深圳地铁浅埋暗挖法隧道洞外降水施工

张宏伟

0 引言

浅埋暗挖法作为目前地铁隧道施工的一种重要的工法,在地铁及其他市政隧道工程中有着广泛的应用,但在一些软弱地层富水地层,特别是在围岩遇水崩解软化地层中进行隧道开挖必须采取有效措施对地下水进行封堵或抽排,才能保证施工的安全以及周边环境的安全。深圳地铁 5号线采用隧道外降水的工程实践,取得了良好的效果,为类似工程提供了有益的借鉴。

1 工程概况

1.1 设计概况

深圳地铁5号线西大区间矿山法段隧道为西丽站至2,3号盾构吊出井之间范围,右线隧道长 396.937m,左线隧道长 420.957m。本区间沿留仙大道敷设,沿线建筑物密集,管线密布,对沉降控制要求较高。

1.2 工程地质

隧道上方地质主要为冲洪积沉积的粘性土、砂层和圆砾层,地表为人工填土层。隧道所穿越地层主要为全强风化花岗片麻岩和粉质粘土层,强度较低,遇水软化,自稳性很差。

各地层的渗透系数参考值为:杂填土层K=10.0m/d;粘土层K=1.0m/d;砂层K=40.0m/d;残积土层2.5m/d;全风化层K= 1.0m/d;强风化层K=3.0m/d;中风化层K=5.0m/d;微风化层K=0.1m/d。

1.3 水文地质

本场地地下水按赋存条件主要分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。

孔隙水主要赋存在第四系粘性土、砂层、圆砾层及残积层中,砂层、圆砾层中地下水略具承压性。基岩裂隙水主要赋存在花岗岩强～中风化层中,略具承压性。地下水位埋深 2.3m～7.6m,水位高程5.46m～11.06m,水位变幅0.5m～2.0m。

地下水总的径流方向为由北东向南西。地下水的排泄途径主要是蒸发和以径流方式流入河水。补给来源主要为大气降水、河水及地表水的渗透。地下水与河水互补,存在水力联系。

2 施工降水设计

2.1 降水井设置

根据现场的场地条件和管线情况,降水井沿隧道两侧布置,考虑到小口径降水井具有布置灵活、施工方便、成井速度快的特点,将降水井设置为开孔直径200mm,井管直径 150 mm,纵向间距为6m,见图1。

2.2 降水计算

以右线隧道一段(即泵房通道至 3号盾构井段)为例进行计算。

1)降水井深度。

根据设计,降水井深度为隧道底部7.5 m,h=23+7.5= 30.5m。

2)降水出水量计算。

a.影响半径的计算:影响半径R=S/i,R=19/0.1=190m。b.出水量计算:按照深井(管井)降水计算,按无压完整井管井涌水量计算,系统总涌水量。比照深井基坑外降水(窄长式基坑)不考虑承压水计算方法进行计算:Q=πK(H2-hc2)/ln(R/A)。其中, Q为基坑出水量,m3/d;H为井深,取30.5m;hc为含水层厚度,取25.5 m;R为基坑影响半径;A为基坑换算半径;计算得Q= 1 722m3/d。c.单井管井进水量:q=2πrl3K。计算得q设计= 59.76m3/d。d.需要降水井数量:N设计=32。

3 降水井施工

降水井施工工艺流程见图 2。

1)施放井位。降水井井位根据场区地下管线分布情况初步确定,然后人工挖探孔,确认无管线后方可安放钻机;当探孔内发现管线等障碍物后,降水井间距可作局部调整,一般小于 2.0m,且降水井总量不得减少。

2)降水井成孔。采用普通地质钻机成孔,钻头直径 200mm。井身结构误差要求:井径误差±20mm;垂直度误差不大于1%;不小于设计井深。孔径d=200mm井管制作示意图见图3。

3)清孔及下管。下管前注入清水置换全井孔内泥浆,砂石泵抽出沉渣并测定孔深。井管采用直径150mm的PVC管,加工时在管身上按间距20 cm呈梅花形布置渗水孔(井底20m范围内的井管上布置),渗水孔径4 cm～6 cm,在包缠1层200目细目网后缓缓下放。井管要高出地面不小于 200mm,并加临时保护措施。

4)填滤料。井管下入后立即填入滤料。滤料应具有一定的磨圆度,滤料含泥量(包括含石粉)不大于 3%,粒径 2 mm～4mm。填滤料时,滤料沿井管外四周均匀填入,宜保持连续。洗井后滤料下沉及时补充滤料,要求实际填料量不小于 95%理论计算量。

5)洗井。下管、填料完成后立即进行洗井,成井—洗井间隔时间不能超过 8 h;采用下泵试抽洗井,用潜水泵反复进行抽洗,直至水清砂净,上下含水层水串通。

6)抽水。采用的潜水泵型号为QJ 3-5219(功率1.5 kW),泵管采用40mm PVC管,水泵安装位置在隧道仰拱下2 m左右;地面安装水泵控制器和水表,根据井底水位变化情况自动控制水泵的停止或启动。为达到较好的降水效果,降水需提前隧道开挖掌子面 60m或者提前掌子面开挖到达 20 d时间,在隧道开挖掌子面超过降水井位置 60m后停止该口降水井的抽水工作。

4 降水引起沉降分析

为了能够较为准确客观的分析降水引起的沉降,选取隧道开挖掌子面距离较远的降水井及相应位置的测点作为分析对象。将沉降分为两个阶段,即开挖掌子面到达前(掌子面距测点 3倍洞径),单纯由降水所引起的沉降S1,降水和隧道开挖共同作用(从掌子面距测点 3倍洞径到沉降稳定)引起沉降 S2,考察 S1占总沉降S1+S2的百分比。同时对比同样地层条件,降水段和未降水段总沉降量。

选取右线DK 11+756、左线DK 11+791、右线DK 11+520三个典型测点为研究对象,其中右线DK11+756、左线DK 11+791两测点处于降水施工,右线 DK11+520测点处于未降水施工段。地表沉降曲线图见图 4～图 6。

通过对比降水地段隧道施工引起的总沉降量要远小于未降水地段的总沉降量。其主要原因是未降水地段围岩遇水迅速崩解软化,掌子面难以自稳,作业环境差,作业周期长,对地层扰动大,初期支护和围岩间存在较大的空隙,隧道通过前及隧道通过后的沉降均很大。降水地段隧道施工的总沉降量基本可控制在70mm以内,单纯降水引起降水 S1占总沉降量 S1+S2的比值在20%～30%左右。从本工程来看采取降水措施能够有效控制因隧道开挖所引起的沉降。

5 降水效果

未降水地段,围岩遇水迅速软化崩解,掌子面难以自稳,虽进行注浆加固,效果并不明显,开挖非常困难,沉降难以控制,结构变形严重,个别地表点沉降超过 200mm。随着降水施工隧道全断面无明水流出,基本实现了隧道内开挖的无水作业,掌子面自稳能力明显增强,总沉降量基本可控制在 70mm以内。未降水地段施工进度缓慢,月进度不到 30m;降水后,掌子面自稳能力大大加强,施工环境大为改善,安全得到保证,进度快速,单线隧道月成洞可以达到70m～80m。

6 结语

该地铁区间地质条件差,地下水丰富,围岩遇水极易软化崩解,给隧道施工安全和环境安全带来了十分不利的影响。通过隧道外降水施工,确保了施工安全,有效的控制了沉降的发生。但目前城市施工,出于对环境的考虑,对降水均严格控制。所以有必要进一步的研究,在不同地质条件下,由于降水所引起沉降的规律。同时隧道外降水理论计算公式出自基坑的计算方法,还需要在实践中不断的总结、试验,确定属于隧道外降水经验的公式,避免凭经验布设井点而造成资源的浪费或达不到预期的降水效果。

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