沿海地区地铁矿山法暗挖隧道地面降水施工技术研究

赵 朋

（中铁一局集团厦门建设工程有限公司，福建 厦门 361008）

1 总体方案

为了从根源上解决地下水对隧道施工的影响，基于明挖法车站深基坑降水工程原理，将矿山法区间隧道类比为一个长条形的深基坑，通过地面降水措施将地下水位降至隧道仰拱底以下。根据区间隧道地质详勘资料，对区间隧道降水工程进行研究，完成降水工程设计，确定降水对地表沉降的影响。在地面降水井施工中由于地面构建筑物密集，降水井施工过程受未拆迁建筑物影响，部分降水井无施工场地条件，采用一种适用于地形的降水斜井施工工艺。

2 工艺原理

本工艺主要采用地面施作降水管井，将井点管埋设到待开挖隧道底部以下10 m或者进入岩层6 m，利用管井内外水位差，使土层或破碎岩层里的地下水通过渗透流入井管内，再通过井管内的抽水泵排出地面，最终使得待开挖隧道内地下水位降低至隧道底部以下1 m。区间隧道降水原理图如图1所示。

图1 区间隧道降水原理图

降水斜井主要是利用降水井地下水位控制原理及水位内外差，将降水井以＜15°斜向打入地层中。斜向降水井施工参数除了设定一定的角度打入外，其余参数与降水竖井一致。区间隧道降水斜井工作原理图如图2所示。

图2 区间隧道降水斜井工作原理图

3 施工工艺要点

3.1 地质详勘

通过对设计区间线路中的隧道洞身范围内的软弱围岩地质带（岩土交界面、风化槽、受地下水影响强度降低的土层、洞顶岩层覆盖厚度薄等）进行详细勘察，全面分析地质水文情况。通过试验确定地下水及地质参数后进一步进行降水设计。

3.2 降水设计

3.2.1 降水模型

区间隧道降水后，隧道顶部及两侧范围均在降水漏斗范围内，类似一个条状的基坑降水，这时双线隧道外缘距离为基坑宽度，隧道长度为基坑长度；因隧道开挖为两端同时掘进，可选择影响范围内降水，随施工进度进行降水范围调整。因此，矿山法隧道开挖降水模型类似矩形基坑降水，可按大口井降水公式估算。

3.2.2 降水井深度控制取值

降水井的深度：

式中：Hw1—地面至隧道开挖面的深度（m）；

Hw2—降水水位距离隧道底要求的深度（m）；

Hw3—水头高差Hw3=ir0；

i—水力坡度，i=0.1～0.2；

r0—降水井排间距的1/2或降水井分布范围的等效半径（m）；

Hw4—降水井的水跃值（m）；

Hw5—降水井过滤器工作长度（m）；

Hw6—沉砂管长度（m）；

Hw7—滤管端部反滤层厚度（m）。

3.2.3 涌水量计算

（1）群井按大井简化时，均质含水层潜水完整井的降水总涌水量按下式计算：

（2）群井按大井简化时，均质含水层潜水非完整井的降水总涌水量按下式计算：

（3）渗透系数k的取值，按各含水层厚度加权平均计算整个含水层综合渗透系数

（4）群井按大井考虑的等效半径r0值：r0=

（5）降水影响半径R取值：R = 2Sw

3.2.4 降水井数量计算

（1）管井的单井出水能力q0：q0=120π⋅rs⋅1⋅3k

（2）降水井的单井设计流量q应满足以下条件：q≤q0

（3）降水井的设置数量n：n=1.1·Q/q

3.2.5 地下水水位设计降深复核

根据设计要求，隧道设计范围内的地下水位的降深应满足设计要求，即Si≤Sd应用地下水动力学中的稳定流潜水完整井干扰井群公式：

（1）任意排列干扰井群公式：

式中：Qi——第i号井的单井流量（m/d）；

Sw,i——第i号井的水位降深（m）；

Si——i点（x1, y1）的水位降深（m）；

rij——计算点i（x1, y1）到j号井的距离（m）。

3.3 降水斜井施工操作要点

降水斜井管大样图如图3所示。

图3 降水斜井管大样图

（1）采用工程钻机成孔，成孔直径不少于300，成孔深度以到设计降深或者中风化岩面为准。

（2）井管采用桥式滤水管。为了保证井管周边有良好的透水性和防止泥沙渗入，应在井管壁外侧包2层20目尼龙网，外用6#铁丝绑扎，其间距不＞200 mm。

（3）滤管段洗井：采用机械洗井或化学洗井，洗井时应结合空气洗井直至水清砂净为止，以保证降水的效果。

（4）井壁与井管之间及管底以下1.5 m范围内用粒径为0.5～1 cm的圆砾或土工布填充。

（5）密封系统采用止浆袋及注浆相结合的方案，密封系统的下段采用止浆袋填塞密实，上段注入水灰比为0.5：1的水泥浆，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。

（6）该降水系统配备了不间断电源，以确保降水系统的连续流动，并防止因地下矿井的建设而导致泥浆流动。

（7）由于地下水位必须降低到较低位置，因此使用一般降水时可能不会降至预期水位。如有必要结合真空负压点降水，实现地铁矿井隧道的预定降水效果。

3.4 地下水位控制

降水的施工要求非常高。如果地下水位未控制在隧道底部以下，则无法确保安全和正常的施工。控制不当将导致严重后果，如隧道拱塌陷，泥浆和地面沉降。施工降水必须符合建设项目基坑的技术规范和地铁工程的相关规范。

地下水位控制应满足以下要求：

（1）按降水试验得出降水速度，进而统一计划安排降水施工时间确保隧道开挖前地下水位控制在隧道底部以下1.0 m。

（2）停止降水时，初期支护必须封闭成环。

（3）二次衬砌施工前，需恢复地下水位以便检测初期支护施工质量及渗漏情况，进而及时注浆修补。

（4）加强对地表及周边环境的监测，当出现沉降超标时，立即分析原因采取措施，控制沉降进一步发展，避免造成环境破坏。

（5）充分调查地质水文资料，降水进行详细计算并通过试验验证控制降水，在保证施工安全的前提下，尽可能少降地下水，减少对地下水资源的浪费，并降低用电消耗，节约能源。

3.5 施工监控量测

根据有关规定的要求，有必要监测地下水位变化，周围地面垂直位移、周围建筑物垂直位移、周围建筑物倾斜、周围建筑物宽度和表面裂缝、周围管道变形等。

（1）巡视检查。每天均应由专人进行巡视检查并做好记录，巡视以目测为主，可辅以锤、钎、量尺、放大镜等工器具以及摄像、摄影等设备。

（2）地下水位观测。

①降水工程需布置水位观测孔。沿线路两侧30～50 m布置1个水位观测孔。

②观测井采用工程钻机成孔，成孔直径Φ150 mm。井管采用Φ76 mm×2 mm钢管，管壁（滤管段）上布置孔眼，直径为Φ8@40 mm×40 mm，开孔率约12.5%，梅花形布置。采用化学方法或机械方法进行洗井，洗井应洗到水清砂净为止，以保证回灌效果。滤管段外包1层20目尼龙网，钢管与孔壁之间采用中粗砂滤料填充。密封系统采用止浆袋及注浆相结合，其下段采用止浆袋填塞密实，上段注入水灰比为0.5：1的水泥浆，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。

（3）周边环境观测。

①沿地下管线（燃气管、自来水给水管、雨水管线和污水管线等）及周边道路每15～20 m布置1个观测点。

②周边建筑四角、沿外墙每10～15 m处或每隔2～3根柱基上，且每侧不少于3个监测点。

③应通过代表性的裂缝来设置监测点，对于要观察的裂缝，应为每个裂缝布置至少两个监测点，并且应该位于裂缝的最宽部分和裂缝的末端。

④观测频率：在地铁施工时，每天观测1次，观测点布置可根据现场情况做适当调整。

（4）监测报警值。

①周边地表竖向位移、周边建筑竖向位移和周边管线竖向位移预警值为20 mm或变化速率连续3 d＞3 mm/d；

②周边建筑的裂缝宽度预警值为2 mm或裂缝持续发展；

③周边建筑倾斜的预警值为建筑整体倾斜度累计值达到2‰或倾斜速度连续3 d＞0.000 1 H/d（H为建筑承重结构高度）；

④地表裂缝宽度的预警值为15 mm或裂缝持续发展；

⑤地下水位变化的报警值为1 000 mm或变化速率大于500 mm/d。

4 结语

由中铁一局集团厦门建设工程有限公司承建的厦门轨道交通2号线一期工程TJ03-3项目，其中2个矿山法隧道区间采用地面降水辅助措施。

开工时间2016年9月，竣工时间2018年1月。施工中掌子面无涌水、涌泥、初支渗漏等现象。通过地面降水措施，提高了隧道的施工工效，缩短了施工工期；实现隧道内无水作业，降低了施工风险并有效地提高了隧道内的文明施工，从而有效地提升了企业品牌。随后，该工艺又在厦门地铁类似工程中应用。