水平真空降水技术在地铁隧道施工中的运用

文/陈兆艳 中铁十五局集团第五工程有限公司 天津 300000

1、工程概况

北京地铁14号线十里河～南八里庄站区间由十里河站向北，下穿东三环主路、辅路，向东沿弘燕路下方至南八里庄站，区间总长度981.95m，起讫里程K25+723～K26+704.95，在K26+164.5处设置竖井一道。隧道断面为标准马蹄形减震断面，净高6.82m，净宽6.58m，线路纵断面呈“人”字型坡，隧道覆土约7.5～17m，采用浅埋暗挖法施工。沿线地面高层建筑物众多，地下管线分布密集复杂。

2、工程地质和水文

施工范围根据勘察结果按其沉积年代及工程性质可分为人工堆积层、第四纪沉积层，区间所处地层主要以粉质粘土和粉细砂为主，天然含水率13%～42%，大部分土体处于饱和水状态。

区间范围内实测到三层地下水：（1）上层滞水：初见水位深度8.10～11.00m，稳定水位深度7.40～10.80m，水位不连续，无明显含水层，主要接受大气降水、管沟渗漏补给，以蒸发为主要排泄方式；（2）潜水：含水层主要为粉细砂、细中砂层，初见水位深度12.50～15.30m，稳定水位深度12.00～15.10m，主要接受降水及侧向径流补给，以侧向径流和向下越流为主要排泄方式。（3）层间水～承压水：含水层主要为卵石层、中粗砂层及粉土层，初见水位深度19.30～21.80m，稳定水位深度16.70～21.00m，主要接受侧向径流补给，以侧向径流和越流的方式排泄为主。

3、降水方法的选择

受地面条件制约，无法采取地面管井降水，考虑洞内降水的方法。隧道开挖涉及到的含水层为粉土、粉质粘土和粉细砂层，含水层渗透系数不大，但存在多个界面，普通降水方法难以疏干，本次降水采用在隧道侧壁打设超前水平真空井管降水的方式，通过在井中施加负压，达到增加井中水位与地层中水位的水头差，在不降低井中水位的情况下就能达到形成水头差，从而达到降水的目的。

4、降水试验

为了验证洞内水平真空降水在此工程地质条件下的可行性，在右线小里程K25+950.5～K25+938.5段和左线大里程K26+370.295～K26+382.295段分别做12米试验段进行降水试验。

采用矿用电动岩石钻机，型号为HKYD125A型，沿隧道纵向方向12.00m作为一个降排水单元，井点成孔直径Ф100mm，孔深12m，降水井点外俯角度分别为5°～10°，内倾角为10°～15°，上仰扩角度均为15°。

水平井管采用Ф80mm钢管，管壁厚为3mm，井管长度为12.00m，管井孔底8.00m范围加固成透水孔，管壁外侧Ф80mm透水孔外包3层60目纱网，用铁丝缠绕固定目纱网，外部4.00m采用Ф100mm钢管封闭孔口；总管采用Ф100mmPVC管，总管两端密封后通过软管与各井管连接，然后采用射流式真空泵进行抽排水，从而达到抽排隧道地下水位的效果，保证了隧道无水作业。

经过降水试验验证该降水方案对掌子面及拱腰水量明显改善，除有小量的渗水外无积水，可以达到对隧道周边土层排水固结的作用，满足隧道无水开挖的要求。

5、超前真空管设计参数

沿隧道深度方向12.00m作为一个降排水单元，在隧道断面四周布设8～12个井点管，井管成孔直径Ф100mm，孔深6～12.00m，上部断面部位井管上仰角度分别为5°～10°，下部断面井管下俯角度为5°～20°，井管外俯角度均为10°。井管采用Ф80mm钢管，管壁厚为3mm，井管总长度为12.00m，其中滤管长度8.00m，开孔率不小于30%，滤管长度范围外包3层60目纱网并用铁丝缠绕固定。

6、施工工艺及过程控制

6.1 施工工艺

施工主要程序为：施工准备→测放井点位置→钻机就位→成孔施工→井管制作及安装→井口密封→洗井→井管连接→水泵安装→电线敷设布置→抽排水

6.1.1 施工准备

平整场地，放置各种设备、材料，全部到位后，施工人员进行技术交底，领会施工设计意图。

6.1.2 测放井点位置

根据设计平面图的坐标位置，在施工工作面上依次放点，并用钢筋作孔位标记和轴线后视点标记，使孔位、角度，施工时根据地层情况调整角度，保证滤水管部位在含水层地层中，以便达到最好的降排水效果，钻机、后视点成一线，保证钻孔沿设计方向延伸。

6.1.3 钻机就位

采用履带式液压潜孔钻机（JK580D），该钻机轻便灵活，便于操作，其全液压摆臂机构可以实现全方位钻孔。该机总功率为30Kw，有强大的钻进及处理孔内事故的能力，动力头可无级调速，转速和扭矩都可大范围调整，提高了钻机对复杂地层的适应性。

开钻前，对钻机的位置、钻杆、滑架倾角及方位都要认真核对，由于各油缸设有液压锁，可以有效避免钻机在钻孔过程中前后、左右移动，影响开孔倾角和方位。

6.1.4 成孔施工

成孔原理是利用液压油泵组为动力装置，由液压马达实现钻机回旋、推进、提升、行走及液压缸摆角定位等辅助动作，JK580D钻机在钻孔作业时，只有在潜孔冲击器消耗压缩空气，既能实现螺旋钻进成孔施工，又能实现潜孔钻进成孔施工。

粉土地层成孔施工工艺采用螺旋钻进成孔施工，利用液压马达实现钻机回旋、推进成孔施工，成孔到达设计要求后安装井管。

砂层地质采用空气压缩进行冲击钻进施工，利用进口动力头回转实现单作用双回转，即内钻杆、套管（桥式花管）、降水井管同时回转及冲击，成孔完成后，套管（桥式花管和井管）留置土体中，然后在井口处进行封井处理。

普通土层采用螺旋钻进成孔施工工艺，复杂地层（砂层地质）采用套管跟进成孔工艺，套管跟进成孔工艺选择的钻进参数应以低转速、低给进压力、高上返风速为原则，施工操作过程中应根据所钻进地层中岩石的硬度、松散程度、含水量等因素控制钻进速度，当钻遇到特别松散或较大裂隙的地层时，尤其要降低给进速度和给进压力，反复排渣清孔。

结语：

该方法适用于降排水工程受施工场地条件的制约，无法在地面进行，只能在坑道内施工，并且在黏性土、粉土、砂土的交互地层条件下需同时抽降潜水和承压水，以最大限度的抽降减少掘进面的涌水量，其降水效果好、成本低。

由于采取有效的降水措施，为隧道开挖的无水作业创造条件，确保了工程施工正常进展，对今后类似工程降水措施的选择具有一定借鉴作用。