北京地鐵頤和園站管井降水技術(shù)

溫繼偉，陳寶義，許 暉

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

北京地鐵頤和園站管井降水技術(shù)

溫繼偉1，陳寶義1，許 暉2

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130026;2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

降水工程在地鐵建設(shè)過(guò)程中具有舉足輕重的作用，將直接影響地鐵工程的工期及安全，對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量影響頗大。基坑開(kāi)挖過(guò)程中很可能產(chǎn)生基坑底的突涌，引發(fā)安全事故。因此，施工前必須采取合理有效的地下水控制措施，防止土的滲透變形、突涌等不良作用對(duì)基坑邊坡、底部造成影響，保證施工安全。管井降水是目前北京地鐵工程降水中應(yīng)用最廣泛的一種方法。結(jié)合工程實(shí)例對(duì)管井降水的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)等一系列問(wèn)題進(jìn)行了研究。

管井降水;降水設(shè)計(jì);降水施工;降水監(jiān)測(cè);處理措施

地鐵建設(shè)過(guò)程中降水工程是一個(gè)系統(tǒng)工程，直接影響整個(gè)工程的工期及安全，對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量影響很大，必須認(rèn)真對(duì)待并加以解決。

1 工程概況

頤和園站位于北京市圓明園西路和頤和園路交叉點(diǎn)東側(cè)的頤和園路上，大致呈東西走向，該站為雙層島式車站。車站中心里程為 K25+235，總長(zhǎng)181.2 m，寬20.5 m，車中軌面高程為31.636 m。在站體東西端設(shè)置兩組風(fēng)亭，南北兩側(cè)設(shè)3個(gè)出入口。除1號(hào)、3號(hào)出入口通道采用暗挖法施工外(出口位置明挖)，車站其余位置結(jié)構(gòu)施工均采用明挖法施工，場(chǎng)區(qū)地面標(biāo)高45.88 m。

1.1 場(chǎng)區(qū)地層情況

此次勘察揭露地層最大深度為50.0 m，地層層序自上而下依次為:人工填土層，該層總厚為0.4～4.0 m，層底標(biāo)高為40.73～49.29 m;新近沉積層，包括粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、中粗砂、卵礫石，該層最大厚度為10.4 m，層底標(biāo)高為33.64～47.29 m;第四系全新世沖洪積層，包括粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、粉土，最大厚度為7.6 m，層底標(biāo)高為31.99～36.29 m;第四系晚更新世沖洪積層，包括卵礫石、中粗砂，最大厚度為7.0 m，層底標(biāo)高為28.70～32.52 m;粉質(zhì)粘土、粘土、粉土、細(xì)中砂，總層厚為0.6～13.8 m，層底標(biāo)高為20.38～30.13 m;卵礫石、粉細(xì)砂，總層厚為2.2～13.4 m，層底標(biāo)高為13.80～24.13 m;粉質(zhì)粘土、粘土、粉土、細(xì)中砂，最大厚度8.6 m，層底標(biāo)高為5.29～13.72 m。

1.2 場(chǎng)區(qū)地下水情況(見(jiàn)表1)

1.3 地下水影響分析

通過(guò)對(duì)地層剖面圖和車站各部位結(jié)構(gòu)底標(biāo)高的分析，站體明挖基坑將穿過(guò)第一層含水層、第二層含水層，加深段基坑底第三含水層頂板剩余厚度約4.20 m，第三層承壓水頭，高出槽底約3.90 m，滿足抗浮要求;一號(hào)風(fēng)亭風(fēng)道基坑僅穿越或大部分穿越第一含水層，二號(hào)風(fēng)亭風(fēng)道基坑完全穿越第一含水層、加深段揭穿第二含水層中上部;出入口通道一般段穿越第一含水層，局部加深的集水井、電梯井將進(jìn)入第二含水層上部。因此，站體基坑開(kāi)挖主要受第一層和第二層地下水影響，需要基本疏干該兩層地下水;一號(hào)風(fēng)亭施工僅受第一層地下水影響，應(yīng)將該層地下水基本疏干;二號(hào)風(fēng)亭和3個(gè)出入口通道施工受第一和第二層水影響，應(yīng)將第一層地下水基本疏干，并降低第二層地下水承壓水頭至槽底下0.50 m以下。圖1為頤和園站降水范圍示意圖。

表1 場(chǎng)區(qū)地下水特征表

2 管井降水

2.1 降水工程設(shè)計(jì)

2.1.1 基坑涌水量計(jì)算

車站降水涌水量計(jì)算時(shí)，一般概化為面狀基坑，本基坑涌水量計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 頤和園站降水范圍示意圖

表2 頤和園站降水計(jì)算參數(shù)表

(1)潛水完整井基坑涌水量計(jì)算(參見(jiàn)圖2):

圖2 潛水完整井基坑涌水量計(jì)算模型

式中:Q——基坑涌水量，m3/d;K——滲透系數(shù)，m/d;H——潛水含水層厚度，m;S——基坑水位降深，m;R——基坑降水影響半徑，從基坑中心算起(R=R0+r0)，m;r0——基坑等效半徑，m。

其中，r0的求法有3種:

①對(duì)于長(zhǎng)寬比不大于5的不規(guī)則形狀基坑概化為圓形基坑:

式中:F——基坑面積，m2。

②矩形基坑化為圓形基坑:

式中:μ——概化系數(shù);L——基坑長(zhǎng)度，m;B——基坑寬度，m。

③平方根算法(參見(jiàn)圖3):

圖3 平方根算法示意圖

式中:rn——第n口井中心與基坑中心的距離。

圖4 承壓水完整井基坑涌水量計(jì)算模型

(2)承壓水完整井基坑涌水量計(jì)算(參見(jiàn)圖4):

式中:M——承壓含水層厚度，m;其余同上。

2.1.2 管井單井出水量

在降水設(shè)計(jì)中，單井出水量應(yīng)小于單井出水能力，降水管井出水能力應(yīng)選擇群井中水位干擾影響最大的井，按下式確定:

式中:q——管井出水能力，m3/d;d——過(guò)濾器外徑，mm;α'——與含水層滲透系數(shù)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù);l'——過(guò)濾器淹沒(méi)段長(zhǎng)度，m。

2.1.3 降水井井深、數(shù)量及間距

降水井設(shè)計(jì)井深為:

式中:Hw——降水井深度，m;Hw1——基坑深度，m;Hw2——降水水位距離基坑底要求的深度，m;Hw3——ir0;i——水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/ 15;r0——降水井分布范圍的等效半徑或降水井排間距的1/2，m;Hw4——降水期間的地下水位變幅，m;Hw5——降水井過(guò)濾器工作長(zhǎng)度，m;Hw6——沉砂管長(zhǎng)度，m。

布設(shè)管井的數(shù)量根據(jù)基坑總排水量與單井出水量計(jì)算。群井抽水時(shí)單井干擾抽水量要小于單井出水能力，計(jì)算時(shí)應(yīng)采取單井干擾抽水量。井?dāng)?shù)為:

式中:Q——基坑總涌水量，m3/d;q——單井干擾抽水量，m3/d。

管井間距為:

式中:L——基坑周長(zhǎng)。

根據(jù)上述分析，對(duì)降水工程中所涉及的各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.1.3.1 站體單井出水能力計(jì)算

設(shè)單位長(zhǎng)度過(guò)濾器時(shí)單井出水量為q0，降水井井徑為600 mm，井管管徑為400 mm，計(jì)算得q0=522 m3/d，則所需過(guò)濾器總長(zhǎng)度為:

考慮到單井出水能力和控制井間距，設(shè)計(jì)采用額定出水量為120 m3/d的泵抽水，則所需降水井?dāng)?shù)量n=1.1Q/q=68眼，根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)和地面布井條件，考慮井間距為7～8 m，主站體和風(fēng)亭、風(fēng)道的實(shí)際布井?dāng)?shù)86眼。

2.1.3.2 優(yōu)化方案調(diào)整

以上述理論計(jì)算初步確定的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，以車站站體地下結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)的潛水水位降深S≥6.5 m(考慮疏干)為約束條件，利用群井抽水計(jì)算模型，進(jìn)行群井抽水的情況下，多種配井方法的總排水量、開(kāi)泵數(shù)量、各點(diǎn)水位降深的優(yōu)化方案比較，計(jì)算結(jié)果為:在實(shí)際開(kāi)泵井?dāng)?shù)73眼的情況下，其水位降深均能滿足要求，總排水量為8760 m3/d。對(duì)北側(cè)2個(gè)出入口也按相同井間距和泵型布井，車站、風(fēng)亭、風(fēng)道、出入口通道共布井124眼。

根據(jù)上述計(jì)算分析，本站設(shè)計(jì)采用封閉式管井井點(diǎn)降水方案，可將降水管井沿明挖基坑周邊呈封閉狀布設(shè)，降水井距基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外皮1.5～2.0 m距離。由于場(chǎng)區(qū)第一層潛水埋深很淺，并和地表水體有一定的水力聯(lián)系，因此排水管線的出口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離抽水區(qū)域，并選擇往下游方向排水。

該場(chǎng)區(qū)降水設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

2.2 降水工程施工

管井降水施工工藝流程如圖5所示。

表3 頤和園站降水設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖5 管井施工工藝流程圖

管井施工一般采用沖擊鉆進(jìn)法(頓鉆法)、泵吸反循環(huán)法及旋挖法3種施工工藝。其中，以泵吸反循環(huán)法的應(yīng)用最為廣泛，井孔垂直度應(yīng)控制在1%以內(nèi)。

2.2.1 降水排水設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)排水管主管(集水管)采用φ219 mm鋼管，支管采用φ89 mm鋼管。本站位于頤和園路南側(cè)的站體、風(fēng)亭風(fēng)道、二號(hào)出入口通道結(jié)構(gòu)施工為明挖，降水井均布置在結(jié)構(gòu)施工圍擋內(nèi)，因而集水管、排水管采用明鋪方式;一號(hào)、三號(hào)出入口通道橫穿頤和園路下，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。所有排水管線直接鋪設(shè)在降水井的外側(cè)，并做防銹處理和冬季保溫措施。水從支管流經(jīng)主管匯到雨水井，排水井要做一工作井，采取暗埋方式。本站布置了3個(gè)排水口，可供車站降排水時(shí)使用。

2.2.2 降水配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頤和園站降水方案設(shè)計(jì)共有降水井124眼。根據(jù)計(jì)算采用QD6－35/2－1.5型潛水泵作為降水用泵。降水用電總功率為200 kW，考慮到降水井較多且距離較遠(yuǎn)，總電源由3個(gè)地點(diǎn)提供，分別在車站的南側(cè)及北側(cè)，引入后進(jìn)入一級(jí)配電箱構(gòu)成兩路電源的總控制系統(tǒng)，然后均衡地分配給二級(jí)配電箱來(lái)對(duì)各降水井點(diǎn)進(jìn)行控制。線路所經(jīng)過(guò)的地段如遇到公路或路面施工場(chǎng)地需采取穿鋼管暗埋敷設(shè)，埋深≮750 mm。所用兩級(jí)配電箱均采用正規(guī)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品并帶有漏電保護(hù)裝置，線路全部采用TN－CS保護(hù)系統(tǒng)。電纜全部采用YC型銅芯橡膠護(hù)套絕緣電纜。配電箱需編號(hào)，加裝安全柵欄，懸掛警示標(biāo)牌，并做防雨措施。明敷線路需架空。如有些降水井在抽水期間由于受外界環(huán)境的限制(如公路)不易觀察，對(duì)降水用水泵在井下的工作狀況不能及時(shí)掌握，因此須加裝自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。可對(duì)總出水量、井內(nèi)水位、水泵電機(jī)功率等及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。為防止在抽水期間發(fā)生意外停電事故，現(xiàn)場(chǎng)需有備用電源(發(fā)電機(jī)、二路供電系統(tǒng))并配有自動(dòng)切換裝置。

2.2.3 降水施工圍擋方案

本站頤和園路以南的結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，該部分降水井可在結(jié)構(gòu)施工圍擋內(nèi)布設(shè)，直接利用結(jié)構(gòu)施工圍擋進(jìn)行降水施工。一、三號(hào)出入口通道橫穿頤和園路段的降水井應(yīng)實(shí)行分段臨時(shí)圍擋施工，每次圍擋占路寬度約一個(gè)半車道。每段施工完后應(yīng)立即拆除圍擋并恢復(fù)路面。

2.2.4 降水沉降分析

當(dāng)群井降水時(shí)，計(jì)算降水影響半徑為105.2 m，在降水影響范圍內(nèi)沒(méi)有高大建筑物和重要古建筑，因此不作高大建筑物監(jiān)測(cè)。在站體兩側(cè)和兩端布設(shè)6個(gè)地面沉降點(diǎn)，以觀測(cè)降水對(duì)地面的影響。本站共布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)。

2.3 降水工程的輔助、補(bǔ)救措施

降水工程是一項(xiàng)受多種因素影響較大的工程，即使較為完善的降水工程設(shè)計(jì)往往在工程實(shí)施過(guò)程中還需做多次調(diào)整。

2.3.1 建立地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)

由于降水期較長(zhǎng)，降水使場(chǎng)區(qū)地下水均衡關(guān)系發(fā)生較大變化，必然對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。為了較準(zhǔn)確地掌握?qǐng)鰠^(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)采取必要的處理措施，在降水工程實(shí)施的同時(shí)，應(yīng)建立地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)掌握以下原則:

(1)在抽水影響半徑以內(nèi)呈放射狀布設(shè)觀測(cè)孔;

(2)抽水影響半徑以內(nèi)的高大建筑物、古建筑、危改類建筑與抽水系統(tǒng)之間布設(shè)觀測(cè)孔;

(3)不同含水層位布分層觀測(cè)孔，取水樣孔。

地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供的資料有:地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地下水質(zhì)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、各站和區(qū)間的排水量數(shù)據(jù)及排水含砂量數(shù)據(jù)。

2.3.2 建立沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)

在降水工程實(shí)施之前，要根據(jù)降水設(shè)計(jì)中計(jì)算的抽水影響范圍結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)一定范圍內(nèi)的典型建筑(高大建筑、重要建筑及古建筑等)布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在抽水期間要進(jìn)行連續(xù)沉降監(jiān)測(cè)，若累計(jì)沉降量接近預(yù)警值(根據(jù)不同類型建筑確定的不同預(yù)警值)時(shí)，及時(shí)上報(bào)施工單位采取必要措施。

2.4 局部異常水處理措施

(1)當(dāng)遇到地下不明構(gòu)筑物時(shí)不要盲目破壞，先查明構(gòu)筑物性質(zhì)，然后探明是否含水;

(2)當(dāng)確定地下構(gòu)筑物含水時(shí)，應(yīng)先查明是否有補(bǔ)給水源，切斷其補(bǔ)給源(引排或封堵)，然后將其中的水抽出排走;

(3)當(dāng)以上工作需在基坑或隧道內(nèi)進(jìn)行時(shí)，應(yīng)事先準(zhǔn)備好臨時(shí)支護(hù)及緊急排水設(shè)施后方可進(jìn)行。

2.5 潛水殘留水處理

由于受潛水含水層底板凹凸不平的影響，或存在局部粘性土夾層，在含水層底部會(huì)產(chǎn)生殘留水，這部分水若處理不好將帶出地層中大量細(xì)顆粒物質(zhì)，使基槽邊坡土擾動(dòng)出現(xiàn)坍塌，影響基槽開(kāi)挖和基礎(chǔ)施工。出現(xiàn)這種情況時(shí)，為了防止坑壁塌方，應(yīng)放慢挖槽速度，及時(shí)在坑壁做盲管導(dǎo)流，并在槽邊挖盲溝集水，再將集水排走。導(dǎo)流盲管一般采用長(zhǎng)0.5 m的φ25 mm塑料管，做成花管并纏80目尼龍紗網(wǎng)。盲溝一般貼坑壁挖，寬300 mm，深300 mm。為了防止水流將基坑底細(xì)顆粒物質(zhì)帶走造成基底土擾動(dòng)，應(yīng)在盲溝中填φ4～6 mm礫石。

2.6 局部深部的承壓水影響分析及處理

本次降水初步設(shè)計(jì)是在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行的，對(duì)地下站體、風(fēng)亭豎井及通道的局部加深情況了解不夠，因此當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部加深段時(shí)，必須要針對(duì)承壓水的影響進(jìn)行專項(xiàng)分析。若設(shè)計(jì)的周邊降水井能力已無(wú)法滿足加深部分的降水要求時(shí)，可在車站站體內(nèi)(洞內(nèi)或槽內(nèi))針對(duì)加深的部位專門設(shè)計(jì)降水井，抽水結(jié)束后對(duì)降水井必須進(jìn)行封堵處理。

2.7 降水工程的環(huán)境保護(hù)及處理措施

2.7.1 地面沉降防治措施

當(dāng)通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)建筑物沉降已達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)查明引起沉降的具體原因，若確認(rèn)是因降水所引起時(shí)，應(yīng)馬上采取回灌措施。在沉降區(qū)域施工回灌井，回灌井與降水井之間的距離必須大于5.0 m，回灌方案的具體設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑物的沉降情況來(lái)確定。

2.7.2 地下水污染防治

防治污染的首要原則是不能再加劇淺層地下水的污染，因此降水設(shè)計(jì)中以“抽－排”方式為主，將上層滯水和潛水通過(guò)降水井從地下抽出，然后排入市政雨、污水管道。為及時(shí)掌握?qǐng)鰠^(qū)地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)的變化情況，應(yīng)委托專業(yè)單位對(duì)降水區(qū)域的地下水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，進(jìn)一步確定降水區(qū)域的淺層水是否被加劇污染，以制定相應(yīng)的治理措施。

2.8 降水井的后期處理

降水管井在完成其使用目的后，首先切斷供抽水用電源，拆除井下水泵、電纜、泵管，采用石屑填入井管內(nèi)，回填高度為至井口2.0 m。利用井孔內(nèi)存水使之飽和，依靠自重壓實(shí)。當(dāng)井孔內(nèi)存水不能使回填石屑飽和時(shí)，應(yīng)邊回填邊注水。距井口2.0 m以上應(yīng)采用C15素混凝土回填，并人工搗實(shí)。近地表部分按原地貌恢復(fù)。混凝土應(yīng)在回填石屑后間隔3天再回填。當(dāng)降水工程結(jié)束后，應(yīng)按市政管理的有關(guān)規(guī)定，將暗埋的排水管、電纜等挖出之后，分層回填級(jí)配砂石，并分層夯實(shí)到規(guī)定的高度后，填300 mm厚的無(wú)機(jī)料，然后鋪柏油。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，在本工程中采用上述方案完全能夠滿足施工中對(duì)降水的要求，能夠保證施工的安全。地鐵施工中降水是一個(gè)系統(tǒng)工程，必須認(rèn)真對(duì)待并加以解決，保證降水成功，推動(dòng)工程施工順利有序地進(jìn)行。對(duì)于地鐵暗挖隧道區(qū)間施工過(guò)程，管井降水在多年的工程實(shí)踐中對(duì)于解決涌水量大、土體遇水軟化、開(kāi)挖易發(fā)生涌砂、涌泥現(xiàn)象的地段取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。由于其施工簡(jiǎn)便，降水效果良好且工程造價(jià)相對(duì)低廉，是目前北京地鐵工程降水中應(yīng)用最廣泛的一種方法。

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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

溫繼偉(1988－)，男(漢族)，河北萬(wàn)全人，吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院博士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事巖土工程、巖土鉆鑿工藝及機(jī)具等方面的研究工作，吉林省長(zhǎng)春市吉林大學(xué)北區(qū)三舍518室，yuhouxingchen777@163.com。