张晓宇，毕焕军，夏万云，梁树文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

隧道施工与地下水有着密切的联系。由于地下水的渗流作用，隧道开挖过程中地下水将渗入隧道，软化围岩，对软质围岩的影响尤其突出[1],因此需要在地表设置降水深井，使隧道所在地层中的水位降低到施工位置以下，以利于隧道正常开挖。对于山岭隧道，由于隧道埋深大，降水井深，地表降水方案多应用在第三系砂岩、第四系砂砾石等施工难度大的地层中。文献[2-3]针对兰渝铁路胡麻岭隧道第三系富水砂岩施工中出现的问题开展了超前地表深井降水研究，计算了超前地表深井降水的井间距及深度，经实施地表降水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。文献[4-5]针对滨绥铁路双丰隧道第三系砂泥岩施工中出现的较大涌水突泥，对比了多种泄水降水减压方法，得出采用地表降水最有效。文献[6-7]针对大西客运专线干庆隧道在斜井施工中发生涌砂及涌泥现象，通过地表降水保证了施工安全。

除了富水砂岩、泥岩隧道，地下水同样对黄土隧道有很大的危害。对于黄土隧道，地下水的危害主要是降低围岩强度，加剧围岩的溶蚀和腐蚀，造成隧道渗涌水[8]。解决黄土隧道渗涌水问题是确保工程安全施工的关键。本文依据工程实例，采用计算分析和现场试验的方法对此进行探讨。

1 施工中出现的主要问题

银西高速铁路驿马一号隧道位于甘肃省庆阳市西峰区，行走于董志塬黄土塬沟壑区，全长 4 806 m。隧道为25‰单面下坡。地表为上更新统黏质黄土，厚度10～20 m，透水而不含水。中更新统离石黄土为一层棕红色、黄褐色黏质黄土，该层上部土颗粒较粗，结构疏松，裂隙发育，夹多层古土壤和钙质结核层，是塬区主要含水层。隧道洞身附近地下水水位埋深40～75 m，其中地下水位以上的黄土以硬塑为主，地下水位以下的黄土以软塑为主。隧道有2.2 km位于地下水位以下，通过软塑黄土层时受地下水的影响主要出现以下问题：

1)拱部掉块

驿马一号隧道1#斜井施工至X0+208底板进入软塑黄土层，受地下水的软化作用，挖掘机、装载机等重型机械通行困难，素混凝土底板在重车碾压下出现开裂、破碎情况；同时隧底在机械扰动下成稀泥状。施工至X0+235处时隧道拱部进入软塑黄土层，存在掉拱风险。施工至X0+333处时拱部突然出现掉块，掌子面出现了滑塌，施工受阻，严重影响施工安全。

2)斜井渗涌水

2017年3月11日1#斜井开挖至X0+235时，隧底出现渗水，开挖下台阶时拱脚明显出水，涌水量20～40 m3/d。2017年5月10日在X0+319下台阶打设泄水孔，最大涌水量达到了400 m3/d，稳定后涌水量为200 m3/d。2017年6月25日在X0+358下台阶左侧边墙突然涌水，最大涌水量600 m3/d，自2017年7月10日涌水量开始减小。根据隧道7月10日—8月3日洞口涌水量监测结果，涌水量在59～377 m3/d，平均232 m3/d。斜井洞身在硬塑黄土层，土体含水率较低，基本无水渗出；进入软塑黄土层后，含水率逐渐增加，并由渗水发展成局部股状出水，水量达到400～600 m3/d，之后逐渐减小，衰减期半个月左右，水量稳定在200～300 m3/d，见表1。

表1 1#斜井施工渗涌水情况汇总

2 降水井设计

董志塬地区黄土塬面积大，地形平坦，降雨入渗补给条件好，黄土含水层厚度大，渗透性相对较差，地下水位埋深大，径流缓慢，排泄条件差。驿马一号隧道有2.2 km位于地下水位以下，该段多为软塑黄土。在洞内降水干扰大、时间长。针对斜井施工中遇到的问题，为了保证隧道进入正洞后安全快速施工，考虑采取地表管井降水，改善施工条件，降低施工风险。

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2.1 含水层概化

本次设计主要考虑在DK256+410—DK257+440段总计1 030 m进行地表降水。该段地下水位以下至隧道底板中更新统黏质黄土多呈软塑状，可概化为均质黄土含水层，厚度22～27 m，地下水位埋深50～75 m。考虑到设计井深位于洞身以下15～25 m，设计井深范围内含水层厚度按30～45 m考虑。

根据水文地质勘察及水井调查结果，计算出黄土渗透系数为0.046～0.570 m/d，影响半径在15～190 m。参考董志塬地区以往经验，降水井设计时渗透系数采用0.25 m/d，影响半径采用100～150 m。

2.2 设计井数计算

按照JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》[9]中降水井设计，将降水范围内隧道洞身概化为基坑。以斜井与正洞交叉点DK256+520为例，地下水位埋深约50 m，隧底埋深80 m，基坑地下水位的设计降深为30 m。降水井布置于隧道轮廓线两侧4 m处，基坑宽度22 m，根据在软塑黄土层斜井施工情况设计2种工况，降水井间距分别按25，30 m计算，见图1。根据概化的基坑模型，计算了影响半径、基坑总涌水量、设计井数以及干扰水位。

图1 降水井间距25 m时降水井平面布置(单位：m)

降水影响半径R计算公式为

(1)

式中：Sw为井水位降深，取30 m；κ为含水层渗透系数，取0.25 m/d；H为含水层厚度，取40 m。

计算得出影响半径R为190 m，考虑到施工中群井抽水，降水一段时间后，补给来源有限，R取150 m。

基坑降水总涌水量Q的计算公式为

Q=πκ[(2H-Sd)Sd/ln(1+R/r0)]

(2)

式中:Sd为基坑地下水位的设计降深，取30 m；r0为基坑等效半径，m。

根据式(2)计算，降水井间距25 m时总涌水量468 m3/d，降水井间距30 m时总涌水量500 m3/d。

基坑实际面积按22 m ×25 m，22 m× 30 m计算，设计单井涌水量分100，120 m3/d 2种情况。根据计算，不同施工进度实际所需的降水井数基本一致。从总体上来看，疏干22 m×25 m或者22 m×30 m洞身范围内的渗涌水，需要降水井4～6口，见表2。

表2 不同工况下基坑降水所需井数

2.3 基坑中心地下水位计算

当多个降水井同时工作时，降落漏斗相交处会形成干扰水位，计算模型示意如图2。

图2 降水井计算模型示意

单井水位降深38 m，影响半径150 m，渗透系数取0.25 m/d。降水井设计单井涌水量分别为100，120 m3/d，4口降水井同时工作。不同降水井间距下基坑中心地下水位降深可按下式[9]计算，结果见表3。

(3)

式中:Si为基坑内任一点的地下水位降深,m；qj为按干扰井群计算的第j口降水井的单井流量，m3/d；rij为第j口井中心至i点的距离,m，当rij>R时，取rij=R；n为 降水井数量。

表3 不同降水井间距下基坑中心地下水位降深计算结果

从表3可知：降水井间距25 m、设计单井涌水量为120 m3/d时基坑中心地下水位降深可以达到 28 m，水位已降至隧底，并且降水井间距25 m时水位降深比间距30 m时大3 m。

2.4 降水井设计参数

通过分析不同井间距的计算结果，降水井采用管井，建议降水井布置于隧道轮廓线两侧4 m处，井间距25 m，降水井直径300 mm，井底位于软塑黄土层以下15～25 m，井深95～105 m。过滤器布置于黄土含水层中，潜水泵流量10～20 m3/h，扬程大于100 m。

设计单井涌水量按120 m3/d考虑，单井水位降深35～40 m，可保证地下水位降至隧底，且能满足设计降深，同时也可避免过度抽排水造成水资源浪费。

3 降水效果分析

为了检验地表降水的效果以及设计参数的合理性，在驿马一号隧道1#斜井进入正洞施工期间，DK256+510—DK256+580段开展了地表降水试验。自2017年9月15日陆续开始试验降水井的施工，总计开挖了6口降水井，井深105～108 m，静水位在47.0～52.1 m，降水井平均涌水量为31～91 m3/d，排水总量为280～560 m3/d。井内动水位达到了86～92 m。从现场施工情况看，隧道洞身已无渗水，地下水位降至隧底以下。

根据地表降水试验结果，采用配线法、直线法、水位恢复法[10]等方法对渗透系数进行了计算，计算出黄土渗透系数为0.15～0.38 m/d，影响半径为181～234 m，渗透系数、影响半径与设计基本一致。

降水期间驿马一号隧道掌子面黄土含水率由34.4%降到24.4%，最小达到了17.8%；液性指数从0.84降到了0.30，最小达到了-0.4，黄土呈硬塑状态。表明地表降水改善了黄土的物理性质，加固了围岩。

洞身两侧6口降水井同时工作，地表降水量达到400 m3/d以上，降水40 d左右，可疏干施工范围内的地下水，减小了施工中黄土股状出水的风险，避免了地下水的软化作用，同时改善了隧道洞内的掌子面掘进条件，降低了施工安全风险。

4 结语

银西高铁驿马一号隧道通过董志塬时有2.2 km位于地下水位以下，受软塑黄土及地下水的影响，1#斜井在施工中出现了渗涌水、隧底软化、掌子面滑塌失稳等问题。因此采用了地表降水辅助施工方案，并进行了地表降水设计。通过计算分析不同设计单井涌水量、不同井间距下地表降水方案，最终建议降水井布置于洞身两侧4 m处，井间距25 m，井深位于软塑黄土层以下15～25 m。

经地表降水试验，洞身两侧6口降水井同时工作，地表抽排水量达到400 m3/d以上，降水40 d左右，可疏干施工段落的地下水。同时降低了隧道洞身黄土的含水率和液性指数，改善了洞身黄土的物理性质，提高了围岩的稳定性。