管井降水在區(qū)間地鐵施工中的應用

摘　要:介紹在深圳地鐵一期工程區(qū)間隧道設(shè)計和施工中采取的輔助性降排水技術(shù)措施,并對降水而引起的地面沉降問題進行分析、探討。
關(guān)鍵詞:地鐵; 隧道; 管井降水; 地面沉降

1 　工程概況
深圳地鐵一期工程由規(guī)劃的地鐵一號線東段和四號線南段組成,其中采用淺埋暗挖法施工的總長度約8.8 km , 均位于城市交通干線下,地面交通繁忙,地下各種管線縱橫交錯。
深圳地鐵一期工程暗挖隧道所處地層為上覆第四系人工堆積素填土,沖積、海積粘性土、砂類土,第四系殘積礫質(zhì)粘性土,下伏燕山期花崗巖,部分區(qū)段存在富水飽和砂層,流塑狀粘土層及通過洪積沖溝的淤泥雜質(zhì)等不良地質(zhì)狀況,地質(zhì)條件復雜。地鐵沿線的地下水按其賦存條件,主要為第四系松散巖類孔隙水,賦存于溝谷平原、河岸沖積平原、沖洪積階地、沖海積平原的第四系松散地層中,局部微具承壓性,受大氣降水和地表水補給。
2 　施工降水方案
深圳地鐵暗挖區(qū)間隧道最初的施工設(shè)計并未采取大范圍的降水措施,而是采用以小導管注漿作為超前支護的基本輔助工法,在施工過程中,多個區(qū)間隧道出現(xiàn)拱部坍塌、涌泥涌砂險情,施工安全難以保證,工程進度緩慢。為此,經(jīng)過技術(shù)論證,提出了以地面降水為主、洞內(nèi)引排水為輔,保證淺埋暗挖施工在基本無水狀態(tài)下施工的思路。實踐證明, 這是確保施工安全、進度、質(zhì)量的有效措施,取得了很好的工程效果。
3 　降水設(shè)計的理論依據(jù)
(1) 土的透水性在地下水位以上土體中存在毛細水。毛細水的存在,增加了土粒間的接觸壓力,這對土體的穩(wěn)定是有利的。地下水位以下土體中的自由水稱為地下水,它連續(xù)充滿所有孔隙,對土粒產(chǎn)生浮力作用。
(2) 降水對地層的加固作用
設(shè)原地層在自重應力作用下已完全固結(jié),降水后, 地下水位降低ΔH = H1-H2,使得下臥層承受相當于ΔH·γW 的垂直附加應力,下臥層的有效應力隨著空隙水壓力的消失而增長。對降水深度ΔH 范圍內(nèi)的土層,其含水量因降水而顯著減小,其重度從浮重度γ′ 提高到飽和重度γsat ,這部分土層在增加的自重應力作用下逐漸固結(jié),土體抗剪強度相應增加。
(3) 降水對防止?jié)B流破壞的作用
在未降水的條件下,開挖位于地下水位以下的隧道,水壓平衡被打破,產(chǎn)生水頭差,出現(xiàn)流砂、流土現(xiàn)象。有時土體雖然暫時是穩(wěn)定的,但細顆粒被水從粗顆粒之間帶走,便會形成孔道,惡性循環(huán),孔道不斷擴大、加深,最終也會造成嚴重破壞。因此,作為防止?jié)B流破壞的根本措施,應盡可能降水,減小水力坡度。
4 　降水設(shè)計
(1) 降水井布置
深圳地鐵一期工程區(qū)間隧道降水多采用管井降水,由于隧道穿過的地下含水層較復雜,而隧道兩側(cè)布井降水適用性最強,適合于地下含水層任意分布,所以采用在隧道兩側(cè)間隔布井的方式。
(2) 降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計
① 井深　根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)深度確定井深,但井底不進入隔水層。
② 井徑　在道路上施工,管井井徑不宜設(shè)計得太大,以減小清渣、清漿量。井徑大了,出水量也不會增加多少,井徑設(shè)計以600～650 mm 為宜。
③ 井管　<350～ <400 mm 的骨架纏絲包網(wǎng)濾水管可以使用,單包網(wǎng)目數(shù)不宜太小,否側(cè)井內(nèi)容易涌砂, 以一層60 目、一層40 目為宜。但這種井管造價較高, 有條件時使用水泥礫石濾水管,這種濾水管成本低、質(zhì)量好。
④ 濾料　針對中砂～ 礫砂含水層,以3～7 mm 級配碎石子為好。
(3) 降水井檢查井設(shè)計
道路上施工降水井(不能暴露于地面),可按市政標準設(shè)計檢查井,蓋上承重井蓋后與路面平齊,能經(jīng)受汽車攆壓。
(4) 施工方法
上鉆前應確實探明地下管線,上鉆機前對井位要人工挖至原狀土,破除路面用切割機比風鎬要好,如遇到地下水可釬探,確定無管線時再上鉆機施工。采用泵吸反循環(huán)鉆機進行成井施工為好,理由是清水水壓鉆進,不用造漿,成井效率高,質(zhì)量好。鉆進過程中,應注意觀察液面變化,及時補水,防止塌孔埋鉆。洗井一般采用空壓機洗井,反水量較小時可適當注入清水,驗收標準是水清砂靜。排水管線要求不漏不滲,回填面與路面平齊。
5 　降水與地面沉降
降水引起的地表沉降屬于再固結(jié)沉降,在砂性土中呈現(xiàn)較快,在粘性土中則較慢,在總的地表沉降量中,因降水而產(chǎn)生的地層固結(jié)沉降,約占因施工引起的地表總沉降量的37 % 左右。在花崗巖或其他巖石中降排其風化裂隙水時,可不考慮降水壓縮問題。
(1) 在降水前做好對周圍環(huán)境調(diào)研的工作
① 查清工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況,即對該地段應有完整的地質(zhì)勘探資料,包括地層分布、透水層和透鏡體情況,以及其與水體的聯(lián)系和水體水位變化情況,各層土的滲透系數(shù),土體的孔隙比和壓縮系數(shù)等。
② 查清地下儲水體,如周圍的地下古河道、古水池之類的分布情況。
③ 查清周圍建筑物以及地下各種管、線的分布和類型,根據(jù)其重要性及對差異沉降的承受能力,考慮是否要預先采取加固措施等。
(2) 合理進行井點降水,盡可能減少對周圍環(huán)境的影響
① 防止抽水帶走土層中的細顆粒。抽出的水中帶走細顆粒不但會增加周圍地表的沉降,而且還會使井管堵塞、井點失效。為此,首先應根據(jù)周圍土層的情況選用合適的濾網(wǎng),同時應重視埋設(shè)井管時的成孔和回填砂濾料的質(zhì)量。
② 適當放緩降水漏斗線的坡度。在同樣的降水深度前提下,降水漏斗線的坡度越平緩,影響范圍越大, 而所產(chǎn)生的不均勻沉降就越小,因而降水影響區(qū)內(nèi)的地下管線和建筑物受損傷的程度也越小。
③ 井點應連續(xù)運轉(zhuǎn),盡量避免間歇和反復抽水。
④ 降水深度范圍內(nèi)的土層強度在降水數(shù)天之后就有明顯增長,對降水線以下的土層,尤其是粘性土,其強度的增長需要有一定的土體固結(jié)時間。為防止隧道整體沉降,應將水位降至隧道仰拱下1～1.5 m 。
(3) 沉降監(jiān)測
① 基點布置a1 基點　遠離降水區(qū)域布置,一般大于800 m , 埋設(shè)深度不小于10 m 。b1 工作基點　靠近降水區(qū)域布置,一般為200～ 300 m , 埋設(shè)深度不小于1 m 。c1 監(jiān)測點　布置于地鐵沿線高大建筑物的各個角點上,測點用鉆孔插入鋼筋固定。
② 監(jiān)測要求
初期3～5 d 測1 次,一段時間之后可10 d 監(jiān)測1 次,較為穩(wěn)定時延長監(jiān)測周期,有突變可縮短監(jiān)測周期,監(jiān)測結(jié)果定時報監(jiān)理和設(shè)計方。
6 　結(jié)語
暗挖區(qū)間隧道的問題主要是地下水的問題,通過深圳地鐵一期工程的實踐,在降水設(shè)計方面有以下經(jīng)驗與體會。
(1) 從深圳地區(qū)的地質(zhì)條件判斷,降水引起的地面沉降量是極其有限的,也是比較均勻的,只要施工方法得當,降水井質(zhì)量過硬,降水對沿線高大建筑物及地下管線不會有大的影響,但應加強沉降觀測,用監(jiān)測數(shù)據(jù)說話。
(2) 不同標段降水方案和井位位置,要與地鐵沿線不同的水文地質(zhì)條件相結(jié)合,不能千篇一律,尤其要注意地鐵穿越的南北向的地下水強徑流帶。
(3) 重視降水的區(qū)域效應,即在全線統(tǒng)一開展降排水工程,使地下水在地鐵沿線形成一個狹長漏斗,可以使降水的工程量不致于太大,并減輕初期局部降水的難度。
(4) 重視降水的時間效應,即超前采取降排水措施,因為工程場地存在較厚的、飽水的礫質(zhì)粘性土層, 其疏干需較長時間。
(5) 重視降水工作的洞內(nèi)外相結(jié)合,即在地下水強徑流段,地面降水沒有完全控制,或在地面無法打開的地段,適當采用洞內(nèi)大口井或水平井降水技術(shù)。