地表動態井點降水在沈陽地鐵施工中的應用摘要:沈陽地鐵一號線云峰北街站—沈陽站區間,地處渾河古河道,圍巖土質為砂層、中砂層、粉質黏土層,含水量非常豐富。隧道開挖后,地下水將大量從工作面滲出,勢必導致地表沉降量嚴重超標。為了隧道的施工安全及控制地表沉降,決定采用管井井點降水。文章詳細地介紹了降水設計原則、管井構造及施工要點、降水動態監測等情況。關鍵詞:地鐵隧道 地表沉降 井點降水 沉降分析1 工程概述 沈陽地鐵一號線云峰北街站到沈陽站區間全長1 413 m,工程所處地貌為渾河沖洪積扇地,微地貌為渾河高漫灘及古河道,是沈陽地區地下水排泄區域。區間暗挖隧道主要穿越砂層、中粗砂層、粉質黏土層,屬于Ⅵ級圍巖。砂層中富含地下潛水,水文地質條件復雜。根據施工現場情況,處于黏土層上方的砂層含水量豐富,區間暗挖隧道在開挖后,地下水迅速從工作面滲出,使砂質巖層軟化,自穩能力減弱,并且速度非常快,出現涌水、流沙。特別是在下臺階開挖時,邊墻及仰拱經常出現突發性涌入大量粉質細砂,致使仰拱和邊墻不能及時封閉,導致暗挖隧道拱頂及地表沉降嚴重超標。為了確保砂層淺埋暗挖隧道的開挖施工安全及降低地表沉降量,采取管井井點降水措施。2 井點降水設計2·1 井點類型選擇 井點降低地下水水位的方法和設備選擇,應根據施工現場巖層的滲透系數、工程特點及施工要求降低地下水水位的深度,進行技術、經濟比較后確定。 依據設計院提供的地質資料,確定云—沈區間全線實施井點降水。經過現場試驗對比(單層輕型井點、多層輕型井點、噴射井點、管井井點、砂滲井點及真空吸水降水等),考慮降水井使用條件和水位降低深度要求,選擇采用管井井點降水施工方案。2·2 降水設計原則及管井構造 1)降水施工不能影響地面交通,不得影響周邊環境狀態。 2)降水施工方案設計必須考慮對地表沉降,對地下管線及周邊建筑物的影響。 3)降水井距隧道結構最小距離不小于2 m。 4)隧道下臺階施工需要無水作業,地下水疏干需要一定的周期,而地下砂層透水系數非常大,因此,必須保證開挖面至未開挖地段50 m范圍內的降水井同時降水。 管井井點的沉設采用鉆孔法施工,其孔徑為800mm,井管采用內徑為326 mm的無砂管。無砂管外側四周包2層密目慮網,密目網外測用6號鐵絲繞成螺旋狀保護層,每兩節無砂管之間用寬為5 cm的竹片夾綁。無砂管四周填充3~15 mm的碎石濾料保護層,孔口3~5 m用黏土封填并夯實,降水井結構見圖1所示。
2·3 排水量及井點布置 區間采取地面管井井點降水施工方案,降水井沿隧道兩側與之并行布置。降水量計算依據《沈陽地鐵一號線工程降水專題研究報告》提供的計算公式,在疏干前應是狹長集水廊道側壁及隧底進水條件,當水位降至設計水位時,應是狹長集水廊道側壁進水條件。 計算參數為:潛水滲透系數k=145 m/d;區間降水計算長度a=300 m;區間降水寬度b=26 m,則 引用半徑r=0.29(a+b)=94.54 m。 設潛水含水層厚度H=15.5 m(含水底板埋深,減掉水位埋深6 m); 最大水位降深S=15.5 m(工程底板埋深+1 m, 減掉水位埋深6 m),則 依公式計算得基坑總排水量為: 前期全斷面Q=6ks[(a+b)s+ab]/R=117 935m3/d; 后期井壁Q=6k[(a+b)s2]/R=46 365 m3/d。 依據上計算結果,在設計水文地質說明中承壓水穩定水位埋深為11.73 m,所以在區間隧道開挖時肯定存在承壓水頭,為保證降水效果,基坑涌水量按117 935×1.5=176 903 m3/d計算。井間距按6 m考慮,布井525口。采用80 m3/h的水泵進行排水,利用率按75%計算,則單井出水量為80×24×0.75=1 440m3/d。實際上在每300 m范圍內平均井眼132眼,每天總排水量為1 440×132=190 080 m3/d,大于總涌水量176 903 m3/d滿足要求。2·4 管井井點降水引起的地層沉降分析2·4·1 井點降水地面沉降值 根據設計院提供的云—沈區間地質勘測報告,區間砂層壓縮模量為6.59MPa,為減小沉降量,降水深度定在作業面無明水存在,降水深度為12.5 m。降水所引起的地面最大沉降,按《地下工程設計手冊》中的公式計算為59.27 mm。能滿足設計要求。2·4·2 井點降水對地下管線的影響 在區間降水范圍內,左線上方有Φ800混凝土污水管和Φ300的混凝土雨水管與隧道伴行,埋深分別為2.2 m和1.2 m;在右線右側斜上方有一條10 kV的高壓電纜和Φ300的混凝土雨水管與隧道并行,埋深分別為1.8 m和1.2 m。根據地表沉降量59.27 mm,對管線的影響也在允許范圍之內。3 降水井施工要點 在井點點位施作圍擋,并砌筑泥漿池施工排水管道和布置降水設備。降水井采用QJ200-1型反循環工程鉆機(配星型鉆頭),鉆孔過程中使用的泥漿護壁用離心泵抽至泥漿運輸車運走。鉆至設計高程后及時下放無砂管,然后稀釋泥漿相對密度接近1.08,在無砂管四周投放碎石慮料,最后進行洗井工作。洗井完畢,在孔口填塞黏土并下泵抽水封堵井蓋。降水井施工過程中要注意以下事項。 1)降水井護筒外側必須用黏土封堵密實,防止鉆井施工用水滲漏造成塌孔。 2)水井施工到設計深度時,必須經現場技術人員驗收合格后,方可進行下階段操作。 3)受交通車流影響,排水井口及主要排水管宜采用暗排布置,以防管線碰撞破損造成漏水,直接影響隧道施工安全。 4)井管系統安裝完畢后進行試抽水記錄出水量及水位變化情況,檢算降水井降水能力,以備及時調整降水方案,保證基坑內水位在開挖面1.0 m以下。 5)在降水井施工時,優先采用泵吸反循環工藝,嚴格控制泥漿稠度,保證井壁穩定;防止因抽取地下水帶出地層細顆粒物質造成地面沉陷。抽出的水含沙量粗砂含量<1/50 000,中砂含量<1/20 000,細沙含量<1/10 000。4 降水監測 動態井點降水的要旨是在降水時間、降水深度、降水范圍上加以控制,即根據施工進度和作業面地質變化,通過降水過程的監測數據分析,在降水地段選擇井位和降水周期,對不影響掘進支護地段選擇性地停泵。這樣就克服了全線降水而導致地表大面積沉降的現象。對地面交通和環境的影響也降到最小。具體工作內容如下述。 1)降水前對自然水位進行統一量測并形成初始資料; 2)降水井運行后在水位未達到設計深度前,必須對降水井水位、出水量每天進行三次觀測。 3)降水期間監測組必須對降水井、觀測井、隧道底部水位和地表沉降進行同步監測。 4)水位達到設計深度并且隧道底部水位穩定以后,每天觀測1次。 5)對監測結果進行記錄、分析整理,繪制出水量Q與時間t和水位降低值h的過程變化曲線。分析水位出水量下降趨勢,預計實現降水深度所需時間。 6)選擇具有代表性的管井,在降水監測期和水位維護期前后各采集水樣作水質分析。抽取水樣含砂率應符合有關規定,發現含砂率過大要及時分析原因并采取處理措施,防止泥砂流失引起地面沉降。 7)根據地下水水位、降水井排水量及隧道作業面的水位變化情況,及時判斷降水情況是否正常,若出現異常現象及時調查產生原因,提出補救措施保證降水達到施工要求。 8)加強地表沉降、地下管線及地表建筑物沉降觀測,繪制地表沉降、管線沉降、地表建筑物沉降s與降水時間t的變化曲線、沉降速率,分析沉降趨勢。當監測發現建筑物沉降趨勢加大且持續發生,應及時查明原因,并應根據建筑物沉降的情況采取回灌、注漿等措施處理。5 降水效果 1)降水前地面沉降 以云—沈區間1、2號豎井橫通道為例。因橫通道完全處于砂層中,圍巖含水量非常大。隧道開挖后作業面出水量很大,土體自穩能力很差(局部砂層成流塑狀),邊墻拱腳處開挖時經常出現流砂、涌砂,導致施工速度過慢,仰拱封閉時間長,造成隧道內拱頂下沉量大(已達75 mm)。更嚴重的是地表沉降最大值已達170mm。 2)降水后地面沉降 為了控制拱頂及地表沉降,在區間正線進行分段推進井點降水施工,作業面開挖時基本沒有水,或滲水量很小,巖體自穩能力大大加強,為封閉成環及初噴混凝土創造了極好的條件,加快了施工速度。根據監控量測資料顯示,降水后開挖初支完成時,地表最終沉降量未超過59 mm,洞內拱頂沉降在30 mm以內。 3)為隧道安全施工創造了條件 根據設置的水位觀測井及井水本身的水位觀測,在降水井3.5 m范圍內水位降至仰拱部位,滿足施工要求。 降水后砂層飽和水被抽走,使得隧道上臺階和下臺階邊墻處于無水條件下作業,圍巖自穩時間延長,為初支提供了寶貴的時間。未降水前區間隧道日進尺不超過1.5 m,區間隧道動態管井降水施工后單洞日進尺4.0 m。 通過控制降水周期、降水深度、抽排水量等信息實施動態降水,再加上洞內超前預加固措施,從而安全、優質、快速地完成富水砂層淺埋暗挖隧道的施工。6 結束語 沈陽地鐵1、2豎井施工引起一些地點地表沉降值超限,經過分析認為地表沉降過大主要是由于流砂和地下水流失所致,而地表動態管井井點降水是克服洞內施工突發性流砂的有效手段。云—沈區間通過實施動態管井井點降水后,沉降值控制在6 cm之內,保證了管線安全、地面交通暢通,加快了施工進度,為總體工期贏得了寶貴的時間。因此,創造條件實施動態管井井點降水是必要的。降水方案設計與現場實際相結合,要綜合考慮交通、環保、降水對地下管線與周邊建筑的影響。動態管井井點降水是一種有效措施,更是解決富水砂層淺埋暗挖隧道加固措施的重要手段。參考文獻[1]夏明耀.地下工程設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.[2]遼寧有色勘測研究院.沈陽地鐵一號線工程降水專題研究報告[R].沈陽:遼寧有色勘測研究院,2003.
2·3 排水量及井點布置 區間采取地面管井井點降水施工方案,降水井沿隧道兩側與之并行布置。降水量計算依據《沈陽地鐵一號線工程降水專題研究報告》提供的計算公式,在疏干前應是狹長集水廊道側壁及隧底進水條件,當水位降至設計水位時,應是狹長集水廊道側壁進水條件。 計算參數為:潛水滲透系數k=145 m/d;區間降水計算長度a=300 m;區間降水寬度b=26 m,則 引用半徑r=0.29(a+b)=94.54 m。 設潛水含水層厚度H=15.5 m(含水底板埋深,減掉水位埋深6 m); 最大水位降深S=15.5 m(工程底板埋深+1 m, 減掉水位埋深6 m),則 依公式計算得基坑總排水量為: 前期全斷面Q=6ks[(a+b)s+ab]/R=117 935m3/d; 后期井壁Q=6k[(a+b)s2]/R=46 365 m3/d。 依據上計算結果,在設計水文地質說明中承壓水穩定水位埋深為11.73 m,所以在區間隧道開挖時肯定存在承壓水頭,為保證降水效果,基坑涌水量按117 935×1.5=176 903 m3/d計算。井間距按6 m考慮,布井525口。采用80 m3/h的水泵進行排水,利用率按75%計算,則單井出水量為80×24×0.75=1 440m3/d。實際上在每300 m范圍內平均井眼132眼,每天總排水量為1 440×132=190 080 m3/d,大于總涌水量176 903 m3/d滿足要求。2·4 管井井點降水引起的地層沉降分析2·4·1 井點降水地面沉降值 根據設計院提供的云—沈區間地質勘測報告,區間砂層壓縮模量為6.59MPa,為減小沉降量,降水深度定在作業面無明水存在,降水深度為12.5 m。降水所引起的地面最大沉降,按《地下工程設計手冊》中的公式計算為59.27 mm。能滿足設計要求。2·4·2 井點降水對地下管線的影響 在區間降水范圍內,左線上方有Φ800混凝土污水管和Φ300的混凝土雨水管與隧道伴行,埋深分別為2.2 m和1.2 m;在右線右側斜上方有一條10 kV的高壓電纜和Φ300的混凝土雨水管與隧道并行,埋深分別為1.8 m和1.2 m。根據地表沉降量59.27 mm,對管線的影響也在允許范圍之內。3 降水井施工要點 在井點點位施作圍擋,并砌筑泥漿池施工排水管道和布置降水設備。降水井采用QJ200-1型反循環工程鉆機(配星型鉆頭),鉆孔過程中使用的泥漿護壁用離心泵抽至泥漿運輸車運走。鉆至設計高程后及時下放無砂管,然后稀釋泥漿相對密度接近1.08,在無砂管四周投放碎石慮料,最后進行洗井工作。洗井完畢,在孔口填塞黏土并下泵抽水封堵井蓋。降水井施工過程中要注意以下事項。 1)降水井護筒外側必須用黏土封堵密實,防止鉆井施工用水滲漏造成塌孔。 2)水井施工到設計深度時,必須經現場技術人員驗收合格后,方可進行下階段操作。 3)受交通車流影響,排水井口及主要排水管宜采用暗排布置,以防管線碰撞破損造成漏水,直接影響隧道施工安全。 4)井管系統安裝完畢后進行試抽水記錄出水量及水位變化情況,檢算降水井降水能力,以備及時調整降水方案,保證基坑內水位在開挖面1.0 m以下。 5)在降水井施工時,優先采用泵吸反循環工藝,嚴格控制泥漿稠度,保證井壁穩定;防止因抽取地下水帶出地層細顆粒物質造成地面沉陷。抽出的水含沙量粗砂含量<1/50 000,中砂含量<1/20 000,細沙含量<1/10 000。4 降水監測 動態井點降水的要旨是在降水時間、降水深度、降水范圍上加以控制,即根據施工進度和作業面地質變化,通過降水過程的監測數據分析,在降水地段選擇井位和降水周期,對不影響掘進支護地段選擇性地停泵。這樣就克服了全線降水而導致地表大面積沉降的現象。對地面交通和環境的影響也降到最小。具體工作內容如下述。 1)降水前對自然水位進行統一量測并形成初始資料; 2)降水井運行后在水位未達到設計深度前,必須對降水井水位、出水量每天進行三次觀測。 3)降水期間監測組必須對降水井、觀測井、隧道底部水位和地表沉降進行同步監測。 4)水位達到設計深度并且隧道底部水位穩定以后,每天觀測1次。 5)對監測結果進行記錄、分析整理,繪制出水量Q與時間t和水位降低值h的過程變化曲線。分析水位出水量下降趨勢,預計實現降水深度所需時間。 6)選擇具有代表性的管井,在降水監測期和水位維護期前后各采集水樣作水質分析。抽取水樣含砂率應符合有關規定,發現含砂率過大要及時分析原因并采取處理措施,防止泥砂流失引起地面沉降。 7)根據地下水水位、降水井排水量及隧道作業面的水位變化情況,及時判斷降水情況是否正常,若出現異常現象及時調查產生原因,提出補救措施保證降水達到施工要求。 8)加強地表沉降、地下管線及地表建筑物沉降觀測,繪制地表沉降、管線沉降、地表建筑物沉降s與降水時間t的變化曲線、沉降速率,分析沉降趨勢。當監測發現建筑物沉降趨勢加大且持續發生,應及時查明原因,并應根據建筑物沉降的情況采取回灌、注漿等措施處理。5 降水效果 1)降水前地面沉降 以云—沈區間1、2號豎井橫通道為例。因橫通道完全處于砂層中,圍巖含水量非常大。隧道開挖后作業面出水量很大,土體自穩能力很差(局部砂層成流塑狀),邊墻拱腳處開挖時經常出現流砂、涌砂,導致施工速度過慢,仰拱封閉時間長,造成隧道內拱頂下沉量大(已達75 mm)。更嚴重的是地表沉降最大值已達170mm。 2)降水后地面沉降 為了控制拱頂及地表沉降,在區間正線進行分段推進井點降水施工,作業面開挖時基本沒有水,或滲水量很小,巖體自穩能力大大加強,為封閉成環及初噴混凝土創造了極好的條件,加快了施工速度。根據監控量測資料顯示,降水后開挖初支完成時,地表最終沉降量未超過59 mm,洞內拱頂沉降在30 mm以內。 3)為隧道安全施工創造了條件 根據設置的水位觀測井及井水本身的水位觀測,在降水井3.5 m范圍內水位降至仰拱部位,滿足施工要求。 降水后砂層飽和水被抽走,使得隧道上臺階和下臺階邊墻處于無水條件下作業,圍巖自穩時間延長,為初支提供了寶貴的時間。未降水前區間隧道日進尺不超過1.5 m,區間隧道動態管井降水施工后單洞日進尺4.0 m。 通過控制降水周期、降水深度、抽排水量等信息實施動態降水,再加上洞內超前預加固措施,從而安全、優質、快速地完成富水砂層淺埋暗挖隧道的施工。6 結束語 沈陽地鐵1、2豎井施工引起一些地點地表沉降值超限,經過分析認為地表沉降過大主要是由于流砂和地下水流失所致,而地表動態管井井點降水是克服洞內施工突發性流砂的有效手段。云—沈區間通過實施動態管井井點降水后,沉降值控制在6 cm之內,保證了管線安全、地面交通暢通,加快了施工進度,為總體工期贏得了寶貴的時間。因此,創造條件實施動態管井井點降水是必要的。降水方案設計與現場實際相結合,要綜合考慮交通、環保、降水對地下管線與周邊建筑的影響。動態管井井點降水是一種有效措施,更是解決富水砂層淺埋暗挖隧道加固措施的重要手段。參考文獻[1]夏明耀.地下工程設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1999.[2]遼寧有色勘測研究院.沈陽地鐵一號線工程降水專題研究報告[R].沈陽:遼寧有色勘測研究院,2003.