北京地铁颐和园站管井降水技术

温继伟，陈宝义，许 晖

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026;2.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

北京地铁颐和园站管井降水技术

温继伟1，陈宝义1，许 晖2

(1.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026;2.建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

降水工程在地铁建设过程中具有举足轻重的作用，将直接影响地铁工程的工期及安全，对整个工程质量影响颇大。基坑开挖过程中很可能产生基坑底的突涌，引发安全事故。因此，施工前必须采取合理有效的地下水控制措施，防止土的渗透变形、突涌等不良作用对基坑边坡、底部造成影响，保证施工安全。管井降水是目前北京地铁工程降水中应用最广泛的一种方法。结合工程实例对管井降水的设计、施工及监测等一系列问题进行了研究。

管井降水;降水设计;降水施工;降水监测;处理措施

地铁建设过程中降水工程是一个系统工程，直接影响整个工程的工期及安全，对整个工程质量影响很大，必须认真对待并加以解决。

1 工程概况

颐和园站位于北京市圆明园西路和颐和园路交叉点东侧的颐和园路上，大致呈东西走向，该站为双层岛式车站。车站中心里程为 K25+235，总长181.2 m，宽20.5 m，车中轨面高程为31.636 m。在站体东西端设置两组风亭，南北两侧设3个出入口。除1号、3号出入口通道采用暗挖法施工外(出口位置明挖)，车站其余位置结构施工均采用明挖法施工，场区地面标高45.88 m。

1.1 场区地层情况

此次勘察揭露地层最大深度为50.0 m，地层层序自上而下依次为:人工填土层，该层总厚为0.4～4.0 m，层底标高为40.73～49.29 m;新近沉积层，包括粉土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂、卵砾石，该层最大厚度为10.4 m，层底标高为33.64～47.29 m;第四系全新世冲洪积层，包括粉土、粉质粘土、粉细砂、粉土，最大厚度为7.6 m，层底标高为31.99～36.29 m;第四系晚更新世冲洪积层，包括卵砾石、中粗砂，最大厚度为7.0 m，层底标高为28.70～32.52 m;粉质粘土、粘土、粉土、细中砂，总层厚为0.6～13.8 m，层底标高为20.38～30.13 m;卵砾石、粉细砂，总层厚为2.2～13.4 m，层底标高为13.80～24.13 m;粉质粘土、粘土、粉土、细中砂，最大厚度8.6 m，层底标高为5.29～13.72 m。

1.2 场区地下水情况(见表1)

1.3 地下水影响分析

通过对地层剖面图和车站各部位结构底标高的分析，站体明挖基坑将穿过第一层含水层、第二层含水层，加深段基坑底第三含水层顶板剩余厚度约4.20 m，第三层承压水头，高出槽底约3.90 m，满足抗浮要求;一号风亭风道基坑仅穿越或大部分穿越第一含水层，二号风亭风道基坑完全穿越第一含水层、加深段揭穿第二含水层中上部;出入口通道一般段穿越第一含水层，局部加深的集水井、电梯井将进入第二含水层上部。因此，站体基坑开挖主要受第一层和第二层地下水影响，需要基本疏干该两层地下水;一号风亭施工仅受第一层地下水影响，应将该层地下水基本疏干;二号风亭和3个出入口通道施工受第一和第二层水影响，应将第一层地下水基本疏干，并降低第二层地下水承压水头至槽底下0.50 m以下。图1为颐和园站降水范围示意图。

表1 场区地下水特征表

2 管井降水

2.1 降水工程设计

2.1.1 基坑涌水量计算

车站降水涌水量计算时，一般概化为面状基坑，本基坑涌水量计算参数见表2。

图1 颐和园站降水范围示意图

表2 颐和园站降水计算参数表

(1)潜水完整井基坑涌水量计算(参见图2):

图2 潜水完整井基坑涌水量计算模型

式中:Q——基坑涌水量，m3/d;K——渗透系数，m/d;H——潜水含水层厚度，m;S——基坑水位降深，m;R——基坑降水影响半径，从基坑中心算起(R=R0+r0)，m;r0——基坑等效半径，m。

其中，r0的求法有3种:

①对于长宽比不大于5的不规则形状基坑概化为圆形基坑:

式中:F——基坑面积，m2。

②矩形基坑化为圆形基坑:

式中:μ——概化系数;L——基坑长度，m;B——基坑宽度，m。

③平方根算法(参见图3):

图3 平方根算法示意图

式中:rn——第n口井中心与基坑中心的距离。

图4 承压水完整井基坑涌水量计算模型

(2)承压水完整井基坑涌水量计算(参见图4):

式中:M——承压含水层厚度，m;其余同上。

2.1.2 管井单井出水量

在降水设计中，单井出水量应小于单井出水能力，降水管井出水能力应选择群井中水位干扰影响最大的井，按下式确定:

式中:q——管井出水能力，m3/d;d——过滤器外径，mm;α'——与含水层渗透系数有关的经验系数;l'——过滤器淹没段长度，m。

2.1.3 降水井井深、数量及间距

降水井设计井深为:

式中:Hw——降水井深度，m;Hw1——基坑深度，m;Hw2——降水水位距离基坑底要求的深度，m;Hw3——ir0;i——水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/ 15;r0——降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的1/2，m;Hw4——降水期间的地下水位变幅，m;Hw5——降水井过滤器工作长度，m;Hw6——沉砂管长度，m。

布设管井的数量根据基坑总排水量与单井出水量计算。群井抽水时单井干扰抽水量要小于单井出水能力，计算时应采取单井干扰抽水量。井数为:

式中:Q——基坑总涌水量，m3/d;q——单井干扰抽水量，m3/d。

管井间距为:

式中:L——基坑周长。

根据上述分析，对降水工程中所涉及的各参数进行计算。

2.1.3.1 站体单井出水能力计算

设单位长度过滤器时单井出水量为q0，降水井井径为600 mm，井管管径为400 mm，计算得q0=522 m3/d，则所需过滤器总长度为:

考虑到单井出水能力和控制井间距，设计采用额定出水量为120 m3/d的泵抽水，则所需降水井数量n=1.1Q/q=68眼，根据场区地质和地面布井条件，考虑井间距为7～8 m，主站体和风亭、风道的实际布井数86眼。

2.1.3.2 优化方案调整

以上述理论计算初步确定的设计参数为基础，以车站站体地下结构施工范围内的潜水水位降深S≥6.5 m(考虑疏干)为约束条件，利用群井抽水计算模型，进行群井抽水的情况下，多种配井方法的总排水量、开泵数量、各点水位降深的优化方案比较，计算结果为:在实际开泵井数73眼的情况下，其水位降深均能满足要求，总排水量为8760 m3/d。对北侧2个出入口也按相同井间距和泵型布井，车站、风亭、风道、出入口通道共布井124眼。

根据上述计算分析，本站设计采用封闭式管井井点降水方案，可将降水管井沿明挖基坑周边呈封闭状布设，降水井距基坑支护结构外皮1.5～2.0 m距离。由于场区第一层潜水埋深很浅，并和地表水体有一定的水力联系，因此排水管线的出口应尽量远离抽水区域，并选择往下游方向排水。

该场区降水设计参数见表3。

2.2 降水工程施工

管井降水施工工艺流程如图5所示。

表3 颐和园站降水设计参数表

图5 管井施工工艺流程图

管井施工一般采用冲击钻进法(顿钻法)、泵吸反循环法及旋挖法3种施工工艺。其中，以泵吸反循环法的应用最为广泛，井孔垂直度应控制在1%以内。

2.2.1 降水排水设计方案

设计排水管主管(集水管)采用φ219 mm钢管，支管采用φ89 mm钢管。本站位于颐和园路南侧的站体、风亭风道、二号出入口通道结构施工为明挖，降水井均布置在结构施工围挡内，因而集水管、排水管采用明铺方式;一号、三号出入口通道横穿颐和园路下，采取暗挖施工方法。因此，降水井井口、集水管、排水管均暗埋于地下。所有排水管线直接铺设在降水井的外侧，并做防锈处理和冬季保温措施。水从支管流经主管汇到雨水井，排水井要做一工作井，采取暗埋方式。本站布置了3个排水口，可供车站降排水时使用。

2.2.2 降水配电系统设计

颐和园站降水方案设计共有降水井124眼。根据计算采用QD6－35/2－1.5型潜水泵作为降水用泵。降水用电总功率为200 kW，考虑到降水井较多且距离较远，总电源由3个地点提供，分别在车站的南侧及北侧，引入后进入一级配电箱构成两路电源的总控制系统，然后均衡地分配给二级配电箱来对各降水井点进行控制。线路所经过的地段如遇到公路或路面施工场地需采取穿钢管暗埋敷设，埋深≮750 mm。所用两级配电箱均采用正规厂家生产的产品并带有漏电保护装置，线路全部采用TN－CS保护系统。电缆全部采用YC型铜芯橡胶护套绝缘电缆。配电箱需编号，加装安全栅栏，悬挂警示标牌，并做防雨措施。明敷线路需架空。如有些降水井在抽水期间由于受外界环境的限制(如公路)不易观察，对降水用水泵在井下的工作状况不能及时掌握，因此须加装自动监控系统。可对总出水量、井内水位、水泵电机功率等及时进行监控。为防止在抽水期间发生意外停电事故，现场需有备用电源(发电机、二路供电系统)并配有自动切换装置。

2.2.3 降水施工围挡方案

本站颐和园路以南的结构采用明挖法施工，该部分降水井可在结构施工围挡内布设，直接利用结构施工围挡进行降水施工。一、三号出入口通道横穿颐和园路段的降水井应实行分段临时围挡施工，每次围挡占路宽度约一个半车道。每段施工完后应立即拆除围挡并恢复路面。

2.2.4 降水沉降分析

当群井降水时，计算降水影响半径为105.2 m，在降水影响范围内没有高大建筑物和重要古建筑，因此不作高大建筑物监测。在站体两侧和两端布设6个地面沉降点，以观测降水对地面的影响。本站共布设沉降监测点6个。

2.3 降水工程的辅助、补救措施

降水工程是一项受多种因素影响较大的工程，即使较为完善的降水工程设计往往在工程实施过程中还需做多次调整。

2.3.1 建立地下水动态监测网

由于降水期较长，降水使场区地下水均衡关系发生较大变化，必然对周边环境产生影响。为了较准确地掌握场区地下水动态变化，及时采取必要的处理措施，在降水工程实施的同时，应建立地下水动态监测网，监测点的布设应掌握以下原则:

(1)在抽水影响半径以内呈放射状布设观测孔;

(2)抽水影响半径以内的高大建筑物、古建筑、危改类建筑与抽水系统之间布设观测孔;

(3)不同含水层位布分层观测孔，取水样孔。

地下水动态监测网提供的资料有:地下水位监测数据、地下水质月监测数据、各站和区间的排水量数据及排水含砂量数据。

2.3.2 建立沉降监测网

在降水工程实施之前，要根据降水设计中计算的抽水影响范围结合工程实际情况对一定范围内的典型建筑(高大建筑、重要建筑及古建筑等)布设沉降监测点，在抽水期间要进行连续沉降监测，若累计沉降量接近预警值(根据不同类型建筑确定的不同预警值)时，及时上报施工单位采取必要措施。

2.4 局部异常水处理措施

(1)当遇到地下不明构筑物时不要盲目破坏，先查明构筑物性质，然后探明是否含水;

(2)当确定地下构筑物含水时，应先查明是否有补给水源，切断其补给源(引排或封堵)，然后将其中的水抽出排走;

(3)当以上工作需在基坑或隧道内进行时，应事先准备好临时支护及紧急排水设施后方可进行。

2.5 潜水残留水处理

由于受潜水含水层底板凹凸不平的影响，或存在局部粘性土夹层，在含水层底部会产生残留水，这部分水若处理不好将带出地层中大量细颗粒物质，使基槽边坡土扰动出现坍塌，影响基槽开挖和基础施工。出现这种情况时，为了防止坑壁塌方，应放慢挖槽速度，及时在坑壁做盲管导流，并在槽边挖盲沟集水，再将集水排走。导流盲管一般采用长0.5 m的φ25 mm塑料管，做成花管并缠80目尼龙纱网。盲沟一般贴坑壁挖，宽300 mm，深300 mm。为了防止水流将基坑底细颗粒物质带走造成基底土扰动，应在盲沟中填φ4～6 mm砾石。

2.6 局部深部的承压水影响分析及处理

本次降水初步设计是在结构初步设计条件下进行的，对地下站体、风亭竖井及通道的局部加深情况了解不够，因此当地下结构出现局部加深段时，必须要针对承压水的影响进行专项分析。若设计的周边降水井能力已无法满足加深部分的降水要求时，可在车站站体内(洞内或槽内)针对加深的部位专门设计降水井，抽水结束后对降水井必须进行封堵处理。

2.7 降水工程的环境保护及处理措施

2.7.1 地面沉降防治措施

当通过沉降监测发现建筑物沉降已达到预警标准时，应及时查明引起沉降的具体原因，若确认是因降水所引起时，应马上采取回灌措施。在沉降区域施工回灌井，回灌井与降水井之间的距离必须大于5.0 m，回灌方案的具体设计应根据建筑物的沉降情况来确定。

2.7.2 地下水污染防治

防治污染的首要原则是不能再加剧浅层地下水的污染，因此降水设计中以“抽－排”方式为主，将上层滞水和潜水通过降水井从地下抽出，然后排入市政雨、污水管道。为及时掌握场区地下水水质动态的变化情况，应委托专业单位对降水区域的地下水质进行监测、分析，进一步确定降水区域的浅层水是否被加剧污染，以制定相应的治理措施。

2.8 降水井的后期处理

降水管井在完成其使用目的后，首先切断供抽水用电源，拆除井下水泵、电缆、泵管，采用石屑填入井管内，回填高度为至井口2.0 m。利用井孔内存水使之饱和，依靠自重压实。当井孔内存水不能使回填石屑饱和时，应边回填边注水。距井口2.0 m以上应采用C15素混凝土回填，并人工捣实。近地表部分按原地貌恢复。混凝土应在回填石屑后间隔3天再回填。当降水工程结束后，应按市政管理的有关规定，将暗埋的排水管、电缆等挖出之后，分层回填级配砂石，并分层夯实到规定的高度后，填300 mm厚的无机料，然后铺柏油。

3 结语

实践表明，在本工程中采用上述方案完全能够满足施工中对降水的要求，能够保证施工的安全。地铁施工中降水是一个系统工程，必须认真对待并加以解决，保证降水成功，推动工程施工顺利有序地进行。对于地铁暗挖隧道区间施工过程，管井降水在多年的工程实践中对于解决涌水量大、土体遇水软化、开挖易发生涌砂、涌泥现象的地段取得了成功的经验。由于其施工简便，降水效果良好且工程造价相对低廉，是目前北京地铁工程降水中应用最广泛的一种方法。

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Tube Well Dewatering in the Construction of Beijing Subway

WEN Ji-wei1，CHEN Bao-yi1，XU Hui2(1.College of Construction and Engineering，Jilin University，Changchun Jilin 130026，China;2.China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Co.，Ltd.，Beijing 100007，China)

Engineering dewatering is a decisive step in the process of subway construction，which has direct impacts on the duration and security of a subway project and influence of the quality of the entire project to a great extent.During the excavation，sudden inrushing is likely encountered;reasonable and effective control measures on groundwater must be taken to prevent the soil from infiltration deformation and inrushing to ensure construction safety.Tube well dewatering has been so far the most widely applied method in the subway construction projects in Beijing.Based on the engineering cases，the paper discussed a series of issues on tube well dewatering about the design，construction and monitoring，which can be referred by similar projects in future.

tube well dewatering;dewatering design;dewatering construction;dewatering monitoring;treatment measures

TU94+3.1

A

1672－7428(2011)09－0078－05

2011－03－16;

2011－05－19

温继伟(1988－)，男(汉族)，河北万全人，吉林大学建设工程学院博士研究生，地质工程专业，主要从事岩土工程、岩土钻凿工艺及机具等方面的研究工作，吉林省长春市吉林大学北区三舍518室，yuhouxingchen777@163.com。