北京地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間泵房設(shè)計及施工的若干建議

楊壯志

(中鐵隧道勘測設(shè)計研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(gòu)區(qū)間廢水泵房是地鐵排水系統(tǒng)的重要組成部分，多位于線路最低點(diǎn)。在承壓水層中，施工難度及風(fēng)險較大，施工前必須進(jìn)行地下水處置。地下水處置方式主要有3種:1)深孔注漿，設(shè)置止水帷幕;2)地面降水;3)凍結(jié)法。深孔注漿設(shè)置止水帷幕是常規(guī)措施，文獻(xiàn)［1－4］對不同地區(qū)、不同地層、不同工藝的深孔注漿止水措施均有詳細(xì)的論述;但對北京地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間泵房這一特殊施工部位的注漿止水研究不多，特殊性認(rèn)識不足，而北京地區(qū)泵房設(shè)置很廣泛，近年的事故教訓(xùn)也比較典型。地面降水是穩(wěn)妥方案，但是考慮到北京繁華城區(qū)地面環(huán)境的復(fù)雜性及相對強(qiáng)勢的部分產(chǎn)權(quán)單位，多數(shù)方案難以實(shí)施。針對凍結(jié)法，上海地區(qū)應(yīng)用較為成熟，廣州、天津、武漢等其他地區(qū)也有成功的實(shí)踐，文獻(xiàn)［5－6］有部分介紹，而北京地區(qū)除了復(fù)八線個別工點(diǎn)有應(yīng)用外，大量應(yīng)用該方案的時間較晚，尤其是北京地區(qū)地層與其他地區(qū)有明顯的差異，能否成功凍結(jié)地層，曾有較大的分歧。同時，也必須注意到泵房自身的設(shè)計狀態(tài)，尤其是埋深的大小，直接決定著地下水處置的難度;因此，本文就泵房自身設(shè)置的優(yōu)化、止水方案的應(yīng)用情況予以分析，以期盡量降低泵房止水開挖風(fēng)險。

1 泵房設(shè)計尺寸的優(yōu)化

1.1 泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀

目前北京地鐵部分工點(diǎn)泵房尺寸如表1所示。其中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度基本為250 mm，二次襯砌厚度大部分為400 mm，個別為300 mm。

從表1可以看出，各區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵房結(jié)構(gòu)中，泵房凈長度取值為3.2～5.5 m，凈寬度一般控制在2.0～2.5 m，深度一般控制在3.5～4.5 m，泵房凈容積為25～35 m3，有效容積為15～18 m3。

1.2 泵房尺寸設(shè)計優(yōu)化分析

區(qū)間隧道的排水泵站主要用于排除隧道結(jié)構(gòu)滲水、沖洗廢水及消防廢水［7］，泵房的設(shè)計滿足實(shí)際工程需要即可，若對來水量估計過高，尺寸設(shè)計過大，埋深過深，勢必會增加承壓水頭高度，人為增大地下水處理難度和施工風(fēng)險。這里考慮通過調(diào)整泵房的尺寸，尤其是減小埋深，以主動降低開挖風(fēng)險。

泵房的尺寸設(shè)計主要考慮以下方面。

1.2.1 排水設(shè)備的水位要求

1)最低水位。污水泵主要分為臥式泵、立式泵、潛污泵［8］。不同水泵機(jī)組的停泵水位不同，一般取決于不同類型水泵吸水喇叭口的安裝條件以及葉輪的淹沒深度，確定的最低水位應(yīng)該同時滿足不高于按照集水池最高水位和有效容積推算出的最低水位，以及管道、泵站養(yǎng)護(hù)管理需要的最低水位［9］。

2)啟動水位。需滿足水泵機(jī)組自動控制時每h開動水泵不得超過6次的規(guī)范要求［10］，因此，單泵啟動水位到最低水位之間水體的體積至少要滿足最大一臺水泵最短工作周期(10 min)出水量的要求。

3)最高水位。一般指泵站在正常運(yùn)行情況下，進(jìn)水達(dá)到設(shè)計流量時的集水池水位。實(shí)際設(shè)計中，對于小型污水提升泵站一般取進(jìn)水干管管底標(biāo)高［11］。

1.2.2 泵房的有效容積

泵房有效容積指從最高水位到最低水位之間的體積。泵房的有效容積應(yīng)根據(jù)具體工點(diǎn)的設(shè)計參數(shù)(結(jié)構(gòu)滲水量、軌道沖洗水量、消防廢水量及排水泵的排水能力)，經(jīng)計算綜合確定，理論上是個估計值。實(shí)際設(shè)計中，區(qū)間泵房廢水池"有效容積不應(yīng)小于最大一臺泵15～20 min的出水量"(根據(jù)不同排水設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，出水量為25～30 m3/h)，以此計算實(shí)際區(qū)間廢水泵房的有效容積達(dá)到6～10 m3即可滿足規(guī)范要求。設(shè)計單位一般有參考的取值范圍，有的設(shè)計單位取值稍小，為15 m3;有的設(shè)計單位取值較大，為30 m3，標(biāo)準(zhǔn)不一。根據(jù)文獻(xiàn)資料，在上海地鐵9號線的設(shè)計中，考慮到地質(zhì)情況的極大風(fēng)險，區(qū)間廢水泵站的集水池有效容積均按照6～8 m3設(shè)計，目前全線均正常運(yùn)營［11］。

1.3 泵房尺寸設(shè)計優(yōu)化建議

根據(jù)上述情況，建議通過以下2種方案來進(jìn)行泵房的尺寸優(yōu)化。

1)在保證泵房有效容積的前提下，通過優(yōu)化排水設(shè)備，降低各特征水位，以減小泵房的開挖深度。假設(shè)泵房有效容積為15 m3，平面尺寸根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)均可取較大值，則泵房凈長度取4 m，凈寬度取2.5 m，保證泵房有效容積所需高度為1.5 m，加上初期支護(hù)及結(jié)構(gòu)高度0.65 m，根據(jù)表1(目前泵房開挖高度最少3.5 m)進(jìn)行計算，得出近1.5 m的調(diào)整空間(根據(jù)實(shí)際案例，泵房開挖的最后1 m風(fēng)險較高，調(diào)整很有必要)。

2)優(yōu)化泵房設(shè)計，針對泵房的啟動水位和特征水位，設(shè)置變深泵房，在泵房開挖過程中僅對局部進(jìn)行加深，最大限度地降低泵房開挖風(fēng)險。

2 泵房的地下水處置方案

2.1 地面降水

主要是以常用的地面管井降水為主，洞內(nèi)深孔注漿加固為輔的加固方案(輔助的深孔注漿措施主要是為了充填因盾構(gòu)區(qū)間補(bǔ)充注漿不充分而可能存在的管片背后的匯水通道及局部空洞)。降水井應(yīng)沿暗挖聯(lián)絡(luò)通道周邊封閉式布置，疏干暗挖聯(lián)絡(luò)通道及泵房施工范圍內(nèi)潛水含水層，降低承壓水層的水位(見圖1)。

降水施工需提前籌劃，預(yù)留足夠的降水周期，以保證降水效果。在具體實(shí)施過程中，降水井中心距隧道結(jié)構(gòu)外皮一般按≥2.80 m控制，相鄰降水井間距≤6.0 m;成井方法采用反循環(huán)鉆機(jī)成孔，人工開挖探孔，當(dāng)確認(rèn)地下無各種管線后施工。降水井內(nèi)充填濾料按2種粒料，外層濾料為引滲砂井核心粒料，具有一定的磨圓度，濾料含泥量(包括石粉)≤3%，粒料粒徑2～4 mm;中心部位填充天然級配礫石，礫徑≤100 mm，含泥量≤5%，要求實(shí)際填料量不小于理論計算量的95%。

圖1 物－北區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房地面降水井布置圖Fig.1 Layout of ground surface dewatering wells for connection passage(pumping station)of Wu-Bei running tunnel

優(yōu)點(diǎn):地面降水井處理地下水穩(wěn)定可靠，效果顯著，對地質(zhì)情況一般、地下水補(bǔ)給不是特別豐富地區(qū)，配合聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)洞階段深孔注漿措施，基本能夠保證施工安全。

2.2 凍結(jié)法

根據(jù)文獻(xiàn)資料，凍結(jié)法曾在北京復(fù)八線個別工點(diǎn)有過成功經(jīng)驗(yàn)。從近年情況看，主要在六號線二期起－物區(qū)間、玉－郝區(qū)間、東－東區(qū)間應(yīng)用。在隧道內(nèi)采用凍結(jié)法加固地層，使連接聯(lián)絡(luò)通道及泵房的外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)壁，然后在凍結(jié)壁中采用礦山法進(jìn)行開挖構(gòu)筑施工。

凍結(jié)法施工可分為凍結(jié)孔施工、凍結(jié)施工和開挖構(gòu)筑施工3個部分，施工流程為凍結(jié)施工準(zhǔn)備－凍結(jié)孔施工－凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝－積極凍結(jié)－維護(hù)凍結(jié)。

以玉－郝區(qū)間為例，凍結(jié)法設(shè)計有效凍結(jié)帷幕厚度為2.0 m，凍結(jié)帷幕平均溫度≤－10℃，取凍土單軸抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，彎拉強(qiáng)度為1.8 MPa，抗剪強(qiáng)度為1.5 MPa(－10℃時)。主要凍結(jié)施工參數(shù)如表2所示。

從實(shí)施情況來看，各工點(diǎn)凍結(jié)情況良好，充分說明凍結(jié)參數(shù)設(shè)置是滿足要求的，在北京地區(qū)應(yīng)用凍結(jié)法是可行的。

表2 凍結(jié)法主要設(shè)計參數(shù)Table 2 Main freezing parameters

用凍結(jié)法加固地層有如下突出優(yōu)點(diǎn)［5］:

1)凍結(jié)壁均勻性好且與隧道管片結(jié)合嚴(yán)密，加固與封水效果良好，施工安全可靠，可保證開挖工作面在不滲、不漏的無水條件下作業(yè)。適應(yīng)性強(qiáng)，能適用于多種地層和各種地下工程，尤其適用于含水量大、地質(zhì)軟弱、采用其它方法加固有困難的地層或難于施工的地下工程。

2)整體支護(hù)性能好。凍結(jié)體形成后，凍結(jié)體內(nèi)部不會存在任何縫隙，是一個完整的支護(hù)體。

3)靈活性好。可以人為地控制凍結(jié)體的形狀和擴(kuò)展范圍，必要時可以繞過地下障礙物進(jìn)行凍結(jié)。

4)保護(hù)環(huán)境。由于凍結(jié)法是一種臨時措施，地層凍結(jié)僅僅是將地層中的水變成冰，并且所固結(jié)的地層最終會恢復(fù)到原始狀態(tài)，因而能保護(hù)城市地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地下水不受污染。

2.3 洞內(nèi)深孔注漿

從近年的情況看，主要應(yīng)用于甜－十區(qū)間、黃－常區(qū)間、南－東區(qū)間、廣－廣區(qū)間。

深孔注漿應(yīng)分為2個階段，第1階段主要是聯(lián)絡(luò)通道及泵房施工前，對結(jié)構(gòu)初期支護(hù)和隧道周圍3.5 m或3 m范圍內(nèi)的地層進(jìn)行加固(見圖2)。注漿施工從左右隧道內(nèi)對稱進(jìn)行，左右隧道分別進(jìn)行鉆孔，鉆孔孔徑一般為80 mm。在螺栓口、注漿口及管片相交處可適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置，鉆孔位置錯開布置，鉆孔深度要滿足加固范圍要求(見圖3)。

第2階段為聯(lián)絡(luò)通道開挖完成后對泵房進(jìn)行的豎向二次補(bǔ)充注漿，以防止注漿盲區(qū)等地下水頭對泵房的施工產(chǎn)生不利影響，注漿時需做好注漿面的封閉，防止地下水壓過大，通過注漿孔產(chǎn)生涌水。

優(yōu)點(diǎn):以深孔注漿為主的止水方案是一種受外界人為因素干擾較小的方案，適于當(dāng)?shù)孛娌痪邆湓O(shè)置降水井條件或僅能布置少數(shù)幾個降水井時采用。通過深孔注漿，在開挖區(qū)域及外圍形成穩(wěn)定的加固體，以保證開挖安全。

圖2 廣－廣區(qū)間泵房設(shè)計加固范圍(單位:mm)Fig.2 Reinforcement range of pump station of Guang-Guang running tunnel(mm)

2.4 地下水處理方案存在的問題及建議

2.4.1 深孔注漿洞內(nèi)止水風(fēng)險大

2.4.1.1 案例1:黃－常區(qū)間封堵承壓水失效

黃－常區(qū)間泵房主要位于粉質(zhì)黏土層，底板下2 m為承壓水含水層，深孔注漿加固范圍為開挖輪廓線外3 m，加固方法同2.3節(jié)，泵房開挖高度為4.15 m。施工中當(dāng)泵房開挖至2.5 m，在開挖東北角剩余土體時，泵房突發(fā)大量涌泥(涌砂)，2 min內(nèi)涌砂(泥)量約70 m3，部分泥沙流入隧道(見圖4)。

圖3 南－歡區(qū)間泵房注漿示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of grouting reinforcement for pump station of Nan-Huan running tunnel(mm)

圖4 涌水涌砂示意圖Fig.4 Schematic diagram of water/sand inflow

主要處理措施為:

1)對聯(lián)絡(luò)通道所處地層進(jìn)行補(bǔ)勘，并對空洞回填混凝土約150 m3;

2)增設(shè)降水井由4眼至18眼，將地下水位降至泵房底板以下;

3)對管片背后進(jìn)行物探檢查;

4)會同設(shè)計單位對泵坑進(jìn)行設(shè)計變更，將泵房的底板在原設(shè)計基礎(chǔ)上提高0.65 m，由3.2 m×2.1 m×3.8 m(長 × 寬 × 深)調(diào)整為 3.2 m ×1.9 m ×3.15 m(長×寬×深)，縮小開挖斷面和深度。

2.4.1.2 案例2:廣－廣區(qū)間泵房封堵潛水及承壓水均失效

1)區(qū)間潛水未能有效封堵。廣－廣區(qū)間泵房上部地層為砂層，下部為粉質(zhì)黏土層，距泵房底部1 m位置為承壓水含水層，深孔注漿加固范圍為開挖輪廓線外3 m，加固方法同2.3節(jié)。泵房開挖前4榀地層主要為砂層，地下水為潛水，初期支護(hù)側(cè)壁不斷漏水，側(cè)向注漿堵水效果不佳(見圖5)。

2)泵房底板承壓水涌水。考慮到導(dǎo)洞泵房側(cè)壁滲水情況，開挖方案調(diào)整為分2部開挖，當(dāng)二部泵房開挖至最后一榀時，泵房底部突然出現(xiàn)涌水情況，大量泥砂涌入隧道，施工單位采取緊急措施對泵房進(jìn)行了回填(見圖6)。

圖5 泵房開挖滲水情況Fig.5 Water seepage during pumping station excavation

圖6 泵房開挖涌水情況Fig.6 Water inflow during pumping station excavation

3)尺寸調(diào)整及開挖方案。泵房原開挖深度為4.55 m，經(jīng)與設(shè)計單位、設(shè)備制造單位協(xié)商，調(diào)整水泵型號，泵房開挖深度調(diào)整為3.45 m，減小0.9 m。泵房采用邊開挖邊施工二次襯砌的倒掛井壁方法，進(jìn)行廢水泵房二次襯砌施工:挖1 m后進(jìn)行側(cè)墻防水及二次襯砌施工;繼續(xù)開挖至底板頂面，進(jìn)行剩余段側(cè)墻防水及二次襯砌施工;開挖底板位置，施工底板防水及二次襯砌。

2.4.1.3 案例分析

從上面的案例可以看出，深孔注漿止水方案是不成功的，滲水明顯，注漿加固體不能有效抵抗承壓水壓力，尤其是在泵房開挖后期均出現(xiàn)了涌水事故。究其原因，主要是:1)第1階段的放射式深孔注漿存在注漿盲區(qū);2)聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)補(bǔ)充注漿作業(yè)空間較小，施工工藝及設(shè)備受限;3)當(dāng)前成本計量等人為因素影響注漿質(zhì)量。

2.4.2 地面降水場地協(xié)調(diào)受阻

降水井施工要求地面占地，對復(fù)雜的地面交通環(huán)境必須實(shí)施交通倒改，外部協(xié)調(diào)難度較大，周期長，從圖7可以看到，近年來采用降水井方案占比較低，只有個別地段真正有條件采取地面降水措施。

圖7 泵房地下水處置方案占比Fig.7 Proportions of different ground water treatment methods in the total

2.4.3 凍結(jié)法成功率較高

凍結(jié)法的突出優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在2.2節(jié)敘述，而且從實(shí)際實(shí)施情況看，凍結(jié)效果較好，方案均較為成功。

2.4.4 經(jīng)驗(yàn)與建議

1)關(guān)于凍結(jié)法:相對來說，該法成本稍高，尤其是當(dāng)區(qū)間線路較長、冷凍站設(shè)置較遠(yuǎn)時，但成本增加有限，尤其是相對地鐵建設(shè)龐大的投入而言;另外，如果存在地層或人為因素，以及地下水流場的滲流速度過快(如果滲流速度超過6 m/d，凍結(jié)壁較難形成［5］)的問題，可考慮采取深孔注漿措施，降低地層孔隙率，降低地下水流速。

2)關(guān)于深孔注漿:區(qū)間潛水與承壓水應(yīng)分別制定方案并采取合理的堵水措施;控制注漿壓力，宜采用多次反復(fù)注漿方式，減小注漿盲區(qū)，注重聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的豎向注漿，并改進(jìn)工藝，提高加固體強(qiáng)度，保證注漿質(zhì)量;開挖階段應(yīng)堅持小斷面分部開挖，盡快封閉成環(huán);加強(qiáng)對軌道、區(qū)間結(jié)構(gòu)、泵房結(jié)構(gòu)的監(jiān)測與巡視;建議業(yè)主單位提高重視程度，可考慮驗(yàn)工計量環(huán)節(jié)對注漿措施費(fèi)予以適當(dāng)提高，以保證注漿效果，同時，督促施工單位加強(qiáng)注漿效果檢驗(yàn)。

3 結(jié)論與討論

結(jié)論:1)泵房尺寸存在優(yōu)化空間，可適當(dāng)減小泵房埋深，主動規(guī)避風(fēng)險;2)合理選擇地下水處置方案，具備地面降水條件，且周邊環(huán)境變形允許時，應(yīng)選擇地面降水方案;3)地面不具備降水條件時，如果承壓水水頭較高，地下水補(bǔ)給豐富，應(yīng)盡量選擇凍結(jié)法施工;4)深孔注漿方案若作為最終方案，應(yīng)對注漿、開挖等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

討論:復(fù)雜城區(qū)與產(chǎn)權(quán)單位的協(xié)調(diào)難度往往成為制約施工方案的重要因素，區(qū)間泵房的地下水初期支護(hù)方案應(yīng)繼續(xù)引起重視，針對地面降水井無法實(shí)施的問題，宜深入研究洞內(nèi)處理方案的優(yōu)化問題。比如，在狹小空間內(nèi)，注漿效果尤其是側(cè)向注漿效果如何保證;采用凍結(jié)法時，承壓水層滲透系數(shù)過大，補(bǔ)給過于豐富，如何選用深孔注漿參數(shù)，減小地層滲透系數(shù)，確保凍結(jié)效果。又如，凍結(jié)法成本較高的問題，可否考慮對風(fēng)險較大的泵房進(jìn)行整體發(fā)包，降低工程造價。這些措施均需在后續(xù)施工實(shí)踐中予以探索。

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