沿海地區地鐵礦山法暗挖隧道地面降水施工技術研究

趙 朋

（中鐵一局集團廈門建設工程有限公司，福建 廈門 361008）

1 總體方案

為了從根源上解決地下水對隧道施工的影響，基于明挖法車站深基坑降水工程原理，將礦山法區間隧道類比為一個長條形的深基坑，通過地面降水措施將地下水位降至隧道仰拱底以下。根據區間隧道地質詳勘資料，對區間隧道降水工程進行研究，完成降水工程設計，確定降水對地表沉降的影響。在地面降水井施工中由于地面構建筑物密集，降水井施工過程受未拆遷建筑物影響，部分降水井無施工場地條件，采用一種適用于地形的降水斜井施工工藝。

2 工藝原理

本工藝主要采用地面施作降水管井，將井點管埋設到待開挖隧道底部以下10 m或者進入巖層6 m，利用管井內外水位差，使土層或破碎巖層里的地下水通過滲透流入井管內，再通過井管內的抽水泵排出地面，最終使得待開挖隧道內地下水位降低至隧道底部以下1 m。區間隧道降水原理圖如圖1所示。

圖1 區間隧道降水原理圖

降水斜井主要是利用降水井地下水位控制原理及水位內外差，將降水井以＜15°斜向打入地層中。斜向降水井施工參數除了設定一定的角度打入外，其余參數與降水豎井一致。區間隧道降水斜井工作原理圖如圖2所示。

圖2 區間隧道降水斜井工作原理圖

3 施工工藝要點

3.1 地質詳勘

通過對設計區間線路中的隧道洞身范圍內的軟弱圍巖地質帶（巖土交界面、風化槽、受地下水影響強度降低的土層、洞頂巖層覆蓋厚度薄等）進行詳細勘察，全面分析地質水文情況。通過試驗確定地下水及地質參數后進一步進行降水設計。

3.2 降水設計

3.2.1 降水模型

區間隧道降水后，隧道頂部及兩側范圍均在降水漏斗范圍內，類似一個條狀的基坑降水，這時雙線隧道外緣距離為基坑寬度，隧道長度為基坑長度；因隧道開挖為兩端同時掘進，可選擇影響范圍內降水，隨施工進度進行降水范圍調整。因此，礦山法隧道開挖降水模型類似矩形基坑降水，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—地面至隧道開挖面的深度（m）；

Hw2—降水水位距離隧道底要求的深度（m）；

Hw3—水頭高差Hw3=ir0；

i—水力坡度，i=0.1～0.2；

r0—降水井排間距的1/2或降水井分布范圍的等效半徑（m）；

Hw4—降水井的水躍值（m）；

Hw5—降水井過濾器工作長度（m）；

Hw6—沉砂管長度（m）；

Hw7—濾管端部反濾層厚度（m）。

3.2.3 涌水量計算

（1）群井按大井簡化時，均質含水層潛水完整井的降水總涌水量按下式計算：

（2）群井按大井簡化時，均質含水層潛水非完整井的降水總涌水量按下式計算：

（3）滲透系數k的取值，按各含水層厚度加權平均計算整個含水層綜合滲透系數

（4）群井按大井考慮的等效半徑r0值：r0=

（5）降水影響半徑R取值：R = 2Sw

3.2.4 降水井數量計算

（1）管井的單井出水能力q0：q0=120π?rs?1?3k

（2）降水井的單井設計流量q應滿足以下條件：q≤q0

（3）降水井的設置數量n：n=1.1·Q/q

3.2.5 地下水水位設計降深復核

根據設計要求，隧道設計范圍內的地下水位的降深應滿足設計要求，即Si≤Sd應用地下水動力學中的穩定流潛水完整井干擾井群公式：

（1）任意排列干擾井群公式：

式中：Qi——第i號井的單井流量（m/d）；

Sw,i——第i號井的水位降深（m）；

Si——i點（x1, y1）的水位降深（m）；

rij——計算點i（x1, y1）到j號井的距離（m）。

3.3 降水斜井施工操作要點

降水斜井管大樣圖如圖3所示。

圖3 降水斜井管大樣圖

（1）采用工程鉆機成孔，成孔直徑不少于300，成孔深度以到設計降深或者中風化巖面為準。

（2）井管采用橋式濾水管。為了保證井管周邊有良好的透水性和防止泥沙滲入，應在井管壁外側包2層20目尼龍網，外用6#鐵絲綁扎，其間距不＞200 mm。

（3）濾管段洗井：采用機械洗井或化學洗井，洗井時應結合空氣洗井直至水清砂凈為止，以保證降水的效果。

（4）井壁與井管之間及管底以下1.5 m范圍內用粒徑為0.5～1 cm的圓礫或土工布填充。

（5）密封系統采用止漿袋及注漿相結合的方案，密封系統的下段采用止漿袋填塞密實，上段注入水灰比為0.5：1的水泥漿，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

（6）該降水系統配備了不間斷電源，以確保降水系統的連續流動，并防止因地下礦井的建設而導致泥漿流動。

（7）由于地下水位必須降低到較低位置，因此使用一般降水時可能不會降至預期水位。如有必要結合真空負壓點降水，實現地鐵礦井隧道的預定降水效果。

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，則無法確保安全和正常的施工。控制不當將導致嚴重后果，如隧道拱塌陷，泥漿和地面沉降。施工降水必須符合建設項目基坑的技術規范和地鐵工程的相關規范。

地下水位控制應滿足以下要求：

（1）按降水試驗得出降水速度，進而統一計劃安排降水施工時間確保隧道開挖前地下水位控制在隧道底部以下1.0 m。

（2）停止降水時，初期支護必須封閉成環。

（3）二次襯砌施工前，需恢復地下水位以便檢測初期支護施工質量及滲漏情況，進而及時注漿修補。

（4）加強對地表及周邊環境的監測，當出現沉降超標時，立即分析原因采取措施，控制沉降進一步發展，避免造成環境破壞。

（5）充分調查地質水文資料，降水進行詳細計算并通過試驗驗證控制降水，在保證施工安全的前提下，盡可能少降地下水，減少對地下水資源的浪費，并降低用電消耗，節約能源。

3.5 施工監控量測

根據有關規定的要求，有必要監測地下水位變化，周圍地面垂直位移、周圍建筑物垂直位移、周圍建筑物傾斜、周圍建筑物寬度和表面裂縫、周圍管道變形等。

（1）巡視檢查。每天均應由專人進行巡視檢查并做好記錄，巡視以目測為主，可輔以錘、釬、量尺、放大鏡等工器具以及攝像、攝影等設備。

（2）地下水位觀測。

①降水工程需布置水位觀測孔。沿線路兩側30～50 m布置1個水位觀測孔。

②觀測井采用工程鉆機成孔，成孔直徑Φ150 mm。井管采用Φ76 mm×2 mm鋼管，管壁（濾管段）上布置孔眼，直徑為Φ8@40 mm×40 mm，開孔率約12.5%，梅花形布置。采用化學方法或機械方法進行洗井，洗井應洗到水清砂凈為止，以保證回灌效果。濾管段外包1層20目尼龍網，鋼管與孔壁之間采用中粗砂濾料填充。密封系統采用止漿袋及注漿相結合，其下段采用止漿袋填塞密實，上段注入水灰比為0.5：1的水泥漿，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

（3）周邊環境觀測。

①沿地下管線（燃氣管、自來水給水管、雨水管線和污水管線等）及周邊道路每15～20 m布置1個觀測點。

②周邊建筑四角、沿外墻每10～15 m處或每隔2～3根柱基上，且每側不少于3個監測點。

③應通過代表性的裂縫來設置監測點，對于要觀察的裂縫，應為每個裂縫布置至少兩個監測點，并且應該位于裂縫的最寬部分和裂縫的末端。

④觀測頻率：在地鐵施工時，每天觀測1次，觀測點布置可根據現場情況做適當調整。

（4）監測報警值。

①周邊地表豎向位移、周邊建筑豎向位移和周邊管線豎向位移預警值為20 mm或變化速率連續3 d＞3 mm/d；

②周邊建筑的裂縫寬度預警值為2 mm或裂縫持續發展；

③周邊建筑傾斜的預警值為建筑整體傾斜度累計值達到2‰或傾斜速度連續3 d＞0.000 1 H/d（H為建筑承重結構高度）；

④地表裂縫寬度的預警值為15 mm或裂縫持續發展；

⑤地下水位變化的報警值為1 000 mm或變化速率大于500 mm/d。

4 結語

由中鐵一局集團廈門建設工程有限公司承建的廈門軌道交通2號線一期工程TJ03-3項目，其中2個礦山法隧道區間采用地面降水輔助措施。

開工時間2016年9月，竣工時間2018年1月。施工中掌子面無涌水、涌泥、初支滲漏等現象。通過地面降水措施，提高了隧道的施工工效，縮短了施工工期；實現隧道內無水作業，降低了施工風險并有效地提高了隧道內的文明施工，從而有效地提升了企業品牌。隨后，該工藝又在廈門地鐵類似工程中應用。