沙俊强，张百涛

(国网江苏省电力有限公司 建设分公司，南京 210024)

随着经济和社会的高速发展，穿越水体的隧道、输水管道、输电通道及水体内的沉井、围堰等工程越来越多，如：过江隧道、穿湖隧道、跨海大桥桥墩施工等。这些工程均穿越水体下的土层。水体下土层相对于陆上土层，存在分布复杂多变、杂物多、与上部水体存在补给关系等问题。特别是水下土层中存在承压水时，对盾构环片接缝处及沉井(围堰)底部会形成威胁，容易导致盾构结构环片间渗漏、沉井(围堰)底部出现管涌、流砂等现象；过大的承压水还可能导致盾构、顶管的上浮。因此对危险性较大的工程有必要采用“水下降水技术”降低水体下土层中地下水的水位或水压(部分特殊地质也可同时排除地下有害气体)，避免对工程造成危害[1]。

“水下降水技术”是一种特殊情况下的降水技术，它是指在江、河、湖、海等水体下的土层中进行降水的技术，主要目的是为了降低水体下土层中地下水的水头压力和水位，减小对穿越该土层的地下工程结构的危害。该项技术在国内外研究、应用较少。在此之前，有个别对小型水体或岸边沉井(围堰)采用水平或斜管降水的案例，如杜德明[2]撰写的论文《深基坑内45°横向降水施工技术》中对斜管降水技术进行了相关的研究。但在大型水体下的管井降水施工，本文所述工程为国内首次在实际工程中研究并成功应用。

1 工程概况及特点

现以长江岸边某盾构取水隧道工程为例，对水下降水技术进行研究分析。该取水隧道工程位于长江岸边，取水隧道头部深入长江干流内1 000 m处、27 m深的水下土层中，盾构直径为4.8 m。根据地质勘察报告，工程所在地地质情况如下：江底线以下①号土层为淤泥质粉质粘土，②号土层为粉质粘土夹粉砂，③号土层为粉土，④号土层为粉质粘土。其中隧道穿越土层为③号土层。

工程所在地水文条件如下：(1)历年最高潮位4.801 m，历年最低潮位-1.589 m，历年平均潮位2.041；(2)江水最大流速为2.78 m/s，涨潮时逆向最大流速为3.12 m/s；(3)最大波高2.8 m，周期2.9 s；(4)上层水体与③层水力联系不明显，③承压含水层水位波动受长江水位及潮汐影响较大，主要接受长江水补给。

该工程有以下特点：

1)由于盾构穿越土层埋深达到27米，加上土层上部有12 m厚的水体，参照静水力学公式及孔隙水压力的现场(埋管)测试，③号土层中承压水压力达到261 kPa。

2)由于长江岸线紧张，本工程占地狭小且不规则。盾构为避开既有码头，采用曲线型，且环片间接口为平口型，转弯处环片间接口存在不均匀性，土层中的高水压对盾构环片间形成较大威胁。

3)该取水隧道工程位于长江干流与支流交界处，长江支流常年带入大量有机物并沉积在干流的土层中。前期的工程加密勘测中，也发现少量的小型沼气团。沼气团的存在一方面压力不可控，另一方面沼气团从环片接缝处涌入盾构内容易产生作业人员窒息、爆炸的风险。

4)工程所在地①号土层为淤泥质粉质粘土，厚度为12.39 m，垂直渗透系数为1.4×10-5cm/s，水平渗透系数为1.6×10-5cm/s。

基于以上四点，经多轮探讨、论证，初步确定采取水下降水的方式，降低③号土层中水位到盾构顶部以上1 m的位置，同时排除土层中的沼气团，确保工程施工安全。确定水位降到盾构顶部1 m以上，是避免水位降到盾构底部后，盾构底部因降水产生沉降[3-4]，影响盾构结构安全。

2 水下降水的技术难点及可行性分析

本工程位于水体下的27 m深的土层中，上部水体平均厚度为12 m，再根据土层地质资料和相关参数，轻型井点方案不具备实施条件，拟采用管井降水。

以下对水下管井降水的难点和应对措施逐一分析。

2.1 隔离上部水体的问题

难点：如何有效隔离上部水体，避免上部水体和降水目标层形成补给关系，是水下降水首先要解决的问题。

应对措施：根据地质勘察报告，①号土层垂直渗透系数仅为1.4×10-5cm/s，为天然的隔水层，具备隔离上部水体下渗的条件。如果实际下渗量偏大，可以通过在江底铺设一层隔水层或对土层进行预处理，进一步减少水体下渗量。

2.2 降水井穿越水体以及上部水体与目标降水层的隔断问题

难点：水下降水施工时，降水井需穿越上层水体，要克服水流、潮汐和波浪的影响。定位和降水井安装难度大。同时，水下降水管道竖向穿越①号土层时，上部水体容易通过管井周围空隙和目标降水层(③号土层)连通，形成补给关系。这种补给关系一旦建立，江水补给量小时，大幅降低管井降水效果；补给量大于管井出水量时，将导致降水失败。因此，必须采取技术措施进行隔断。

应对措施：考虑到上部水体及水流对成井的制约，拟采用止水套管方案，即：在穿越水体部分采用大于管井直径的钢套管(可回收)隔离江水，钢套管下插到①号土层一定的深度(不穿透)，在套筒内形成成井作业空间；在套管内施工便于控制管井的位置和垂直度控制。同时，为了阻断管井竖向穿越①土层时形成的空隙，可以采取在套管和管井间填入粘土阻断上部水体和目标降水层的通道。

2.3 水文地质参数的可靠性问题

难点：和陆上土层相比，水下土层地质条件更复杂、参数多变，地勘确定的土层参数准确性差，为降水方案的设计计算带来不确定性。

应对措施：为获得水下土层的准确参数，如渗透系数等。降水可以分两步，先实施试验井，通过抽水试验采集更接近实际的数据，准确测定、计算相关参数。相对于一般陆地上降水，水下降水的抽水试验更重要。

2.4 水下作业平台设置问题

难点：和陆上降水施工相比，水下降水需在水面上设置作业平台，作业平台的设计和实施存在较大难度。

应对措施：水下施工作业面一般采用水下平台或船舶。如果设置平台，则需要设计平台桩，平台桩要插入水下土体中，容易形成上述第2.2条所述的江水下渗连通通道，且成本过高。因此，降水管井套管和管井施工宜采用大吨位船舶，同时采取压舱措施，以保证作业面的稳定。

3 水下降水方案设计及计算

根据张永波所著的《基坑降水工程》，参照陆上降水设计方法[5-6]，通过分析、计算、比选，适当加大降水能力的冗余量(考虑上部水体的影响)，初步设计在盾构两侧呈之字型设置14口直径为600 mm、深度45 m(从江平面0.0 m标高算起)管井，管井钢滤管直径为273 mm。

降水管井的深度根据两个条件设计：

一是降水水位的目标值为穿越工程(盾构)顶部以上1 m。目标值的确定主要考虑保证盾构底部承受的最大水压力为5.8 m；盾构在推进过程中可以承受该压力；如果将水位降低到盾构隧道底部以下，容易导致盾构下沉[7-8]，且造价大幅增加。经专题论证，综合考虑安全和经济性，确定上述目标水位值。

二是考虑③号土层下④号土层为粉质粘土，降水井底部宜设置在③号土层底部，因此选定降水井深度为45 m。

降水井的位置也根据两个条件设计：一是降水影响半径，根据土层地质参数情况，初步确定降水影响半径为70 m；二是受狭窄场地影响(上下游均有码头)，降水井设置在盾构两侧6 m处。

根据前文分析，考虑到上部水体及水流对成井的制约，采用套管方案，即：在穿越水体部分采用直径为800 mm的套管隔离江水，在套筒内形成成井作业空间；同时在套管和管井间填筑粘土层隔离上部水体和③号土层的通道，管井位置、结构及相关参数如图1所示。

图1 地层剖面及管井结构图

考虑到水下土体的复杂性，管井实施分两步进行，第一步拟设置4口试验井，通过抽水试验准确测定各类参数，并根据试验结果对抽水方案进行调整、完善；抽水试验同时可以初步验证水下降水的可行性。在此基础上再进行正式降水井的实施，前期试验井作为观测井使用。试验井布置如图2水下降水试验井点布置图。

图2 水下降水试验井点布置图

鉴于篇幅所限，本文仅对套管打入土层深度的设计计算和试验井的数据分析方法等关键问题进行描述。

3.1 套管打入土层深度的设计计算

关于套管打入①号土层的深度，主要考虑两个方面的因素，一是套管打入土层后，要克服上部水体流水压力和波浪荷载的作用，避免套管底部移动甚至脱出，导致套管内降水管井损坏；二是在套管和管井间填充粘土隔水层的可靠性。

3.1.1 套管在水体中承受的流水压力

水流速度按工程所在地处长江最大流速和涨潮时逆向最大流速的较大者，取3.12 m/s。流水压力着力点，设在设计水位线以下0.3倍水深处。

流水压力标准值公式为：

(1)

式中：Fw—流水压力标准值(kN)；k—套管形状系数，圆形取0.8；A—套管迎水面积(m2)；γs—水的容重(9.8 kN/m3)；g—重力加速度(9.8 m/s2)；V—水流最大速度(m/s)。

由式(1)，水体深度按平均水位时的深度12 m计算，套筒直径为800 mm，则流水压力标准值为：

Fw=0.8×0.8×12×9.8×3.122/(2×9.8)=37.38 kN

3.1.2 套管承受的波浪荷载

由于工程处在长江入海口，潮汐和浪高较大，还应考虑波浪荷载。垂直套管轴线方向的单位长度荷载采用Morison公式计算，波浪荷载的着力点，设在最高浪头以下0.3倍浪高处。

(2)

作用在单根钢套管上的波浪总荷载，可由PDmax(波浪力速度分力最大值)、PImax(波浪力惯性分力最大值)计算，计算式分别为：

(3)

(4)

上述公式中：CD—拖曳系数，圆形套管拖拽系数CD取1.2；γs—水重度(kN/m3)；g—重力加速度(m/s2)；A—垂直于对象轴的单位长度投影面积(m2/m)；U—垂直于对象轴上的水体速度分量(m/s)；CM—惯性系数，圆形套管惯性系数CM取2.0；V—单位长度上移动体积(m3/m)；D—有效直径(m)，取0.8 m；H—波高(m)，取2.8 m。

根据《海港水文规范》K1取0.361、K2取0.671。

由式(3)：PDmax=1.2×9.8×0.8×2.82×0.361/2=13.31 kN

由式(4)：PImax=2×9.8×3.14×0.42×2.8×0.671/2=9.25 kN

因PDmax大于0.5 PImax，所以波浪总荷载为：

3.1.3 套管在土层中承受的被动土压力

在受水流水平应力作用下，套管没入①号土层的深度范围内与土层接触面的受力为被动土压力。为了保证精度，采用朗肯理论对被动土压力进行计算。

(5)

(6)

式中：PP—套管深入①号土层中总被动土压力合力(kN)，作用于底部以上1/3 h处；γt—①号土层的容重，根据地质勘察报其值为16.2(kN/m3)；h—钢套管插入①号土层的高度(m)；KP—被动土压力系数；c—①号土层粘聚力，根据地质勘察报告其值为8(kPa)；φ—①号土层内摩擦角，因江底土壤含水量较大，根据地质勘察报告其值为15°。

由式(5)：PP=13.69h2+20.80h(kN)

所以：套管在①号土层中总被动土压力合力为：PP=13.69h2+20.80h(kN)。

3.1.4 套管打入土层深度确定

根据3.1.1-3.1.3计算结果，以套管打入①号土层中最低点为支点，流水压力和波浪荷载力矩的和与套管在土层中总被动土压力合力力矩相等时，二者平衡，列方程如下：

14.92×(h+12+2.8×0.7)+37.38×(h+12×0.7)=(13.69h2+20.80h)×h/3

解一元多次方程，得h=5.11(m)。

所以，套管打入①号土层5.11 m时，即可以保证套管的稳定；但为确保降水安全，考虑将套管打入①号土层6 m深处。经计算和现场试验，在套管和管井间填充6 m粘土也可以有效承受上部水压并隔离上部水体。

3.2 试验井的数据分析及参数确定方法

由于水下降水的作业平台实施技术要求高、周期长、成本高，所以降水方案的井点布置、管径、深度设计等必须准确，否则井点设计达不到预期的效果，临时增加井点或调整位置都要付出巨大的代价。而要保证降水方案合理、可行，相关参数必须准确、可靠。因此，在降水试验的基础上，宜采用三种方法(理论)对水文地质参数进行测算，然后对比其计算结果，再综合取值，保证计算数据与实际情况一致。这三种方法分别是：稳定流理论、非稳定流理论(解析法)和三维计算数值法(数值法)。

其中稳定流理论、非稳定流理论是陆上降水常用的方法。三维计算数值法是建立地下水渗流三维计算数值模型，再根据抽水试验观测资料进行反演分析，来确定相关参数[9-11]。该方法适用于水下、陆上降水地下水计算。考虑到水下降水上部覆盖了12米厚度的水体，采用三维计算数值法可以更准确的计算出相关参数。

三维计算数值法计算步骤：

1)建立三维非稳定数值模型，主要利用地下水连续性方程及其定解来描述地下水的三维非稳定渗流规律。

2)对场地水文条件进行概化，计算范围以试验区为中心，四周按定水头边界处理，水平方向上由中心向外逐渐变疏的原则进行剖分，在垂直方向根据地层剖分。

3)根据抽水试验资料，将抽水试验参数代入三维数值模型中，进行模拟计算，对比计算结果和实测数据，循环调整并反演，最终取得最符合实际的参数，如表1抽水试验反演参数。

表1 抽水试验反演参数

上述三维计算数值法一般采用渗流软件进行计算。试验井数据的准确性和系统性是参数计算准确性的关键。因此试验井的施工、观测、监控非常重要。本次计算主要采用Modflow 软件中的PEST 程序。为了便于渗流计算，对场地水文地质条件进行概化，为了克服边界的不确定性给计算结果带来误差，计算的范围以试验场区为中心取1 250 m×1 250 m，四周均按定水头边界处理，计算过程中以长江低潮平均水位为准。有限差分网格水平方向上本着由抽水试验区向外逐渐变疏的原则进行剖分，在垂向上根据地层进行剖分，为简化起见，假设地层厚度为等厚。

4 水下降水的施工过程、控制要点及结果

根据先期实施4口试验井的抽水效果分析，水下降水可以有效降低水体下土层中的承压水的压力和水位。同时根据抽水试验数据，采用本文3.2所述方法对渗透系数、影响半径进行修正、调整，根据表1可以看出，数值法反演计算可同时给出含水层水平和垂直渗透系数。计算结果显示，反演计算出的①土层和第③层渗透系数与解析法的计算结果基本一致，说明试验及计算模型较为准确。但考虑到水下降水的复杂性，为确保工程安全，实际施工方案按15%的冗余量设计，对整个降水方案进行了优化，将14口降水井增加到16口，管井间距也进行了相应的调整。

4.1 水下降水施工过程

水下降水方案经调整、完善后，就组织在取水隧道工程两侧的长江江面上实施。施工平台采用大吨位的700吨船舶作为主施工船，300吨驳船配合，并经配载压仓至吃水线。经套管安装、管井成孔、滤料装填、套管止水及洗井试抽等工序后，开始正式抽水。

4.2 水下降水施工要点

水下降水施工最重要的环节是避免上部水体下渗与目标降水层连通，因此应特别控制好套管安装的施工，施工过程中应特别注意以下几点：

1)套管下沉应在无风、微风或平潮时施工，且振锤振幅应尽量小，以2～3 mm为宜，以减少对土层的扰动。

2)严格控制套管垂直度，套管垂直度偏差大，套管和管井之间空隙不均匀，将导致止水粘土球厚薄不一，影响止水效果。

3)套管要严格按方案要求沉到标高-18 m处，打入土层过浅，套管容易晃动、脱出，且减少了粘土隔水层的厚度；打入土层过深则减少了套管与下层水体的隔离厚度，且套管顶标高降低，波浪和潮汐较大时，江水将灌入套管内。

4.3 水下降水实施效果

正常抽水22天后，江底下③号土层中的地下水位下降到盾构顶部设计标高以上1.2～1.8 m之间，基本达到预定的效果。在这种水位下，盾构掘进施工过程中未发生环片接缝处渗漏等问题，也未发生盾构内气体报警等现象，整个工程安全、顺利完成。

5 水下降水技术应用条件

水下降水技术因其技术的复杂性及工程部位的特殊性，实施过程涉及到的措施费用较高，其应用范围也有一定的条件要求。一般来说，具有下列一项或多项情况时，可采用水下降水技术：

1)工程所在地受厂址所限无法变更厂址(路径)或变更厂址(路径)费用远大于水下降水技术措施增加费用的(如：本文所述工程为该区域长江岸线唯一的尚未占用的取水资源)。

2)采用一定的技术措施，如：加强盾构环片接口承压能力，仍然无法承受施工层水压力或加强环片间承压能力增加的费用远大于水下降水增加费用的[12-16]。

3)施工层中已经探明有沼气团存在，有较大安全隐患的。

4)有天然隔水层或人工设置隔水层产生的费用在技术经济比较中仍然有优势的。

6 结论与建议

水下降水技术在本工程的成功应用表明在地质条件允许的情况下，或者采取一定的技术措施，降低水体下土层中的水位(潜水层)或水压(承压水层)是可行的。水下降水方案的各项技术措施,包括止水套管技术、新型隔水材料、水下降水试验模型建立、套管稳定性计算等，每个环节的设计、实施过程中均使用了多学科的综合技术，如套管稳定性计算涉及到岩土力学和水力学等学科。上述技术路线的确定和应对措施值得总结并在类似研究中推广使用[10]。水下降水技术除了可以保证工程施工过程的安全，还可以用于水体下土层中运行管线、隧道(过江、穿湖隧道)等设施的维护、修复。通过降低地下水位或水压，为这些设施的维护、修复施工创造作业空间和条件。因此，推进该项技术的发展有重要的现实意义。

本文提供的方案是针对该具体工程，具体工程设计和实施过程中还应在此基础上因地制宜，采取相应的措施。如果水体底部和目标降水层之间无天然的隔水层，则需采取人工设置隔水层，阻止或减缓上部水体水流下渗。如：在江底人工设置粘土隔水层或在土层中喷浆形成隔水层等措施。当然，这些措施要经过严格的论证和精确的计算，一些技术环节还需要进一步探索和研究。此外，水下降水施工难度大、费用高，还存在一定的技术风险。因此，该项技术还可以在技术的可靠性、方案的经济性方面做进一步研究。