复合降水措施在穿黄工程南岸的应用

2022-11-26李峰

东北水利水电 2022年1期

李峰

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450000）

1 工程概况

南水北调中线穿黄工程南岸位于河南省荥阳市境内，工程包括南岸连接明渠、退水建筑物、隧洞进口建筑物、穿黄隧洞进口段（含检修通道）、跨渠建筑物工程等。其中南岸连接明渠长4 628.57 m，为深挖方渠道。退水洞出口与黄河相通，总长790.00 m，纵坡为2.09%，衬砌后断面为带仰拱的城门洞型，断面尺寸为4.20 m×5.80 m（宽×高）。穿黄隧洞进口段为盾构机接收洞，根据所处位置分A（左侧）、B（右侧）两洞，两洞结构形式相同，长35.00 m，纵坡为4.91%。隧洞衬砌后断面为圆形，进口渐变段长15.00 m，洞直径由11.00 m渐变至9.40 m，洞身段长20.00 m，直径9.40 m，洞身段末端设1.00 m厚混凝土堵头。

2 水文地质状况

南岸连接明渠及隧洞进口建筑物段位于邙山岭南宽广平缓的冲积平原区，平均自然坡降2%～4%，呈由西北向东南逐渐降低趋势。渠坡上部为alQ4粉质壤土或alQ3黄土，中部主要为alQ3黄土状粉质壤土层，渠道底板以下为alQ3黄土状粉质壤土层。沿线地下水位高于渠底板2.00～40.00 m，部分区域地下水埋深不足2.00 m。

退水洞洞身段桩号0+064.33～0+259.40 m段隧洞围土为alQ3黄土状粉质壤土，土质均一，呈可塑状，局部呈软塑状，土体强度低，渗透系数为1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性；桩号0+259.40～0+863.84 m段为al+plQ2粉质壤土，中间夹两层古土壤层，粉质壤土呈可塑～软塑状，古土壤呈硬塑状，强度相对较高。古土壤层和粉质壤土层渗透系数分别为1.0×10-7～1.0×10-6cm/s和1.0×10-6～1.0×10-5cm/s，具弱透水性。退水洞地下水呈南高北低态势，沿线地下水位为140.00～113.00 m，高出隧洞底板19.00～29.50 m。

穿黄隧道进口段地层结构上部为alQ3黄土（⑥、⑦层），厚25.65 m。中下部为alQ3黄土状粉质壤土（⑨上、⑨-1、⑨夹、⑨-2、⑨下层），层厚25.23 m，其中⑨-1、⑨-2两层为饱和软黄土状粉质壤土。隧洞进口区地下水位约140.00 m，高出隧洞底板约37.00 m，围土渗透系数为1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。

工程区地下水按其赋存条件及性质为孔隙裂隙水，地下水主要补给来源为大气降水。黄土地层黏性土颗粒表面有弱结合水存在，弱结合水可从水膜厚的地方向水膜薄处移动，不受重力影响。工程前期勘察发现，在邻近隧洞进口建筑物的邙山岭上存在分水岭，分水岭以南地下水位逐步降低，分水岭以北地下水则直接补给黄河，在黄河南岸坡脚多有出水点。退水洞出口端开挖期间，因洞底高程低于黄河水面线，隧洞开挖后黄河水对地下水构成反向补给。

3 管井降水研究

3.1 现场降水试验

工程开工后，曾在明渠中段地下水埋深较浅处试开挖，坑内有大股水涌出，坑壁随即垮塌，证明集水明排方案不具可行性，遂着手组织开展单井抽水和群井降水生产性试验。单井抽水试验表明，单井最大出水量约20.00 m3/h，土层渗透系数与招标文件基本相符。

群井降水生产性试验历时40 d，初期在渠道两侧坡顶各布置1排深井，井间距30.00 m，后期在渠道中心线增加1排降水井。试验实施后，试验区内地下水位由初始134.50 m降至120.00 m以下，前7 d的降深在8.00 m左右，之后仍缓慢下降。单井出水流量随着抽水时间增长逐渐变小，最终稳定在2.00 m3/h。同时也发现，试验区渠道中线附近地下水位一直处于高位，说明两侧的地下水没有被充分截断。

试验结论：管井降水方案可行，现有降水井布置方案优化后可作为明渠及进口建筑物的主要降水手段。根据土料含水率监测和试挖情况，超前1个月降水可满足开挖要求。

3.2 降水设计方案

井位布置以满足地下水疏干为前提，并尽可能减少施工干扰，避免侵入渠道过流断面。基于上述考虑，降水井由试验段内3排变更为2排，分别布置在渠道两岸130.00 m高程的马道内侧5.00 m位置。调整后的降水井排距在100.00 m以内，可保证中心区降水效果。井口高程为130.50 m，多数区段可干地开挖至130.00 m高程马道后再成井，避免后期反复拆卸井管。

鉴于黄土地层的特殊性，井间距由30.00 m加密为20.00 m。根据其他工程资料及现场观测情况，黄土地层地下水降落漏斗形态与砂石地层有显著差异，因为水跃值的原因，临近井管处的水力坡度异常陡峭，远端才逐步减缓。井间距加密后，可确保相邻井间的降水漏斗有效重叠，便于形成可靠的截水屏障。

降水井深度按低于渠底板25.00～30.00 m控制，与一般降水井相比超出很多。主要原因在于：既要考虑水跃值的影响，以及黄土地层水力坡度的特点，同时因黄土地层稳定出水量小，为避免井内水位大幅波动和水泵频繁启动，底部井筒还需要担负一定的储水功能。前期试验也证明，将井内水位维持在较低水平，对于提高降水速度、增加降水设计可靠性都是有益的。

3.3 降水成效与经验总结

管井陆续投入运行后，基本实现了干地施工。现场进一步摸索发现，初期略微湿润的开挖揭露面晾晒3～5 d后，下一层开挖已无大碍。单井试验阶段曾计算管井影响半径约60.00 m，后期发现降水井运行后影响范围要超过100.00 m，但远端水力坡度已非常平缓。根据这个发现，对明渠K0+000～1+000 m段降水设计进行变更，该段设计降深不足5.00 m，原计划采用轻型井点，后变更为单侧布设管井，井间距100.00 m，较好地满足了施工需要。

明渠及进口建筑物的成功实践证明，黄土地层基坑降水采用管井为主要降水手段是可行的，但也要针对黄土地层的弱透水特性采取针对性措施。该类地层降水的关键在于截断地下水的补给通道，降水井数量主要由降水漏斗影响范围决定，与排水量关系甚小。初期设计时，井深应有一定余量，虽然会增加一部分投资，但与提高降水效果保障率、降低总运行费用相比，这部分投资是值得的。

4 洞内外接力降水研究

4.1 隧洞降水面临的难题

穿黄隧洞进口段洞底高程为进口区域内最低点，设计降深约37.00 m，洞底板下部为古土壤层。隧洞进口建筑物开挖可减少洞顶覆盖层厚度10.00～20.00 m，对地下水位有正面影响，但隧洞中后部已超出隧洞进口建筑物降水井范围，地下水补给通道并未切断。若采用单一管井降水方案，通过增加井深以改善降水效果的方法在古土壤层难以发挥作用，洞身范围内地下水疏干困难。

退水洞0+068.84～0+800.00 m区间施工难度大。0+068.84～0+259.40 m区段隧洞底板以上为均一土层（黄土状粉质壤土），无隔水层。底板以下存在古土壤隔水层，地下水高于洞顶；0+259.40～0+800.00 m区段上层古土壤逐步上升至洞身及洞顶以上，下层古土壤在洞底出露后缓慢上升，并最终占据洞身大部，地下水高于洞顶。两区间内洞身围土以富含水的黄土状粉质壤土为主，该类土层在开挖后短时间内就会出现冒汗、滑塌等情况。因洞径略小，且部分古土壤层已进入洞身，管井降水效果不佳。

4.2 接力降水设计方案

接力降水采用管井洞外降水为主、洞内井点降水为辅的设计思路。首先在洞外布置真空管井，在井内形成负压以加快地下水向井内流动，降低水跃值，将地下水降至洞顶以下上台阶底部位置，满足上台阶开挖支护需要。上台阶支护完成后，沿两侧拱脚布设轻型井点，使地下水进一步下降约4.00 m，开始施工下台阶，然后循环往复，完成仰拱的分层降水与开挖封闭。

穿黄隧洞进口段沿洞身两侧及堵头外侧布置真空管井，截断地下水补给通道。洞内井点分两级设置，每层井点管距两侧边墙0.50 m，纵向间距1.20 m，井管深5.00～6.00 m，外倾角15°，采用水冲法成孔。退水洞沿洞轴线两侧布置真空管井，间距加密为7.50 m，洞内设轻型井点，布置方案与穿黄隧洞相同。

4.3 现场应用成效

洞内外接力降水在穿黄隧道进口段的应用较为成功。洞外降水井运行1个月后，地下水位降至上台阶底面以下，为上台阶开挖创造了条件。洞内井点投入运行后，作业面没有明水出露，满足下台阶及仰拱的施工需要。为降低水力冲孔对支护稳定的负面影响，上、下台阶均设置了临时仰拱，井点作业时采取了间隔孔冲水、及时排水等措施。从变形监测结果来看，水力冲孔未产生显著的负面影响，隧洞已开挖段结构稳定。

退水洞0+068.84～0+259.40.00 m区段地下水均下降至洞顶拱以下，辅以洞内井点降水措施，基本满足开挖支护需要。0+259.40～0+800.00 m区段施工艰难，进口侧逐渐抬升的上层古土壤限制了降水漏斗形态，地下水位缓慢超过上台阶底面高程，洞内接力降水无法实施。出口侧两层古土壤均为不透水层，中间的黄土状粉质壤土夹层排水困难、稳定性差。该段开挖支护最初采用矿山法施工，后进口侧改用盾构机掘进，出口侧使用注浆法施工，最终贯通。

4.4 总结与反思

接力降水方案在穿黄隧洞进口段及退水洞部分区段取得了成功。真空管井有效改善黄土地层降水效果，洞内辅助降水弥补了古土壤对管井降水漏斗的负面影响，能有效疏干隧洞围土。最终方案可行与否的关键在于能否通过洞外管井将地下水降至洞内上台阶以下，如隧洞中下部存在隔水层，则该目标实现较困难。此外，真空管井运行费用高于普通管井，井点降水与开挖支护存在一定干扰。

与穿黄隧洞进口段相比，退水洞顶部覆盖层厚且存在古土壤层，接力降水仅能在部分区段发挥作用。施工期间参建各方也多次探讨降水的必要性，因为若不能将地下水降至作业面下部，则传统的开挖支护措施很难在黄土滑塌前完成封闭支护，现场作业存在安全风险，应改用其他方案。因此，对于土质均一的富含水黄土隧洞来讲，如长度不大，可采用接力降水手段；如洞身长度较大或存在古土壤隔水层，应首选盾构作业。