地表动态井点降水在沈阳地铁施工中的应用摘要:沈阳地铁一号线云峰北街站—沈阳站区间,地处浑河古河道,围岩土质为砂层、中砂层、粉质黏土层,含水量非常丰富。隧道开挖后,地下水将大量从工作面渗出,势必导致地表沉降量严重超标。为了隧道的施工安全及控制地表沉降,决定采用管井井点降水。文章详细地介绍了降水设计原则、管井构造及施工要点、降水动态监测等情况。关键词:地铁隧道 地表沉降 井点降水 沉降分析1 工程概述 沈阳地铁一号线云峰北街站到沈阳站区间全长1 413 m,工程所处地貌为浑河冲洪积扇地,微地貌为浑河高漫滩及古河道,是沈阳地区地下水排泄区域。区间暗挖隧道主要穿越砂层、中粗砂层、粉质黏土层,属于Ⅵ级围岩。砂层中富含地下潜水,水文地质条件复杂。根据施工现场情况,处于黏土层上方的砂层含水量丰富,区间暗挖隧道在开挖后,地下水迅速从工作面渗出,使砂质岩层软化,自稳能力减弱,并且速度非常快,出现涌水、流沙。特别是在下台阶开挖时,边墙及仰拱经常出现突发性涌入大量粉质细砂,致使仰拱和边墙不能及时封闭,导致暗挖隧道拱顶及地表沉降严重超标。为了确保砂层浅埋暗挖隧道的开挖施工安全及降低地表沉降量,采取管井井点降水措施。2 井点降水设计2·1 井点类型选择 井点降低地下水水位的方法和设备选择,应根据施工现场岩层的渗透系数、工程特点及施工要求降低地下水水位的深度,进行技术、经济比较后确定。 依据设计院提供的地质资料,确定云—沈区间全线实施井点降水。经过现场试验对比(单层轻型井点、多层轻型井点、喷射井点、管井井点、砂渗井点及真空吸水降水等),考虑降水井使用条件和水位降低深度要求,选择采用管井井点降水施工方案。2·2 降水设计原则及管井构造 1)降水施工不能影响地面交通,不得影响周边环境状态。 2)降水施工方案设计必须考虑对地表沉降,对地下管线及周边建筑物的影响。 3)降水井距隧道结构最小距离不小于2 m。 4)隧道下台阶施工需要无水作业,地下水疏干需要一定的周期,而地下砂层透水系数非常大,因此,必须保证开挖面至未开挖地段50 m范围内的降水井同时降水。 管井井点的沉设采用钻孔法施工,其孔径为800mm,井管采用内径为326 mm的无砂管。无砂管外侧四周包2层密目虑网,密目网外测用6号铁丝绕成螺旋状保护层,每两节无砂管之间用宽为5 cm的竹片夹绑。无砂管四周填充3~15 mm的碎石滤料保护层,孔口3~5 m用黏土封填并夯实,降水井结构见图1所示。
2·3 排水量及井点布置 区间采取地面管井井点降水施工方案,降水井沿隧道两侧与之并行布置。降水量计算依据《沈阳地铁一号线工程降水专题研究报告》提供的计算公式,在疏干前应是狭长集水廊道侧壁及隧底进水条件,当水位降至设计水位时,应是狭长集水廊道侧壁进水条件。 计算参数为:潜水渗透系数k=145 m/d;区间降水计算长度a=300 m;区间降水宽度b=26 m,则 引用半径r=0.29(a+b)=94.54 m。 设潜水含水层厚度H=15.5 m(含水底板埋深,减掉水位埋深6 m); 最大水位降深S=15.5 m(工程底板埋深+1 m, 减掉水位埋深6 m),则 依公式计算得基坑总排水量为: 前期全断面Q=6ks[(a+b)s+ab]/R=117 935m3/d; 后期井壁Q=6k[(a+b)s2]/R=46 365 m3/d。 依据上计算结果,在设计水文地质说明中承压水稳定水位埋深为11.73 m,所以在区间隧道开挖时肯定存在承压水头,为保证降水效果,基坑涌水量按117 935×1.5=176 903 m3/d计算。井间距按6 m考虑,布井525口。采用80 m3/h的水泵进行排水,利用率按75%计算,则单井出水量为80×24×0.75=1 440m3/d。实际上在每300 m范围内平均井眼132眼,每天总排水量为1 440×132=190 080 m3/d,大于总涌水量176 903 m3/d满足要求。2·4 管井井点降水引起的地层沉降分析2·4·1 井点降水地面沉降值 根据设计院提供的云—沈区间地质勘测报告,区间砂层压缩模量为6.59MPa,为减小沉降量,降水深度定在作业面无明水存在,降水深度为12.5 m。降水所引起的地面最大沉降,按《地下工程设计手册》中的公式计算为59.27 mm。能满足设计要求。2·4·2 井点降水对地下管线的影响 在区间降水范围内,左线上方有Φ800混凝土污水管和Φ300的混凝土雨水管与隧道伴行,埋深分别为2.2 m和1.2 m;在右线右侧斜上方有一条10 kV的高压电缆和Φ300的混凝土雨水管与隧道并行,埋深分别为1.8 m和1.2 m。根据地表沉降量59.27 mm,对管线的影响也在允许范围之内。3 降水井施工要点 在井点点位施作围挡,并砌筑泥浆池施工排水管道和布置降水设备。降水井采用QJ200-1型反循环工程钻机(配星型钻头),钻孔过程中使用的泥浆护壁用离心泵抽至泥浆运输车运走。钻至设计高程后及时下放无砂管,然后稀释泥浆相对密度接近1.08,在无砂管四周投放碎石虑料,最后进行洗井工作。洗井完毕,在孔口填塞黏土并下泵抽水封堵井盖。降水井施工过程中要注意以下事项。 1)降水井护筒外侧必须用黏土封堵密实,防止钻井施工用水渗漏造成塌孔。 2)水井施工到设计深度时,必须经现场技术人员验收合格后,方可进行下阶段操作。 3)受交通车流影响,排水井口及主要排水管宜采用暗排布置,以防管线碰撞破损造成漏水,直接影响隧道施工安全。 4)井管系统安装完毕后进行试抽水记录出水量及水位变化情况,检算降水井降水能力,以备及时调整降水方案,保证基坑内水位在开挖面1.0 m以下。 5)在降水井施工时,优先采用泵吸反循环工艺,严格控制泥浆稠度,保证井壁稳定;防止因抽取地下水带出地层细颗粒物质造成地面沉陷。抽出的水含沙量粗砂含量<1/50 000,中砂含量<1/20 000,细沙含量<1/10 000。4 降水监测 动态井点降水的要旨是在降水时间、降水深度、降水范围上加以控制,即根据施工进度和作业面地质变化,通过降水过程的监测数据分析,在降水地段选择井位和降水周期,对不影响掘进支护地段选择性地停泵。这样就克服了全线降水而导致地表大面积沉降的现象。对地面交通和环境的影响也降到最小。具体工作内容如下述。 1)降水前对自然水位进行统一量测并形成初始资料; 2)降水井运行后在水位未达到设计深度前,必须对降水井水位、出水量每天进行三次观测。 3)降水期间监测组必须对降水井、观测井、隧道底部水位和地表沉降进行同步监测。 4)水位达到设计深度并且隧道底部水位稳定以后,每天观测1次。 5)对监测结果进行记录、分析整理,绘制出水量Q与时间t和水位降低值h的过程变化曲线。分析水位出水量下降趋势,预计实现降水深度所需时间。 6)选择具有代表性的管井,在降水监测期和水位维护期前后各采集水样作水质分析。抽取水样含砂率应符合有关规定,发现含砂率过大要及时分析原因并采取处理措施,防止泥砂流失引起地面沉降。 7)根据地下水水位、降水井排水量及隧道作业面的水位变化情况,及时判断降水情况是否正常,若出现异常现象及时调查产生原因,提出补救措施保证降水达到施工要求。 8)加强地表沉降、地下管线及地表建筑物沉降观测,绘制地表沉降、管线沉降、地表建筑物沉降s与降水时间t的变化曲线、沉降速率,分析沉降趋势。当监测发现建筑物沉降趋势加大且持续发生,应及时查明原因,并应根据建筑物沉降的情况采取回灌、注浆等措施处理。5 降水效果 1)降水前地面沉降 以云—沈区间1、2号竖井横通道为例。因横通道完全处于砂层中,围岩含水量非常大。隧道开挖后作业面出水量很大,土体自稳能力很差(局部砂层成流塑状),边墙拱脚处开挖时经常出现流砂、涌砂,导致施工速度过慢,仰拱封闭时间长,造成隧道内拱顶下沉量大(已达75 mm)。更严重的是地表沉降最大值已达170mm。 2)降水后地面沉降 为了控制拱顶及地表沉降,在区间正线进行分段推进井点降水施工,作业面开挖时基本没有水,或渗水量很小,岩体自稳能力大大加强,为封闭成环及初喷混凝土创造了极好的条件,加快了施工速度。根据监控量测资料显示,降水后开挖初支完成时,地表最终沉降量未超过59 mm,洞内拱顶沉降在30 mm以内。 3)为隧道安全施工创造了条件 根据设置的水位观测井及井水本身的水位观测,在降水井3.5 m范围内水位降至仰拱部位,满足施工要求。 降水后砂层饱和水被抽走,使得隧道上台阶和下台阶边墙处于无水条件下作业,围岩自稳时间延长,为初支提供了宝贵的时间。未降水前区间隧道日进尺不超过1.5 m,区间隧道动态管井降水施工后单洞日进尺4.0 m。 通过控制降水周期、降水深度、抽排水量等信息实施动态降水,再加上洞内超前预加固措施,从而安全、优质、快速地完成富水砂层浅埋暗挖隧道的施工。6 结束语 沈阳地铁1、2竖井施工引起一些地点地表沉降值超限,经过分析认为地表沉降过大主要是由于流砂和地下水流失所致,而地表动态管井井点降水是克服洞内施工突发性流砂的有效手段。云—沈区间通过实施动态管井井点降水后,沉降值控制在6 cm之内,保证了管线安全、地面交通畅通,加快了施工进度,为总体工期赢得了宝贵的时间。因此,创造条件实施动态管井井点降水是必要的。降水方案设计与现场实际相结合,要综合考虑交通、环保、降水对地下管线与周边建筑的影响。动态管井井点降水是一种有效措施,更是解决富水砂层浅埋暗挖隧道加固措施的重要手段。参考文献[1]夏明耀.地下工程设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.[2]辽宁有色勘测研究院.沈阳地铁一号线工程降水专题研究报告[R].沈阳:辽宁有色勘测研究院,2003.
2·3 排水量及井点布置 区间采取地面管井井点降水施工方案,降水井沿隧道两侧与之并行布置。降水量计算依据《沈阳地铁一号线工程降水专题研究报告》提供的计算公式,在疏干前应是狭长集水廊道侧壁及隧底进水条件,当水位降至设计水位时,应是狭长集水廊道侧壁进水条件。 计算参数为:潜水渗透系数k=145 m/d;区间降水计算长度a=300 m;区间降水宽度b=26 m,则 引用半径r=0.29(a+b)=94.54 m。 设潜水含水层厚度H=15.5 m(含水底板埋深,减掉水位埋深6 m); 最大水位降深S=15.5 m(工程底板埋深+1 m, 减掉水位埋深6 m),则 依公式计算得基坑总排水量为: 前期全断面Q=6ks[(a+b)s+ab]/R=117 935m3/d; 后期井壁Q=6k[(a+b)s2]/R=46 365 m3/d。 依据上计算结果,在设计水文地质说明中承压水稳定水位埋深为11.73 m,所以在区间隧道开挖时肯定存在承压水头,为保证降水效果,基坑涌水量按117 935×1.5=176 903 m3/d计算。井间距按6 m考虑,布井525口。采用80 m3/h的水泵进行排水,利用率按75%计算,则单井出水量为80×24×0.75=1 440m3/d。实际上在每300 m范围内平均井眼132眼,每天总排水量为1 440×132=190 080 m3/d,大于总涌水量176 903 m3/d满足要求。2·4 管井井点降水引起的地层沉降分析2·4·1 井点降水地面沉降值 根据设计院提供的云—沈区间地质勘测报告,区间砂层压缩模量为6.59MPa,为减小沉降量,降水深度定在作业面无明水存在,降水深度为12.5 m。降水所引起的地面最大沉降,按《地下工程设计手册》中的公式计算为59.27 mm。能满足设计要求。2·4·2 井点降水对地下管线的影响 在区间降水范围内,左线上方有Φ800混凝土污水管和Φ300的混凝土雨水管与隧道伴行,埋深分别为2.2 m和1.2 m;在右线右侧斜上方有一条10 kV的高压电缆和Φ300的混凝土雨水管与隧道并行,埋深分别为1.8 m和1.2 m。根据地表沉降量59.27 mm,对管线的影响也在允许范围之内。3 降水井施工要点 在井点点位施作围挡,并砌筑泥浆池施工排水管道和布置降水设备。降水井采用QJ200-1型反循环工程钻机(配星型钻头),钻孔过程中使用的泥浆护壁用离心泵抽至泥浆运输车运走。钻至设计高程后及时下放无砂管,然后稀释泥浆相对密度接近1.08,在无砂管四周投放碎石虑料,最后进行洗井工作。洗井完毕,在孔口填塞黏土并下泵抽水封堵井盖。降水井施工过程中要注意以下事项。 1)降水井护筒外侧必须用黏土封堵密实,防止钻井施工用水渗漏造成塌孔。 2)水井施工到设计深度时,必须经现场技术人员验收合格后,方可进行下阶段操作。 3)受交通车流影响,排水井口及主要排水管宜采用暗排布置,以防管线碰撞破损造成漏水,直接影响隧道施工安全。 4)井管系统安装完毕后进行试抽水记录出水量及水位变化情况,检算降水井降水能力,以备及时调整降水方案,保证基坑内水位在开挖面1.0 m以下。 5)在降水井施工时,优先采用泵吸反循环工艺,严格控制泥浆稠度,保证井壁稳定;防止因抽取地下水带出地层细颗粒物质造成地面沉陷。抽出的水含沙量粗砂含量<1/50 000,中砂含量<1/20 000,细沙含量<1/10 000。4 降水监测 动态井点降水的要旨是在降水时间、降水深度、降水范围上加以控制,即根据施工进度和作业面地质变化,通过降水过程的监测数据分析,在降水地段选择井位和降水周期,对不影响掘进支护地段选择性地停泵。这样就克服了全线降水而导致地表大面积沉降的现象。对地面交通和环境的影响也降到最小。具体工作内容如下述。 1)降水前对自然水位进行统一量测并形成初始资料; 2)降水井运行后在水位未达到设计深度前,必须对降水井水位、出水量每天进行三次观测。 3)降水期间监测组必须对降水井、观测井、隧道底部水位和地表沉降进行同步监测。 4)水位达到设计深度并且隧道底部水位稳定以后,每天观测1次。 5)对监测结果进行记录、分析整理,绘制出水量Q与时间t和水位降低值h的过程变化曲线。分析水位出水量下降趋势,预计实现降水深度所需时间。 6)选择具有代表性的管井,在降水监测期和水位维护期前后各采集水样作水质分析。抽取水样含砂率应符合有关规定,发现含砂率过大要及时分析原因并采取处理措施,防止泥砂流失引起地面沉降。 7)根据地下水水位、降水井排水量及隧道作业面的水位变化情况,及时判断降水情况是否正常,若出现异常现象及时调查产生原因,提出补救措施保证降水达到施工要求。 8)加强地表沉降、地下管线及地表建筑物沉降观测,绘制地表沉降、管线沉降、地表建筑物沉降s与降水时间t的变化曲线、沉降速率,分析沉降趋势。当监测发现建筑物沉降趋势加大且持续发生,应及时查明原因,并应根据建筑物沉降的情况采取回灌、注浆等措施处理。5 降水效果 1)降水前地面沉降 以云—沈区间1、2号竖井横通道为例。因横通道完全处于砂层中,围岩含水量非常大。隧道开挖后作业面出水量很大,土体自稳能力很差(局部砂层成流塑状),边墙拱脚处开挖时经常出现流砂、涌砂,导致施工速度过慢,仰拱封闭时间长,造成隧道内拱顶下沉量大(已达75 mm)。更严重的是地表沉降最大值已达170mm。 2)降水后地面沉降 为了控制拱顶及地表沉降,在区间正线进行分段推进井点降水施工,作业面开挖时基本没有水,或渗水量很小,岩体自稳能力大大加强,为封闭成环及初喷混凝土创造了极好的条件,加快了施工速度。根据监控量测资料显示,降水后开挖初支完成时,地表最终沉降量未超过59 mm,洞内拱顶沉降在30 mm以内。 3)为隧道安全施工创造了条件 根据设置的水位观测井及井水本身的水位观测,在降水井3.5 m范围内水位降至仰拱部位,满足施工要求。 降水后砂层饱和水被抽走,使得隧道上台阶和下台阶边墙处于无水条件下作业,围岩自稳时间延长,为初支提供了宝贵的时间。未降水前区间隧道日进尺不超过1.5 m,区间隧道动态管井降水施工后单洞日进尺4.0 m。 通过控制降水周期、降水深度、抽排水量等信息实施动态降水,再加上洞内超前预加固措施,从而安全、优质、快速地完成富水砂层浅埋暗挖隧道的施工。6 结束语 沈阳地铁1、2竖井施工引起一些地点地表沉降值超限,经过分析认为地表沉降过大主要是由于流砂和地下水流失所致,而地表动态管井井点降水是克服洞内施工突发性流砂的有效手段。云—沈区间通过实施动态管井井点降水后,沉降值控制在6 cm之内,保证了管线安全、地面交通畅通,加快了施工进度,为总体工期赢得了宝贵的时间。因此,创造条件实施动态管井井点降水是必要的。降水方案设计与现场实际相结合,要综合考虑交通、环保、降水对地下管线与周边建筑的影响。动态管井井点降水是一种有效措施,更是解决富水砂层浅埋暗挖隧道加固措施的重要手段。参考文献[1]夏明耀.地下工程设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.[2]辽宁有色勘测研究院.沈阳地铁一号线工程降水专题研究报告[R].沈阳:辽宁有色勘测研究院,2003.
