李峰

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 工程概況

南水北調(diào)中線穿黃工程南岸位于河南省滎陽市境內(nèi)，工程包括南岸連接明渠、退水建筑物、隧洞進口建筑物、穿黃隧洞進口段（含檢修通道）、跨渠建筑物工程等。其中南岸連接明渠長4 628.57 m，為深挖方渠道。退水洞出口與黃河相通，總長790.00 m，縱坡為2.09%，襯砌后斷面為帶仰拱的城門洞型，斷面尺寸為4.20 m×5.80 m（寬×高）。穿黃隧洞進口段為盾構機接收洞，根據(jù)所處位置分A（左側）、B（右側）兩洞，兩洞結構形式相同，長35.00 m，縱坡為4.91%。隧洞襯砌后斷面為圓形，進口漸變段長15.00 m，洞直徑由11.00 m漸變至9.40 m，洞身段長20.00 m，直徑9.40 m，洞身段末端設1.00 m厚混凝土堵頭。

2 水文地質(zhì)狀況

南岸連接明渠及隧洞進口建筑物段位于邙山嶺南寬廣平緩的沖積平原區(qū)，平均自然坡降2%～4%，呈由西北向東南逐漸降低趨勢。渠坡上部為alQ4粉質(zhì)壤土或alQ3黃土，中部主要為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土層，渠道底板以下為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土層。沿線地下水位高于渠底板2.00～40.00 m，部分區(qū)域地下水埋深不足2.00 m。

退水洞洞身段樁號0+064.33～0+259.40 m段隧洞圍土為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土，土質(zhì)均一，呈可塑狀，局部呈軟塑狀，土體強度低，滲透系數(shù)為1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性；樁號0+259.40～0+863.84 m段為al+plQ2粉質(zhì)壤土，中間夾兩層古土壤層，粉質(zhì)壤土呈可塑～軟塑狀，古土壤呈硬塑狀，強度相對較高。古土壤層和粉質(zhì)壤土層滲透系數(shù)分別為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態(tài)勢，沿線地下水位為140.00～113.00 m，高出隧洞底板19.00～29.50 m。

穿黃隧道進口段地層結構上部為alQ3黃土（⑥、⑦層），厚25.65 m。中下部為alQ3黃土狀粉質(zhì)壤土（⑨上、⑨-1、⑨夾、⑨-2、⑨下層），層厚25.23 m，其中⑨-1、⑨-2兩層為飽和軟黃土狀粉質(zhì)壤土。隧洞進口區(qū)地下水位約140.00 m，高出隧洞底板約37.00 m，圍土滲透系數(shù)為1.0×10-5～1.0×10-4cm/s，具弱透水性。

工程區(qū)地下水按其賦存條件及性質(zhì)為孔隙裂隙水，地下水主要補給來源為大氣降水。黃土地層黏性土顆粒表面有弱結合水存在，弱結合水可從水膜厚的地方向水膜薄處移動，不受重力影響。工程前期勘察發(fā)現(xiàn)，在鄰近隧洞進口建筑物的邙山嶺上存在分水嶺，分水嶺以南地下水位逐步降低，分水嶺以北地下水則直接補給黃河，在黃河南岸坡腳多有出水點。退水洞出口端開挖期間，因洞底高程低于黃河水面線，隧洞開挖后黃河水對地下水構成反向補給。

3 管井降水研究

3.1 現(xiàn)場降水試驗

工程開工后，曾在明渠中段地下水埋深較淺處試開挖，坑內(nèi)有大股水涌出，坑壁隨即垮塌，證明集水明排方案不具可行性，遂著手組織開展單井抽水和群井降水生產(chǎn)性試驗。單井抽水試驗表明，單井最大出水量約20.00 m3/h，土層滲透系數(shù)與招標文件基本相符。

群井降水生產(chǎn)性試驗歷時40 d，初期在渠道兩側坡頂各布置1排深井，井間距30.00 m，后期在渠道中心線增加1排降水井。試驗實施后，試驗區(qū)內(nèi)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，之后仍緩慢下降。單井出水流量隨著抽水時間增長逐漸變小，最終穩(wěn)定在2.00 m3/h。同時也發(fā)現(xiàn)，試驗區(qū)渠道中線附近地下水位一直處于高位，說明兩側的地下水沒有被充分截斷。

試驗結論：管井降水方案可行，現(xiàn)有降水井布置方案優(yōu)化后可作為明渠及進口建筑物的主要降水手段。根據(jù)土料含水率監(jiān)測和試挖情況，超前1個月降水可滿足開挖要求。

3.2 降水設計方案

井位布置以滿足地下水疏干為前提，并盡可能減少施工干擾，避免侵入渠道過流斷面。基于上述考慮，降水井由試驗段內(nèi)3排變更為2排，分別布置在渠道兩岸130.00 m高程的馬道內(nèi)側5.00 m位置。調(diào)整后的降水井排距在100.00 m以內(nèi)，可保證中心區(qū)降水效果。井口高程為130.50 m，多數(shù)區(qū)段可干地開挖至130.00 m高程馬道后再成井，避免后期反復拆卸井管。

鑒于黃土地層的特殊性，井間距由30.00 m加密為20.00 m。根據(jù)其他工程資料及現(xiàn)場觀測情況，黃土地層地下水降落漏斗形態(tài)與砂石地層有顯著差異，因為水躍值的原因，臨近井管處的水力坡度異常陡峭，遠端才逐步減緩。井間距加密后，可確保相鄰井間的降水漏斗有效重疊，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，與一般降水井相比超出很多。主要原因在于：既要考慮水躍值的影響，以及黃土地層水力坡度的特點，同時因黃土地層穩(wěn)定出水量小，為避免井內(nèi)水位大幅波動和水泵頻繁啟動，底部井筒還需要擔負一定的儲水功能。前期試驗也證明，將井內(nèi)水位維持在較低水平，對于提高降水速度、增加降水設計可靠性都是有益的。

3.3 降水成效與經(jīng)驗總結

管井陸續(xù)投入運行后，基本實現(xiàn)了干地施工?，F(xiàn)場進一步摸索發(fā)現(xiàn)，初期略微濕潤的開挖揭露面晾曬3～5 d后，下一層開挖已無大礙。單井試驗階段曾計算管井影響半徑約60.00 m，后期發(fā)現(xiàn)降水井運行后影響范圍要超過100.00 m，但遠端水力坡度已非常平緩。根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，對明渠K0+000～1+000 m段降水設計進行變更，該段設計降深不足5.00 m，原計劃采用輕型井點，后變更為單側布設管井，井間距100.00 m，較好地滿足了施工需要。

明渠及進口建筑物的成功實踐證明，黃土地層基坑降水采用管井為主要降水手段是可行的，但也要針對黃土地層的弱透水特性采取針對性措施。該類地層降水的關鍵在于截斷地下水的補給通道，降水井數(shù)量主要由降水漏斗影響范圍決定，與排水量關系甚小。初期設計時，井深應有一定余量，雖然會增加一部分投資，但與提高降水效果保障率、降低總運行費用相比，這部分投資是值得的。

4 洞內(nèi)外接力降水研究

4.1 隧洞降水面臨的難題

穿黃隧洞進口段洞底高程為進口區(qū)域內(nèi)最低點，設計降深約37.00 m，洞底板下部為古土壤層。隧洞進口建筑物開挖可減少洞頂覆蓋層厚度10.00～20.00 m，對地下水位有正面影響，但隧洞中后部已超出隧洞進口建筑物降水井范圍，地下水補給通道并未切斷。若采用單一管井降水方案，通過增加井深以改善降水效果的方法在古土壤層難以發(fā)揮作用，洞身范圍內(nèi)地下水疏干困難。

退水洞0+068.84～0+800.00 m區(qū)間施工難度大。0+068.84～0+259.40 m區(qū)段隧洞底板以上為均一土層（黃土狀粉質(zhì)壤土），無隔水層。底板以下存在古土壤隔水層，地下水高于洞頂；0+259.40～0+800.00 m區(qū)段上層古土壤逐步上升至洞身及洞頂以上，下層古土壤在洞底出露后緩慢上升，并最終占據(jù)洞身大部，地下水高于洞頂。兩區(qū)間內(nèi)洞身圍土以富含水的黃土狀粉質(zhì)壤土為主，該類土層在開挖后短時間內(nèi)就會出現(xiàn)冒汗、滑塌等情況。因洞徑略小，且部分古土壤層已進入洞身，管井降水效果不佳。

4.2 接力降水設計方案

接力降水采用管井洞外降水為主、洞內(nèi)井點降水為輔的設計思路。首先在洞外布置真空管井，在井內(nèi)形成負壓以加快地下水向井內(nèi)流動，降低水躍值，將地下水降至洞頂以下上臺階底部位置，滿足上臺階開挖支護需要。上臺階支護完成后，沿兩側拱腳布設輕型井點，使地下水進一步下降約4.00 m，開始施工下臺階，然后循環(huán)往復，完成仰拱的分層降水與開挖封閉。

穿黃隧洞進口段沿洞身兩側及堵頭外側布置真空管井，截斷地下水補給通道。洞內(nèi)井點分兩級設置，每層井點管距兩側邊墻0.50 m，縱向間距1.20 m，井管深5.00～6.00 m，外傾角15°，采用水沖法成孔。退水洞沿洞軸線兩側布置真空管井，間距加密為7.50 m，洞內(nèi)設輕型井點，布置方案與穿黃隧洞相同。

4.3 現(xiàn)場應用成效

洞內(nèi)外接力降水在穿黃隧道進口段的應用較為成功。洞外降水井運行1個月后，地下水位降至上臺階底面以下，為上臺階開挖創(chuàng)造了條件。洞內(nèi)井點投入運行后，作業(yè)面沒有明水出露，滿足下臺階及仰拱的施工需要。為降低水力沖孔對支護穩(wěn)定的負面影響，上、下臺階均設置了臨時仰拱，井點作業(yè)時采取了間隔孔沖水、及時排水等措施。從變形監(jiān)測結果來看，水力沖孔未產(chǎn)生顯著的負面影響，隧洞已開挖段結構穩(wěn)定。

退水洞0+068.84～0+259.40.00 m區(qū)段地下水均下降至洞頂拱以下，輔以洞內(nèi)井點降水措施，基本滿足開挖支護需要。0+259.40～0+800.00 m區(qū)段施工艱難，進口側逐漸抬升的上層古土壤限制了降水漏斗形態(tài)，地下水位緩慢超過上臺階底面高程，洞內(nèi)接力降水無法實施。出口側兩層古土壤均為不透水層，中間的黃土狀粉質(zhì)壤土夾層排水困難、穩(wěn)定性差。該段開挖支護最初采用礦山法施工，后進口側改用盾構機掘進，出口側使用注漿法施工，最終貫通。

4.4 總結與反思

接力降水方案在穿黃隧洞進口段及退水洞部分區(qū)段取得了成功。真空管井有效改善黃土地層降水效果，洞內(nèi)輔助降水彌補了古土壤對管井降水漏斗的負面影響，能有效疏干隧洞圍土。最終方案可行與否的關鍵在于能否通過洞外管井將地下水降至洞內(nèi)上臺階以下，如隧洞中下部存在隔水層，則該目標實現(xiàn)較困難。此外，真空管井運行費用高于普通管井，井點降水與開挖支護存在一定干擾。

與穿黃隧洞進口段相比，退水洞頂部覆蓋層厚且存在古土壤層，接力降水僅能在部分區(qū)段發(fā)揮作用。施工期間參建各方也多次探討降水的必要性，因為若不能將地下水降至作業(yè)面下部，則傳統(tǒng)的開挖支護措施很難在黃土滑塌前完成封閉支護，現(xiàn)場作業(yè)存在安全風險，應改用其他方案。因此，對于土質(zhì)均一的富含水黃土隧洞來講，如長度不大，可采用接力降水手段；如洞身長度較大或存在古土壤隔水層，應首選盾構作業(yè)。

5 結語

綜合上述分析，黃土地層大面積基坑降水宜首選管井降水，輕型井點可作為備用手段。管井設計時，應針對黃土地層特點采取增加井深、加密井間距、選用小流量水泵等措施，并增加超前降水時間。洞內(nèi)外接力降水手段可滿足特定場景下黃土隧洞施工需要，但局限性較大，宜作為備用方案。