降水井在引水隧洞盾构法施工中的应用-行业新闻-福建中天重工机械设备有限公司

新闻资讯

联系我们

福建中天重工机械设备有限公司

电话：0731-89783591

Email：2324467190@qq.com

Q Q：2324467190

营运中心地址：湖南省长沙市天心区芙蓉南路和庄A1-3110

您当前所在的位置：首页>>新闻资讯>>行业新闻行业新闻

降水井在引水隧洞盾构法施工中的应用

1 工程概况
山西省小浪底引黄工程土洞段施工Ⅶ标，盾构隧洞全长5.516km，桩号为47+350—52+866，采用海瑞克制造的泥水平衡盾构，自大桩号向小桩号进行掘进，为国内最长泥水平衡盾构独头掘进施工隧道。本段隧洞多位于地下水位以下，自大桩号向小桩号逐渐升高，最大水头高度约105m，最大埋深120m，穿越地层为低液限粘土夹卵石混合土、级配不良砾（砂）层，地质条件对施工存在不利因素。
为了保证盾构设备安全，在K49+818处增设中间竖井，作为检修通道和通风作业通道。结合该桩号水文地质条件，并考虑盾构机掘进速度，在中间竖井四周设置降水试验井，以便水位降至安全水位，中间竖井能够顺利施工，从而减少盾构到达时发生涌砂涌水的风险。
2 降水设计
2.1 降水原则
根据钻孔资料，中间竖井所处地下水位高出隧洞底部约30m，勘探深度内地层主要以粉质黏土层为主，部分埋深为卵石层，盾构隧道位于粉质粘土层中。根据降水设计原则，本次计算以K49+818为中心，总长度20m范围内的隧道为计算单元，根据形状面积、隧道深度和降水需求，确定降水井相关参数。
2.2 涌水量计算
2.2.1 单元总涌水量计算
为了查明本段隧洞围岩渗透性及地下水位情况，采用管井（深井）井点降水。首先将整个布井范围作为一个整体，可看做一口大井（见图1），根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），群井按大井简化的均质含水层潜水非完整井的基坑降水总涌水量，可按下列公式计算。

式中：Q—基坑降水的总涌水量，m³/d；
k——渗透系数，取15m/d；
H₀—潜水含水层的厚度，取29m；
r₀——沿基坑周边均匀布置的降水井群所围面积等效圆的半径，可按

计算，此处，A为降水井群连线所围面积，r₀取12.18m；
R——降水影响半径，应按现场抽水试验确定。
取774m；
h——基坑动水位至含水层底面的深度，约17m；
l——滤管有效工作部分的长度，取15m。

2.2.2 单井允许出水量
根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），管井的单井出水能力按下列公式计算：

其中：q—单井允许出水量，m³/d；
r_s——过滤器半径，m；
l——过滤器进水部分长度，m；
k—含水层渗透系数，m/d；
计算得出q的理论值为1200m³/d，考虑到该范围为群井共同抽水，单井出水能力势必会受影响而减少，暂时按1000m³/d考虑。根据单井出水量合配置水泵，暂按型号200QJ50-78/6（流量为50m³/h，扬程为78m，功率为18.5kW）考虑，后期根据降水井实际抽水情况调整水泵功率。
2.3 降水井数量
根据公式（1）、（2）、（3），计算得出n值为3.88，考虑到计算误差并四舍五入，推出该段共需布置4口降水井，在盾构隧道两侧间隔8m均匀布置，每侧降水井间隔20m。

四口井分别为S1、S2、S3、S4，K49+818段降水井布置示意图见图2。（注：G1、G2为水位观测孔，不在本方案设计范围内。）

2.4 降水井深度
降水井的深度的确定有很多种方法，如刘广仁[3]在西气东输二线盾构施工降水方案中所采用的方法，也可以根据降水井结构必须满足的技术要求来综合确定。本工程根据《管井技术规范》（GB50296-2014），降水管井的深度按疏干井公式计算：

H_W=H_W1+H_W2+H_W3+H_W₆（5）

式中：H_W——降水管井的深度，m；
H_W1——自地面算起至设计要求的动水位之间的深度，取46m；
H_W2——变化水深，在降水管井分布范围内，为两排井间距的1/10～1/15，m；
i—水力梯度；
r₀—降水管井分布范围的等效半径或降水管井排间距的1/2；
两排井间距约22m，H_W2约为2m；
H_W3—从H_W2以下算起至最下部过滤器底端的长度，m；
H_W6—沉淀管长度，取2.0m。
根据《管井技术规范》，计算得出有效滤管长度约为20m，一般情况下，有效滤管长度占据总滤管长度的50%～85%，考虑井损的影响，暂取H_W3为21m；经过计算，降水井深约71m。
2.5 降水井结构及布置
本工程涌水量大、水位降深大，所需水泵扬程高，水泵的外径一般为250mm。而井管内径至少需大于水泵外径50mm，故本次管内径按400mm考虑，成孔直径按700mm进行实施。采用6mm厚钢管，滤管为桥式滤水管，滤管仅设置在粘土层中，防止抽取上部1～3卵石层地下水；滤管外包40目锦纶滤网，采用瓜子片滤料回填至滤管顶部以上，其上回填粘土球止水，防止1～3卵石层地下水进入降水井，详见图3。

2.6 井管材质对比
目前，市场上用于降水井的管材主要有钢制井管和水泥井管，其优劣主要体现在以下几个方面：
2.6.1 盾构施工安全影响比较
根据总体施工规划，降水井布设于隧道两侧，距离隧道外边线约8m，位于盾构施工影响的三倍洞径范围内，盾构机在推进过程中会不可避免地扰动周围地层，使得地层发生挤压和变形等。由于水泥管刚度低于钢管，水泥管的抗弯、抗拉、抗压强度，以及接头侧向受力更是明显低于钢管，在盾构推进过程中可能出现井管局部错位变形的可能，进而导致不能正常降水甚至降水井损坏。
2.6.2 井损系数比较
在相同地层相同井结构条件下，井损越小，降水井发挥的功效越大，单井出水量越大，目的区域的水位降深越大，所需降水井数量也会相应减少。根据以往的施工经验，钢制井滤管与水泥管滤管相比，其井损相对更小，更易控制成井质量及综合成本。
2.6.3 施工风险比较
由于本区域地层主要以砂卵石为主，如果使用内径400mm的水泥管，外径会达到500mm，成孔直径必须达到800mm才能保证成井质量。缺点有：冲击钻成孔时间将增加20%左右；成孔直径越大，塌孔的概率越高；根据以往施工经验，同直径等深度的降水井，下水泥管的平均时间比下钢管多一倍有余；本区域内地下水较为丰富，施工过程中浆液浓度极易被地下水稀释，成孔直径越大，施工时间越长，护壁浆液被稀释的就越厉害，塌孔、缩孔几率将会加大。
2.6.4 施工成本比较
400mm的水泥井管比400mm的钢井管节约费用约为238元/m（其中钢井管单价约为318元/m，水泥井管单价约为80元/m），成孔直径800mm的水泥井管比成孔700mm的滤料、粘土球、40目锦纶滤网等辅材增加费用约57元/m，人工费增加约20%，即57元/m，机械设备费增加约20%，即126元/m。故不论采用水泥井管还是钢井管，总体费用相差不大。
综上所述，建议成井管材采用钢井管。
3 试验成果
3.1 群井抽水试验
试验前通过观测试验井内静止水位可知，试验井内初始水位埋深约为26m。鉴于本次试验井施工时竖井已进入挖土降水阶段，为确保竖井顺利施工，故每完成1口试验井立即投入运行。试验井开启顺序为S1、S2、S3、S4，陆续开启S1（井深71m、抽水泵额定流量40m³/h）、S2（井深71m、抽水泵额定流量50m³/h）、S3（井深71m、抽水泵额定流量32m³/h）、S4（井深71m、抽水泵额定流量50m³/h）进行群井试验，维持4口井群井持续抽水约1d后，水泵出现“喘气”现象，且动水位已经在水泵进水口位置（埋深67m），说明目前的水泵型号满足试验要求，停抽一口作为观测井，其余3口试验井继续保持抽水状态，观测井水位基本稳定后，实测其水位埋深，详见表1。

通过分析表1，3口井抽水时，最大水位埋深为34.0～35.3m，相比初始水位，水位降深为8~9.3m，其中停抽S1时水位为34.0m，为最不利水位。
3.2 单井抽水试验
单井抽水试验时，选择S2作为抽水试验井，S1、S3作为观测井，持续抽水18h后停抽恢复至水位相对稳定，采用额定流量为50m³/h的抽水泵，单井平均出水量约56.75m³/h。试验期间竖井内持续进行排水，且各观测井均在抽水停止后才进行水位观测，故单井抽水试验期间初始水位较群井试验期间相比有较大的下降，水位埋深为32.11~40.3m，水位降深为3.11~5.4m。详见表2、图4。

3.3 试验结论
本试验段盾构底埋深为61.4m，后续考虑将水位降至盾构底以上10m处，即需将水位控制在51.4m处。根据现有试验结果可知，目前已施工的4口试验井难以达到将水位控制在盾构底以上10m的要求。后续计划在现有4口试验井的基础上新增2口试验井，井深75m，再次进行抽水试验，通过后续试验结果确定最终降水井数量。
4 结论
本工程进行降水试验井设计，一是为了实测出地下水位；二是实测出单井出水量，确定水泵配置；三是复核水文地质参数；四是观测水位能否降至设计要求。实践证明，通过降水井抽水试验，可以准确掌握盾构区间静止水位、出水量、动水位、恢复水位以及水位稳定延续时间等参数，为盾构机的正常掘进提供了保证。同时，优化降水井结构，为后续降水井的设计提供参考依据。

上一篇：盾构穿越南水北调中线总干渠施工技术
下一篇：地铁车站盾构法与矿山法联合施工技术