<1/10万，避免了细颗粒被带走而产生的地层沉降。(2)含水层(组)内地下水位的降低，导致土层内液压降低，颗粒间的有效应力增加，从而导致松散类含水层(组)骨架发生压密引起地面沉降，此种沉降等值线与水位等值线形状相同，不均匀沉降较小。

对于④层淤泥质粉质粘土层，其上部有约10 m深的地表水体，在降水过程中，可以始终保持该层不失水，模拟计算的结果同样表明该层水位未发生变化，该层虽为高压缩性土，但在降水过程中，该层不会产生失水固结沉降。对于第二承压含水层，其与第一承压含水层之间存在⑦层粉质粘土，且降水井滤管并未设置到第二承压含水层当中，降水过程中，该层水位不下降，可以不考虑该层因水位降低引起的地层沉降。

综上分析，降水过程中会因水位下降而产生沉降的地层主要是⑥层粉土，而地层沉降对已建隧道的影响主要表现在不均匀沉降可能会造成已建隧道管片的拉裂。累计沉降量可采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[6]中沉降计算公式：

(5)