北京地鐵富水隧道施工綜合降水技術(shù)探討

宋云財

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司,吉林長春130033)

0 概 述

城市軌道交通是現(xiàn)代化城市的一個重要標(biāo)志,地下鐵道目前已經(jīng)在我國許多大城市中進(jìn)行建設(shè)。在地鐵修建過程中,地鐵線路絕大部分處于地下水位以下[1-3],具有點多、線長、施工時間長的特點,對如何處理好施工中的地下水是一大難題,施工中如何進(jìn)行地下降水以確保地鐵正常施工以及如何遏制地下降水所導(dǎo)致的地面沉降,實質(zhì)上都?xì)w結(jié)為如何科學(xué)進(jìn)行施工中的降水問題。降水施工作為隧道開挖支護(hù)的輔助工程,是工程施工的難、重點之一,城市地下水系較復(fù)雜,降水質(zhì)量好壞直接決定著工程是否能進(jìn)行開挖,其降水效果的好與壞直接影響到開挖支護(hù)的安全與否,并影響到整個工程及周圍建筑物、地下管線及道路的安全,繼而影響工程質(zhì)量和工期[4-6]。由于地鐵沿線大多數(shù)在城市繁華街道下通過,單一的降水措施難以滿足開挖支護(hù)的需要。

北京地鐵四號線工程中關(guān)村—成府路區(qū)間位于北京大學(xué)東門、中關(guān)村北大街上。中關(guān)村北大街為雙向6機(jī)動車道和2條非機(jī)動車道以及2條人行道組成,總寬度為40 m。區(qū)間若采用井點降水對交通影響很大,同時井點降水施工產(chǎn)生的泥漿對周圍環(huán)境影響也較大。在這種情況下提出了輻射井施工工藝。使得上述問題迎刃而解。本文詳細(xì)闡述了在施工中采取輻射井降水、管井降水、洞內(nèi)管井降水等多種降水措施相結(jié)合的綜合降水技術(shù)。該綜合降水技術(shù)不僅解決了施工中占路難的問題,而且徹底解決了降水施工干擾居民生活的難題,為地鐵施工帶來了良好的社會效益。而且從掌子面開挖的情況來看達(dá)到了無水作業(yè)的要求,隧道內(nèi)環(huán)境良好,達(dá)到預(yù)期的效果。

1 工程地質(zhì)概況及工程特點

1.1 工程地質(zhì)概況

北京地鐵四號線十八標(biāo)段區(qū)間隧道洞身為馬蹄形結(jié)構(gòu),采用淺埋暗挖法施工。隧道頂板最大埋深12 m。隧道地層自上而下依次為人工填土、第四紀(jì)全新世沖洪積地層(在古清河故道地段分布有新近沉積層厚度約為10 m)、晚更新世沖洪積地層。剖面上沉積韻律分布比較明顯。基巖埋深即為第四系覆蓋層厚度,約為100 m～150 m。勘察所揭露地層最大深度為40.0 m,地層層序自上而下依次為:

(1)人工填土層(Qml);

(2)第四紀(jì)全新世沖洪積層(Q4lal+pl);

(3)第四紀(jì)晚更新世沖洪積層(Q3al+pl);

(4)區(qū)間隧道大多在第四紀(jì)全新世沖洪積層(Q4lal+pl)中,隧道拱部位于粉質(zhì)粘土③1、粉細(xì)砂③3、粉質(zhì)粘土④及粉土④2層中。

本工程場地位于永定河沖積扇的北部邊緣,古清河故道東側(cè)。原始地貌形態(tài)已人為改觀,地形較平坦。場地上方有行道樹、照明線路,地下分布有電纜、光纜、各種管道等。車站西南側(cè)有綠地,高出地面0.5 m～1.5 m。

1.2 水文地質(zhì)情況

本標(biāo)段所在地層中孔隙水按賦存條件分為上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水主要集中在含水層粉土③層,透水性一般,水位埋深為2.48 m～7.19 m。潛水集中在含水粉細(xì)砂③3層,水位埋深10.12 m～10.20 m。承壓水在卵石圓礫⑦及粉細(xì)砂⑦2層等強(qiáng)透水層中,滲透系數(shù)大,水位埋深為16.17 m～18.61 m。

1.3 工程難點

由于中～成區(qū)間地處北京中關(guān)村北大街,是連接北京市區(qū)與上地開發(fā)區(qū)要道,過往車流量極大。地面降水施工給交通帶來極大的困難。同時,中關(guān)村北大街沿線地下埋有大量的地下管線,有電信、電力、雨水、污水、熱力、燃?xì)獾裙芫€,為降水井井位的選擇帶來極大的困難。

2 城市地鐵施工綜合降水技術(shù)

2.1 方案選擇

考慮到實際的交通狀況,在中關(guān)村北大街上的降水采用輻射井施工方案,位于施工場地以內(nèi)的降水采用井點降水施工方案。根據(jù)隧道開挖狀況,如果隧道底部仍有明水出現(xiàn),則要采取隧道內(nèi)管井井點降水施工方案。

2.2 輻射井施工

2.2.1 輻射井豎井施工

輻射井豎井施工分為沉管法施工和錨噴法施工[7-8],根據(jù)場地情況和地層情況,選擇最合理的施工方法,達(dá)到最佳的施工目的。本工程采用錨噴法施工,其施工順序為:測量放線→開挖豎井圈梁土方→綁扎圈梁鋼筋→支立模板→澆筑圈梁混凝土→立龍門架→砌圍護(hù)墻、搭護(hù)欄→開挖豎井土方→安裝鋼格柵→噴射混凝土→豎井底板。

豎井采用逆作法施工,豎井施工應(yīng)逐榀開挖,豎井采用人工開挖龍門架垂直運(yùn)輸,開挖時分左右兩側(cè)進(jìn)行開挖,每次開挖一側(cè),嚴(yán)禁同時開挖兩側(cè),嚴(yán)禁整個墻體同時懸空。豎井的縱向聯(lián)接鋼筋為Φ 18@1000,單層,連接為搭接焊,焊縫長度為10d=180 mm。縱向聯(lián)接筋錨入圈梁和底板部分長度不小于800 mm,上下相臨格柵的間距為:自地面以下10 m為分界線,10 m以上鋼格柵上下間距為800 mm,10 m以下鋼格柵上下間距為600 mm。豎井井壁與底板相接處設(shè)鋼格柵一榀。豎井底板采用鋼格柵+300 mm厚C20現(xiàn)澆混凝土,鋼格柵縱橫間距均為1 000 mm,和豎井邊墻的連接滿足搭接倍數(shù)。豎井井口設(shè)置鎖口圈梁,鎖口圈梁結(jié)構(gòu)為C20現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2.2 輻射井水平井施工工藝

輻射井水平孔采用雙壁鉆桿水力反循環(huán)法施工,雙壁鉆桿水力反循環(huán)施工工藝成孔適用于粘性土、粉土、各種砂層及礫石地層,其成孔最大長度可達(dá)50 m。這種工藝能有效控制成孔超徑、流砂層塌陷等原因引起的地面沉降,其施工如圖1所示,施工流程見圖2。

(1)鉆機(jī)安裝:將鉆機(jī)置于厚10 mm的鋼板上,用升降機(jī)將鉆機(jī)下入豎井內(nèi)水平孔施工的深度,然后固定鋼板。調(diào)整好水平孔位置和鉆孔延伸方向后,利用豎井壁將鉆機(jī)固定。

圖1 輻射井水平孔雙壁鉆桿水力反循環(huán)法施工示意圖

圖2 管井施工工藝流程圖

(2)水平孔定位:水平井的標(biāo)高位置應(yīng)參照降水設(shè)計方案提供的水平孔位置圖,結(jié)合豎井施工過程中實際地層情況、含水層實際標(biāo)高確定。根據(jù)區(qū)間永中線控制點施放水平井井位和確定鉆孔延伸方向,正常情況下井位偏差≤30 mm,若遇特殊情況需調(diào)整井位或方向時,應(yīng)及時通知技術(shù)人員在現(xiàn)場調(diào)整。

(3)水平孔長度:水平井距離隧道結(jié)構(gòu)頂2 m以上時,水平孔長度按設(shè)計長度施工,若地層條件不能滿足,水平井位于隧道結(jié)構(gòu)頂以下時,水平井長度要適當(dāng)減少,到隧道外輪廓為止,不能穿透結(jié)構(gòu)。

(4)套管鉆進(jìn):通過雙壁鉆桿利用高壓水沖鉆進(jìn)將孔內(nèi)渣土從鉆桿內(nèi)排出,鉆進(jìn)過程中根據(jù)出渣量的情況控制水壓力和鉆進(jìn)速度,尤其是在卵礫石地層中,避免管內(nèi)殘留過多的巖屑。

(5)放入濾水管:鉆進(jìn)到設(shè)計深度后停鉆,利用高壓水力正循環(huán)方式將套管內(nèi)的殘渣清理干凈,然后將濾水管緩緩?fù)七M(jìn),濾水管接口部位要連接平整牢固,避免刮蹭套管,濾水管出口段要安裝節(jié)門。

(6)起拔套管:起拔套管前需下入一根頂桿將套管內(nèi)濾水管頂住,然后逐段拔出套管。拔套管期間要防止將濾水管帶出。

2.2.3 管井施工方法及技術(shù)要求

北京地鐵四號線工程中關(guān)村～成府路區(qū)間隧道管井施工方法如下:

(1)定井位:根據(jù)降水設(shè)計方案提供的井位圖、地下管線分布圖及甲方提供的坐標(biāo)控制點,并參照車站或區(qū)間永中線控制點施放降水井井位。正常情況下井位施放偏差≤20 mm,若遇特殊情況(比如地下障礙、地面或空中障礙)需調(diào)整井位時,及時通知技術(shù)人員在現(xiàn)場調(diào)整,井間距根據(jù)圖紙,可適當(dāng)調(diào)整≯130%。為保證安全,定出井位后挖2.5 m探坑以查明井位處有無地下管線、地下障礙物,挖探坑的平面尺寸應(yīng)和鉆孔鋼護(hù)筒相近(稍大一點),探坑深度必須以挖(或釬探)到地層原狀土為準(zhǔn)。

(2)埋設(shè)護(hù)筒:為避免鉆進(jìn)過程中循環(huán)水流將孔口回填土沖塌,鉆孔前根據(jù)現(xiàn)場實際情況埋設(shè)鋼護(hù)筒。護(hù)筒外徑0.8 m,深度視地層情況而定。在護(hù)筒上口設(shè)進(jìn)水口,并用粘土將護(hù)筒外側(cè)填實。護(hù)筒必須安放平整到位,護(hù)筒中心即為降水井中心點。

(3)壘砌泥漿池:為保證鉆進(jìn)過程中水流循環(huán)及保存鉆孔出渣,在施工路面降水井時,在路面壘砌不小于鉆孔體積1.5倍泥漿池以保證鉆機(jī)的正常作業(yè)。

(4)鉆機(jī)就位、調(diào)整:鉆機(jī)就位時調(diào)整鉆機(jī)的底座水平和鉆塔垂直,并用機(jī)臺木墊實,鉆機(jī)對準(zhǔn)孔位后鉆機(jī)安放要平穩(wěn)、鉆桿垂直,對位偏差不大于5 cm。

(5)鉆孔:在鉆孔過程中保證孔內(nèi)泥漿保持一定水頭高度,防止孔壁坍塌。在地層條件允許的情況下,盡量使用地層自造泥漿成孔,若鉆孔通過易塌孔的流砂層或泥漿漏失嚴(yán)重的地層時,用人工拌制泥漿護(hù)壁鉆進(jìn),泥漿比重控制范圍1.10～1.30。

(6)井深控制:井深以設(shè)計井底標(biāo)高控制,施工前先測量出井口標(biāo)高,計算出設(shè)計井深,成孔時以測繩量測井深,成井深度不小于設(shè)計井深。

(7)井管安裝:井管采用無砂水泥管,下井管時檢查井管接頭部位有無缺損裂紋,嚴(yán)禁“帶傷”井管下入井內(nèi)。井管外用尼龍網(wǎng)裹嚴(yán),以免擠入泥沙淤塞井管,為防止井管錯位,用竹條豎向固定井管。

(8)井管吊放:吊放井管要垂直輕放,并保持井管處在井孔中心,為防止雨水泥砂或異物流入井中,井管要高出地面不小于200 mm,封住井口臨時保護(hù)。

(9)填礫料:井管下入后立即填礫料,礫料沿井壁與井管間均勻連續(xù)填入,將稀泥漿擠出井孔,填礫料時,隨填隨測礫料填入高度,礫料保證規(guī)格質(zhì)量,含泥粉的礫料必須過篩后再用,填礫時,嚴(yán)禁車裝沖填,以免沖撞井管產(chǎn)生歪斜及中間堵塞,填入礫料數(shù)量應(yīng)與計算數(shù)量相符,否則查明原因,及時補(bǔ)救(實際填料量不小于95%理論計算量)。洗井時發(fā)現(xiàn)礫料下沉,應(yīng)及時補(bǔ)填礫料,以免在井壁于井管間產(chǎn)生空洞,出現(xiàn)后期涌泥涌砂現(xiàn)象,上部3米采用粘土封填。

(10)洗井:成井后及時進(jìn)行洗井,洗井采用移動式空壓機(jī),洗井順序為由上而下。洗井過程中將漿液排放至現(xiàn)場沉淀池進(jìn)行沉淀,達(dá)到水清砂凈以后,方可下泵進(jìn)行試抽水排入市政管道,如發(fā)現(xiàn)井內(nèi)不出水或水量不達(dá)標(biāo)的死井,及時與設(shè)計聯(lián)系進(jìn)行補(bǔ)井,每個管井施工完成后應(yīng)填寫管井施工記錄。

(11)抽降水:降水水位應(yīng)達(dá)到基坑底板以下0.5 m～1.5 m以下,降水人員應(yīng)按要求觀測水位,降水前測量各井自然水位,降水前期一個月內(nèi)一天一測,之后三天一測,雨天過后需加強(qiáng)觀測,及時了解水位變化情況,并根據(jù)水位變化情況調(diào)整開泵地段和開泵數(shù)量。定時巡視降水系統(tǒng)的運(yùn)行情況,及時發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)運(yùn)行的故障和隱患,如:水泵抽水情況、供電線路情況、排放水的含沙情況等等。

管井施工技術(shù)要求:

(1)井位施放時必須詳細(xì)調(diào)查核實場區(qū)地下分布情況,當(dāng)無法確定時可采用人工開孔的方法,當(dāng)確認(rèn)地下無各種管線后方可施工。

(2)為避開各種障礙物,降水井間距可作局部調(diào)整,但最大間距不應(yīng)超過設(shè)計井距的130%,且降水井總量不得減少。

(3)站體或局部開挖施工前,降水井的布設(shè)應(yīng)已形成封閉或超前2倍基槽寬度。

(4)井身結(jié)構(gòu)誤差要求:井徑誤差±20 mm;垂直度誤差≤1%;井深誤差±200 mm。

(5)成井采用反循環(huán)方式成井,若降水井遇較大卵石不能成井時,采用沖擊鉆成井,成孔后由現(xiàn)場質(zhì)檢員量測井深,監(jiān)理抽查檢驗,符合設(shè)計要求方可提鉆。

(6)填料要求:填料為粒徑2～4 mm的硬圓狀礫料,嚴(yán)禁使用片狀、針狀的石屑,要避免填料速度過快或不均造成濾管偏移及礫料在孔內(nèi)架橋現(xiàn)象,管井洗井及抽排水過程濾料下沉?xí)r應(yīng)及時補(bǔ)填礫料。要求首次實際填礫量不小于理論計算量95%。

(7)洗井要求達(dá)到水清砂凈,下管、填料完成后立即進(jìn)行洗井,洗井要從上至下分層進(jìn)行,直至水清砂凈。特殊情況如上路施工,成井-洗井間隔不能超過24 h。當(dāng)常規(guī)洗井效果不好時,可加洗井劑浸泡后再洗井。

2.2.4 隧道內(nèi)管井降水

隧道內(nèi)管井降水原理同地面管井降水,當(dāng)隧道在開挖支護(hù)過程中遇到明水時要采取的方法。沿隧道前進(jìn)的方向每隔5 m,施工一眼管井,深度為2～3 m。管井施工完成后,將地下水抽至豎井通過豎井排至地面。

2.3 施工排水方案及效果

施工排水工藝流程為:施工準(zhǔn)備→測量放線→施工管溝→焊接排水鋼管→砌筑暗井井室→將管道下入管溝→焊接支管→回填 →夯實。

區(qū)間采用的是輻射井降水的方法,共設(shè)計輻射井18口,下入水泵的泵量根據(jù)水平井的出水情況而定,豎井內(nèi)水位需降至隧道底板以下0.5 m,水管尺寸和類型應(yīng)以滿足順暢排水和抗壓要求為前提,因輻射井位置分散相對較遠(yuǎn),采用單井單排的方法,每口井內(nèi)的水直接用泵管排入就近的市政雨水管內(nèi)。排水管線暗埋于地下。暗埋管線深度應(yīng)大于北京地區(qū)凍土深度。

采取綜合降水施工后(見圖3),隧道開挖及支護(hù)都能夠達(dá)到無水作業(yè),作業(yè)掌子面干燥。有利于現(xiàn)場施工。有效的控制了地面沉降(見圖4)。

圖3 輻射井降水施工完成后效果圖

圖4 輻射井降水完成后隧道開挖

3 結(jié) 論

降水施工作為隧道開挖支護(hù)的輔助工程,其降水效果的好與壞直接影響到開挖支護(hù)的安全與否。由于地鐵沿線大多數(shù)在城市繁華街道下通過,單一的降水措施難以滿足開挖支護(hù)的需要。由中鐵十三局集團(tuán)有限公司承建的四號線十八標(biāo)段地處北京大學(xué)東門、中關(guān)村北大街上,其地理位置十分重要。該標(biāo)段地處高校旁邊,且位于繁華的中關(guān)村北大街之上。單一的降水施工技術(shù)難以實現(xiàn)預(yù)期的降水效果,提出的輻射井、隧道內(nèi)管井降水以及井點降水的綜合降水技術(shù)不僅解決了施工中占路難的問題,而且徹底解決了降水施工干擾居民生活的難題,為地鐵施工帶來了良好的社會效益。而且從掌子面開挖的情況來看達(dá)到了無水作業(yè)的要求,隧道內(nèi)環(huán)境良好,達(dá)到預(yù)期的效果。

[1]薛禹群.地下水動力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1986:3-5.

[2]陳崇希.地下水不穩(wěn)定井流計算方法[M].北京:地質(zhì)出版社,1983:2-4.

[3]葉水庭,等.地下水文學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,1991:3-7.

[4]于學(xué)馥,鄭穎人,劉懷恒.地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983:11-19.

[5]Ktenneth W.Cargill,M.ASCE,Prediction of consolidation ofverysoft soil[J].Journal of Geot.Eng.,1984,110(6):362-239.

[6]許春枝,陳彥群,李玉棟.城市深大基坑降水方法研究[J].中國煤田地質(zhì),2005,17(2):21-24.

[7]史文杰.飽和粉質(zhì)砂土內(nèi)淺埋暗挖法施工降水技術(shù)[J].隧道建設(shè),2005,25(2):34-35.

[8]呂勤,熊軍.管井降水在深基坑工程中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2005,(2):71-72.