徐志平（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

兰渝铁路胡麻岭隧道第三系含水粉细砂岩地表降水试验研究

徐志平
（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

摘要：兰渝铁路胡麻岭隧道7号竖井工区通过的第三系含水弱胶结粉细砂岩具有异常复杂的水稳性特征，掌子面自稳性差，施工进度极其缓慢，采用洞内降水措施，效果很难保证，施工风险大。根据地形地质条件，对胡麻岭隧道7号竖井工区开展地表降水试验研究，对试验成果进行计算分析，了解和掌握该第三系含水砂岩的水文地质特性，确定地表降水井的设计参数。通过对降水前后围岩、施工进度的比较，验证了降水井的设计合理。

关键词：铁路隧道；第三系粉细砂岩；竖井；渗透系数；地表降水

0　引言

第三系含水粉细砂岩是目前铁路隧道施工中遇到的复杂地质之一。曹峰［1］和王庆林等［2］人总结了兰渝线桃树坪隧道和胡麻岭隧道第三系含水弱胶结粉细砂岩的施工情况后认为，第三系含水粉细砂岩具有异常复杂的水稳性特征，一般在掌子面开挖4 h以内，掌子面基本能自稳，4～6 h掌子面开始发生流变，6 h以后掌子面失稳，需采取超前降水等措施保证第三系砂岩保持在合理含水率以内，以保证围岩处于基本稳定状态，满足正常的施工要求。王菀等［3］和张再仁［4］对桃树坪隧道洞内降水设计和施工进行了总结，但对通过第三系含水粉细砂岩的铁路隧道采取地表井群降水，国内尚未查到相关资料。

胡麻岭隧道7号竖井工区地处沟谷地带，隧道埋深相对较浅，地下水丰富，且通过第三系粉细砂岩段，渗透系数小，属弱透水地层。在隧道开挖后，支护体系封闭之前，采取洞内超前降水措施，围岩的含水率很难控制在18%以内［5］，常常出现掌子面涌泥涌砂的现象，施工风险大，施工进展极其缓慢。7号竖井工区隧道掌子面涌砂见图1。根据胡麻岭隧道竖井工区地形条件，对竖井施工的正洞设置地表群井超前降水，由于国内尚无类似工程经验，实施前进行地表降水试验，研究分析该地层水文地质参数，对地表降水设计是十分必要的。

图1　7号竖井工区隧道掌子面涌砂Fig.1 Sand flowing out of the tunnel face

1　工程概况

1.1隧道概况

胡麻岭隧道为新建铁路兰渝线控制性工程，位于甘肃省境内榆中县与定西市境内，隧道起讫里程为DK68＋626～DK82＋237，全长13 611 m，为单洞双线隧道。隧道洞身DK76＋350～DK79＋600段通过第三系含水弱胶结粉细砂岩，施工进度极其缓慢，进度严重滞后。隧道设置6座斜井＋1座竖井辅助正洞施工。

1.2工程地质特征

通过现场取样并进行室内实验分析，胡麻岭隧道通过的第三系含水粉细砂岩黏粒含量为5.21%～8.52%；天然含水率为4%～10%；密度为1.882～2.133 g／cm3；颗粒密度为2.599～2.648 g／cm3；比重为2.64～2.67；孔隙比为0.363～0.442；黏聚力为14.21～99.38 kPa；内摩擦角为31.96°～46.29°。第三系砂岩遇水浸润或扰动后极易软化，其饱和抗压强度无法通过室内试验测得；局部夹有钙质胶结薄层或结核，天然抗压强度平均为2.46～7.58 MPa，饱和抗压强度为0.8～2.67 MPa［5］。

7号竖井开挖后主要地层为第三系含水粉细砂岩，浅红色，粉细粒结构，成岩性差，泥质弱胶结，局部形成钙质半胶结或胶结的透镜体，岩质软，无地下水时围岩整体稳定性尚好。

1.3水文地质特征

胡麻岭隧道地下水主要为基岩裂隙（孔隙）水，该区域为弱富水区，地下水的分布受地形地貌（地表径流条件）控制明显，在沟谷区受降水地表汇集、上游地下水及地表水体长期补给影响，地层含水性远大于其他地段，沟谷附近地下水水位埋深较浅，水量较为丰富。隧道区地下水以潜水为主，在运动过程中主要受裂隙通道控制，无统一的地下水面。根据斜井、竖井开挖及钻探资料揭示，胡麻岭隧道第三系含水砂岩段不同地貌的地下水位高程为2 195～2 231 m，变化不大，水力坡度较小，含水层厚度为15～48 m，地下水位的埋深受地形起伏影响变化较大，初始水位线一般位于隧道基底以上7～40 m。7号竖井位于石门水库上游奶长沟沟床内，沟内常年有水流，冲沟发育，下切较深，一般为8～15 m，冲沟沟壁陡峭，垂直山脊多呈树杈状分布，为地下水的补给创造了条件［5］。

1.47号竖井及正洞的结构设计概况

竖井结构尺寸为8 m×16 m×30.5 m（长×宽×井深），采用钻孔灌注桩围护，竖井周边采取竖向旋喷桩加固。竖井结构及地质柱状图见图2，竖井工区正洞主要支护参数见表1，隧道衬砌支护断面见图3。

图2　7号竖井结构及地质柱状图（单位：cm）Fig.2 Structure of No.7 vertical shaft and geological column（cm）

表1　7号竖井工区正洞主要支护参数表［6］Table 1 Support parameters of tunnel［6］

2　地表降水试验

胡麻岭隧道7号竖井工区正洞的地表降水沿隧道轴线方向，在隧道某一特定的施工段落的地表两侧布设多个降水井点，采用群井同时抽水，降低该段隧道第三系含水砂岩的含水率，以满足正常施工的需要。根据地表单井降水试验研究结果，为了进一步了解胡麻岭隧道7号竖井工区第三系含水砂岩的水文地质特性，分析并验证地表降水时的实际效果，通过计算分析

出该地层的群井降水适合的水文地质设计参数，从而对竖井工区正洞的地表降水进行设计。

图3　隧道衬砌支护断面图（单位：cm）Fig.3 Crosssection of tunnel（cm）

2.1地表试验情况

在7号竖井实施地表降水试验前，打设5口呈一字排列、孔径168 mm、井深74 m的试验井进行地表单井降水试验研究。初步了解该地区第三系含水砂岩的水文地质特性及降水的影响范围，研究分析后确定降水目标为将降水井的水位线降至隧道基底以下20 m。

根据地表单井降水试验研究分析，在7号竖井周边进行了地表试验群井布置。布设原则：降水井打设深度为50 m，位于洞底高程以下20 m，降水井管径350 mm，配置潜水泵流量2～12 m3／h，扬程大于150 m。考虑现场实际地形及施工情况，地表试验降水井布设见图4。地表深井降水情况统计见表2。

现场实施地表试验井，7号竖井结构已落底完成，在竖井实施过程中，水位线已降低，试验井的水位降深根据实际降水效果控制。降水井水位观测模拟地下水降落漏斗见图5。

图4　地表降水布置示意图Fig.4 Layout of ground surface dewatering wells

式中：Sw为井水位降深，m；k为含水层渗透系数，m／d；H为潜水含水层厚度，m［7］。

7号竖井地表管井试验数据计算渗透系数、影响半径见表3。

根据计算，顺河床方向的1和4号井渗透系数在1.12～1.69 m／d，影响半径较大，远离河谷的其他井渗透系数小于1 m／d，影响半径相应较小。通过查阅铁路工程地质手册等参考工具书，以粉细砂为主的地层渗透系数一般为1 m／d左右，影响半径为20～50 m。而根据地表单井降水试验，渗透系数计算为0.276 m／d，说明胡麻岭隧道深埋地区的渗透系数小于1 m／d，考虑地表地形变化的影响，对比计算结果，降水影响半径拟采用60 m［8］。

2.2水文地质参数计算

按稳定流抽水试验计算渗透系数，潜水含水层的影响半径R按库萨金公式确定：

表2　地表深井降水情况统计表Table 2 Statistics of ground surface deepwell dewatering

图5　7号竖井位置降水剖面图（单位：m）Fig.5 Profile of dewatering at the location of No.7 vertical shaft（m）

表3　渗透系数及影响半径计算表Table 3 Calculation of permeability coefficient and influence scope

3　地表降水设计

3.1降水井设计参数分析

3.1.1含水层性质概化

第三系粉细砂地层，含水较为均匀，可将第三系粉细砂地层概化为大厚度均质潜水含水层，含水层厚度H取40 m，降水井降深Sw取35 m，含水层下部隔水底板低于隧道底部30 m。降水井地下水位降深见图6。

图6　降水井地下水位降深图Fig.6 Dewatering depth

3.1.2基坑降水方式设计降水井数

参考JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》地下水控制内容中降水井设计方法，基坑地下水位降深

式中：Si为基坑内任一点的地下水位降深，m；Sd为基坑地下水位的设计降深，m。

降水井深度未至含水层的隔水顶板，理论上应为潜水非完整井，但降水井的有效区影响深度H0按最小取值，为1.3 Hs（Hs为水位降深和过滤器长度之和），已大于含水层的40 m，即有效区影响深度深入至含水层下部隔水底板以下，故基坑降水总涌水量可按均质含水层潜水完整井计算［9］：

式中：Q为基坑降水总涌水量，m3／d；H为含水层厚度，m；k为渗透系数，取0.5 m／d；Sd为基坑地下水位的设计降深，m；R为降水影响半径，取60 m；r0为基坑等效半径，m，（A为基坑面积，m2）。

初拟基坑宽22 m，长15 m，计算得基坑总涌水量797 m3／d。

降水井数量n＝1.1 Q／q，设计单井流量q＝100 m3／d，计算得出降水井数量为9孔。

通过式（4）验算基坑内各点都满足要求Si≥Sd。

3.1.3考虑隧道实际施工进度下降水井数量

拟设计隧道施工进尺为15 m，隧道掌子面涌水量分为200 m3／d和500 m3／d 2种工况。预排水时间1个月，基坑实际面积为22 m×15 m。降水井出水量分为50 m3／d和100 m3／d 2种情况，降水井数量计算见表4。

表4　考虑实际施工进度降水井数量表Table 4 Quantity of dewatering wells

3.1.4加大动水位设计深度及井距分析

根据裘布衣假设理论，降水井产水量

式中：Q为降水井产水量，m3／d；H为含水层厚度，m；k为渗透系数，m／d；S为降水井设计降深，m；R为降水影响半径，m；r0为降水井半径，m。

其中降水浸润线Z′和r的计算关系为：

式中：r为渗流的浸润面上的点距降水井的距离，m；Z′为在离井中心r处渗流的浸润面上的点距初始水位线的高度，m。

设降水井拟开采量为一定值，采用抽水试验中的最大降深、地下水水位预测值对隧道位置的水位下降值进行计算。潜水降水井示意图见图7。

1）降水井深度及井距计算。降水井正常降水时，降水曲线达到掌子面中心底板时，认为降水井达到理想效果，此时公式存在水位降深和影响半径2个参数S和R。降水井设计离隧道外侧边界4 m，取隧道直径14 m，即R＝11 m时，此时Z′为40 m，单井抽水量50，100 m3／d，根据以上条件计算降水井井底与隧道底板的距离见表5。

图7　潜水降水井示意图Fig.7 Dewatering well for phreatic water

2）降水井干扰水位计算。当多个降水井同时工作时，降落漏斗相交处水位会形成干扰水位，计算模型见图8。

含水层厚度取40 m，影响半径R取60 m，降水井位置设于距隧道中线11 m，通过式（4）计算，单井情况下，水位降深Si＝1.4 m，双井情况下，Si＝4.2 m，隧道中心线水位较单井多下降2.8 m，可见影响相对较大。

表5　设计降水井井底与隧道底板的距离Table 5 Distance between the bottom of designed dewatering well and the tunnel floor

3.2地表降水设计

通过试验降水效果研究并计算分析，对胡麻岭隧道7号竖井工区正洞第三系砂岩地表降水进行如下设计。

3.2.1降水管井参数

1）含水层类型。以细砂、粉砂类为主的潜水含水层。

2）降水井类型及参数。管井、管井直径300 mm，填砾厚度150～200 mm。

3）过滤器位置。静水位以下10 m至距离孔底5 m范围内。

4）考虑布设井位地形的变化及第三系砂岩复杂的水文地质特性，降水井设计深度位于洞底以下22 m。

3.2.2降水井平面布置

正洞隧道两侧管井间距20 m，位于隧道轮廓线外侧4 m，隧道单侧相邻两管井与另一侧管井呈等腰三角形布置或对称布置，预降水时间为1个月。

4　降水效果评价

4.1降水前后掌子面围岩变化

胡麻岭隧道7号竖井工区兰州方向，掌子面开挖进入无地表降水井降水区域后，掌子面上半断面自稳性差，出现砂岩软化、流塑状外涌，采用洞内超前降水

效果甚微，上半断面掌子面开挖后一段时间围岩含水率能达到18%以上。当设置地表降水后，洞内施工较为顺利，尤其进入地表降水群井效应区域后，掌子面水量明显减少，开挖后有一定的自稳性，即使不采用洞内降水措施，围岩的含水率也能有效控制在10%以内，能满足隧道的正常施工的要求。地表井降水前后掌子面围岩对比见图9。

图8　干扰降水井模型示意图Fig.8 Model of interfering dewatering well

图9　采用地表井降水前后掌子面围岩对比Fig.9 Effect of ground surface dewatering

4.2降水前后施工进度对比

胡麻岭隧道7号竖井工区兰州方向正洞沟谷区由于埋深浅，降水井较好实施。2013年4月进入正洞形成正常开挖后，进度达15～20 m／月。而进入隧道深埋地段，由于地表降水深井打设滞后，2013年12月至2014年5月正洞进入无地表降水井区域段，施工进度为6～9 m／月，而2014年6月地表深井成功实施降水，正洞进入地表降水井区域段后，施工进度大幅提高，可达21.7 m／月。7号竖井工区兰州向正洞施工进度见图10。

图10　7号竖井工区兰州向正洞施工进度曲线图Fig.10 Tunneling progress toward Lanzhou direction

5　结论与体会

1）第三系砂岩具有异常复杂的水稳特性，是一个世界性施工技术难题，地下水对围岩稳定性的影响非常大。胡麻岭隧道大段落通过第三系含水砂岩，施工难度大，进度缓慢，相比其他地质条件的高风险隧道，通过第三系含水砂岩的隧道超前降水是极其重要且十分关键的工程措施，胡麻岭隧道7号竖井工区地表降水试验研究表明，在隧道地表布设超前降水井群，能有效降低掌子面围岩的含水率，加快施工进度，降低施工风险。

2）第三系含水砂岩具有十分复杂的水文地质特征，通过胡麻岭隧道7号竖井工区地表单井和群井的降水试验研究，胡麻岭隧道穿越的第三系含水砂岩属弱透水层，其渗透系数和降水影响范围相对较小，降水时效短。经对试验数据计算分析，该地层的渗透系数为0.5 m／d，降水影响半径为60 m，进行地表降水井设计计算，经施工效果检验，可作为该隧道降水设计参考。

3）胡麻岭隧道7号竖井工区实施地表降水试验，分析计算是将第三系砂岩假设为一定厚度均质潜水含水层，而实际上隧道断面通过砂岩的粒径、孔隙率、密实度等物理性质的差异导致岩层含水的分布规律具有不均一性，这需在以后的降水施工中进一步总结。

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Experimental Study on Ground Surface Dewatering for Tertiary Watercontaining Finesilty Sandstone：Case Study on Humaling Tunnel on LanzhouChongqing Railway

XU Zhiping
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043，Shaanxi，China）

Abstract：The tunneling from No.7 vertical shaft of Humaling tunnel on LanzhouChongqing railway crosses Tertiary watercontaining poorlycemented finesilty sandstone，which has extremely complex waterstable property.The tunnel face has poor selfsupport stability，and the tunneling progress is very slow.Furthermore，the effect of dewatering carried out inside the tunnel cannot be guaranteed.The tunneling has great risks.Experimental study is made on the dewatering made from the ground surface based on the terrain and geological conditions of the tunnel.The study results are analyzed，the hydrogeological property of the Tertiary watercontaining sandstone is obtained and the design parameters of the ground surface dewatering wells are determined.

Key words：railway tunnel；Tertiary watercontaining finesilty sandstone；vertical shaft；permeability coefficient；ground surface dewatering

作者简介：徐志平（1981—），男，江苏连云港人，2005年毕业于西南交通大学，土木工程专业，本科，工程师，主要从事铁路隧道的设计和施工工作。

收稿日期：2014－12－08；修回日期：2015－03－30

中图分类号：U 455.46

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）05－0428－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.006