淺埋暗挖隧道在粉質粘土層中帶水作業實例研究

汪 巖，劉鐵柱，衣紹彥，孟克巴依爾

(北京市建設工程安全質量監督總站，北京 100000）

北京北部區縣修建地鐵由于靠近山區，地質條件復雜，開挖隧道多遇地下水豐富地層，會給暗挖施工帶來不利影響，根據規范及設計文件要求，淺埋暗挖隧道必須無水作業，但實際工程監督過程中，會遇到個別工程降、阻水難度大，在費用、工期等方面難以實現無水作業的情況，堅持要求實現無水作業并不現實。正在修建的北京地鐵昌平線二期工程昌平新區站-南邵站區間暗挖段由于地質原因，降、阻水難度大，無法達到無水作業條件，在多次組織專家論證，按要求采取相應技術措施后，暗挖區間在帶水作業條件下，安全、順利地完成了貫通。

1 工程概況

昌平新區站-南邵站區間的暗挖段為區間風井至南邵站，暗挖段里程K9+600.9～K10+150.373，單線全長562.603m。于K9+943.057處設置暗挖豎井1座，豎井橫通道內向兩端開挖。

1.1 隧道斷面結構型式

圖1 隧道斷面示意圖

暗挖隧道單洞為馬蹄形斷面，斷面形式見圖1。平均埋深11.4～17.6m，全長為直線段，隧道豎向以0.64%坡度自區間風井向南邵站爬升，區間風井為暗挖段高程最低點（軌頂標高40.294m，地面標高66.78m，隧道拱底埋深約17.56m），南邵站處為暗挖段高程最高點（軌頂標高43.611m，地面標高59.66m，隧道拱頂埋深約11.0m）。

1.2 工程地質情況

隧道頂板大部分區段穿過的土層為粉質粘土⑥層、粘土⑥2層、卵石⑤層和中粗砂⑤1層，上部的卵石和粉土均為含水層，圍巖等級為VI級。

表1 地下水特征一覽表

邊墻圍巖主要為粉質粘土⑥層、粉土⑥2層、卵石⑦層、中粗砂⑦1層和強風化凝灰質礫巖1層，圍巖等級為VI級。

結構底板圍巖主要為粉質粘土⑥層、粉土⑥2層、粉質粘土⑧層和強風化凝灰質礫巖1層，圍巖等級為VI級。

1.3 水文地質情況

暗挖段所處山前沖積平原，其間分布東沙河一級階地、河床及河漫灘，表層主要以粘性土、砂土及碎石類土交互土層為主，其下伏基巖為侏羅紀凝灰巖。地下水特征如表1所示。

1.4 原降水設計概況

根據隧道埋深及地下水情況，里程K9+600.100～K10+0.000段布置降水井101眼，井深26.0m，井間距7.0～8.0m；里程K10+0.000～K10+150.373段布置降水井42眼，井深23.0m，一般井間距為8.0m。

1.5 隧道結構型式及施工方法

隧道結構采用復合式襯砌（初期支護+二次襯砌）施工方法。初期支護由噴射混凝土、鋼筋網及鋼格柵（縱向間距0.5m）組成。二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。初期支護與二次襯砌之間敷設防水層。

超前支護采用超前小導管（縱向間距1m）并周壁預注漿，漿液采用水泥單液漿。初期支護背后采用無收縮水泥漿液注漿回填。

隧道采用正臺階預留核心土法施工，施工工序為：①超前小導管打設并注漿；②上導洞上臺階土方開挖及初期支護；③上導洞核心土開挖及初期支護；④下導洞土方開挖及初期支護；⑤下導洞初期支護及注漿，詳見圖2所示。

2 施工中遇到的問題

現場施工時，上臺階位于粉質粘土⑥層，土體密實、表面光滑，空隙少、無裂隙存在，大部分土體干燥，少部分土體潮濕但無滲水，開挖過程順利。

圖2 隧道施工工藝示意圖

下臺階絕大部分位于粉質粘土⑧層，小部分位于粉質粘土⑥層及強風化凝灰質礫巖1層。粉質粘土⑧層土體強風化，孔隙多，豎向裂隙明顯。在隧道底以上2.3m范圍內，滲水、涌水明顯。

由于土體豎向裂隙較多、橫向裂隙較少，上層潛水通過豎向裂隙進入開挖掌子面處。而由于橫向裂隙少，降水井周邊地下水不能通過橫向裂隙匯入降水井內，降水井影響半徑小、降水效果差。造成掌子面開挖時滲水嚴重，滲水點位于仰拱以上2.3m范圍。增加施工風險，且仰拱噴錨料中的膠凝材料（水泥）被沖刷流失，造成噴錨料不能凝結、呈松散狀態，不能起到初期支護作用。

3 地下水控制措施及效果

根據工程地質情況、水文地質情況并結合現場實際，施工單位主要采取4種方法防治地下水危害：①降水井加密、加深；②洞內真空泵降水；③掌子面注漿止水；④洞內排水措施。

3.1 降水井加密、加深

初步分析，降水井設計間距過大、深度不夠是造成隧道內滲、涌水的主要原因。因此決定進行降水井加密、加深試驗段，觀察降水效果。

第一次試驗段的范圍為設計里程左K9+877至左K9+912和右K9+891至右K9+918)，長度為40m。在原設計降水井中間加設一口降水井，降水井加深到隧道底板下8m，井深達到30m。隧道開挖至加密區后，掌子面下臺階滲水區域降低約1m（滲水點由仰拱以上2.3m處降至1.3m處），且滲水量減小。

根據第一次試驗結果，經討論及改進，進行第二次降水井加密、加深試驗段。試驗段范圍為設計里程左K9+772至左K9+856和右K9+762至右K9+846，長度80m，在隧道兩側原設計降水井中間加設一口降水井，降水井加深到隧道底板下12m，井深達到34m。降水井打設完成后，剛開始抽水時，左線平均日抽水量為70m3/口，右線平均日抽水量為30m3/口，左線日抽水量較大。正常抽水40天后，出水量逐漸減少，最終穩定在平均日抽水量10m3/口以內。隧道開挖進入第二次降水井加密、加深（井深34m）試驗段后僅掌子面仰拱底以上0.6m范圍內存在滲水現象且滲水明顯減少，掌子面東側（靠近降水井側）土體滲水明顯小于西側。

通過降水井加深、加密到30m、34m兩次試驗段內掌子面的滲水情況分析，區間暗挖通過第一次試驗段時掌子面滲水高度由仰拱以上2.3m降低到仰拱以上1.3m范圍，滲水量減小。進入第二次試驗段降水井加深到34m后，掌子面滲水高度由仰拱以上1.3m降低到仰拱以上0.6m范圍內，滲水量明顯減小。但滲水仍然存在，無法達到隧道內的無水作業要求。

3.2 洞內真空泵降水

經過降水井加深、加密兩次試驗段時均無法滿足洞內無水作業要求，為確保施工安全質量，施工單位增加了洞內輔助真空降水措施。掌子面采用鉆桿直徑40mm的便攜式鉆機成孔，成孔深度3m，插入土層PVC水管直徑25mm，真空泵排水管直徑600mm，正線隧道內兩側墻各放置1臺超前真空降水采用真空泵抽水。

橫通道馬頭門破除時即發現掌子面下臺階滲水嚴重，因此隧道正線開挖時立即采取真空泵降水。真空泵降水總流量達到1.5m3/h，達到真空泵額定抽水能力，但是掌子面滲水還是很嚴重，效果不顯著。而且真空泵降水影響正常開挖，造成掌子面不能及時封閉，加大施工難度和風險，沒有達到預期的降水效果。

3.3 掌子面注漿止水

在洞內真空泵降水效果不理想的情況下，又對止水措施進行了調整，采取了掌子面注漿止水措施。開挖面共計進行3次注漿試驗，在下臺階范圍內、隧道兩側各打3個注漿孔，注入1∶1水泥漿液。成孔后緩慢加壓，壓力在0.5MPa以內時，漿液注入量非常小，每孔達不到0.5m3。壓力在0.5～1MPa時，漿液從注漿孔和相鄰注漿孔竄出，不能注入土體。由此可見，由于土體過于密實，漿液擴散半徑小，串孔現象明顯，漿液沿相鄰注漿管回流，無法實現注漿止水效果。

3.4 洞內排水施工

在上述3種降水措施均達不到洞內無水作業的情況下，隧道土方開挖及初襯施工只能帶水作業，對仰拱錨噴采取技術保證措施并在洞內采取排水措施。

為改善明流水造成仰拱錨噴混凝土質量差，采取了增大仰拱錨噴層厚度的辦法，由原設計的300mm增加至700mm厚。待初期支護全部完成后，將仰拱錨噴混凝土分段鑿除、分段復噴，以保證仰拱混凝土質量，并為防水施工創造條件。

同時，在仰拱兩側設置排水溝進行明排（圖3）。排水溝排水坡度為6.4‰，與隧道設計坡度相同，每50m設置1個積水坑，每個積水坑放置1臺1.5kW的潛水泵，采用逐級接力抽水方式匯水至豎井積水坑，抽出豎井后，經沉淀池沉淀達到市政排污標準后排入市政管網。排水期間最大抽排水量達3.2m3/h。

圖3 洞內臨時排水溝位置圖

4 工程治水效果

從隧道正線土方開挖至初襯全部完成，現場隧道土方開挖過程中，仰拱部位一直帶水作業。仰拱部位土體雖存在滲、涌水，但是土質密實、膠結性好，實際施工需先用電動風鎬將土體松弛，然后才可用人工破除。施工過程中，未發生過滑坡、坍塌現象，隧道內拱頂收斂、地面沉降等監測數據在規范允許范圍內，帶水作業環境下隧道施工安全可控。

5 結 論

經過上述試驗及實踐總結，在密實粉質粘土、豎向裂隙發育、橫向裂隙少、孔隙多的地層，降水井加深加密試驗對降低水位，控制滲水量有一定的作用；洞內真空泵降水試驗和掌子面注漿止水試驗降水效果不明顯，可以視為降水無效。此3種工藝均不能達到使隧道內進行無水開挖施工的條件。為保證在此類地層中帶水進行隧道土方開挖及初襯施工，還需采取增厚仰拱錨噴層、增加明排措施等辦法。

[1] 王夢恕．地下工程淺埋暗挖技術通論[M]．合肥：安徽教育出版社，2004.