黃土地質地鐵隧道施工降水與沉降控制

潘云鵬

摘 要： 地鐵暗挖隧道施工降水的成功與否是決定隧道施工安全、優質、高效完成的保證，又是地層沉降控制的關鍵。針對西安特有的黃土地質條件下地鐵深基坑施工，從土層地質、水文、降水方式、降水參數等各個方面進行分析和研究，對黃土地質條件下地鐵深基坑降水與沉降控制的施工技術進行了闡述。

關鍵詞： 黃土；地鐵隧道；施工降水；與；沉降控制

1 前言

隨著科學技術的進步，地鐵隧道越來越多的采用盾構施工，但是，在一些特殊地段或地區，仍需采用淺埋暗挖法施工。要進行地下暗挖施工，必須對地下水進行處理后才能進行。地下水處理通常采用的方法是施工降水，通過采取不同的降水方式使地下水下降到要求的水位。在降水過程中，處于地下水位之下的土體，當地下水被疏干時，浮力消失，所消失的浮力轉化為自重應力，其自重應力增加值相當于浮力消失值，并可視等同于原始狀態下土體附加應力增加值，使土體壓縮產生沉降。當沉降值過大時，易導致地面建筑物變形、地下管線破壞的危害。

2 工程概況

西安地鐵一號線朝陽門站～康復路站區間隧道沿長樂西路下方布置；左右線隧道分別長774米、776米，采用噴錨法施工；左右線隧道線間距15米，拱頂埋深約14.8米（朝陽門端）～9.4米（康復路端），隧道按照地質地段不同分為A、B、C、D、E五種斷面結構。

朝陽門-康復路地段為西北最大服裝集散地，地面人流密集、交通繁忙，道路兩側建筑物密布，除個別建筑物為框架結構外，其余均為淺基磚混結構；隧道區域內地下管線復雜，分別為1.0m雨污水管道；直徑0.6m自來水管道，直徑0.31m天然氣管道、電纜管溝各一道。

3 工程地質特征

3.1地形地貌

朝康區間隧道位于長樂西路下方，區間場地標高404.99～407.91m，全段東高西低，高差2.92m，地貌單元屬黃土梁洼。

3.2工程地質

飽和軟黃土層東厚西薄，隧道洞身穿越老黃土、粉質粘土、飽和軟黃土、古土壤。

3.3水文地質

隧道區域地下水屬潛水類型，賦存于上更新統殘積古土壤、中更新世風積黃土及沖擊粉質粘土等黏性土層。

主要含水層為中更新統沖擊粉質粘土中2到3層中砂透鏡體夾層，分布不連續，該層透水性好，賦水性強。

潛水補給為地下徑流補給。受興慶湖滲漏抬升影響，主要流向NW。潛水排泄方式為徑流、人工開采及蒸發消耗等。

朝陽門段降水前觀測孔內穩定水位埋深7.5m，康復路段降水前觀測孔內穩定水位埋深4.5m，東西兩端自然水位高差3m。

4 施工降水

4.1 降水方式

由于西安地鐵隧道埋深大于一般工民建工程，在西安城東區域沒有類似降水實例，根據區間水文地質測試試驗結果及地裂縫巖土工程勘察報告，參照本區域內相關深基坑降水經驗，同時結合黃土地區降水經驗綜合分析，朝康區間采用開放式管井降水，降水井布置在區間左線隧道北側和右線隧道南側。降水井孔徑為800mm。

4.1.1 確定井深

降水井的深度按《工程地質手冊》（第四版）公式（9-5-3）確定

H/為軌底埋深；h=i*r0，i取0.1，r0取15m；sw為降水水位距結構底距離，取1m；hw為降水期間地下水位變幅，取2m；h/為沉砂管長度，取3m；L為降水井過濾器工作長度。

根據地層地質參數，區間隧道分3段分別進行計算，通過計算降水井深度如下。

根據計算結果及隧道降水特點確定朝陽門段井深45m，康復路段井深40m。

4.1.2 確定井數

根據隧道結構特征、周邊建筑物情況、地層地質特點，周圍水文地質條件及降深，同時結合地鐵隧道施工降水的特點進行分析確定。

根據區間開挖深度范圍內含水層的分布情況及地下水賦存特征，本區間涌水量計算采用模型為潛水完整井，基坑遠離邊界。按等代“大口井”以潛水完整井計算：

根據《規程》F.0.7 確定降水影響半徑，

計算 ZDK22+519-ZDK22+750段降水影響半徑：

計算 ZDK22+750-ZDK23+125段降水影響半徑：

計算 ZDK23+125-ZDK23+295.2段降水影響半徑：

根據《工程地質手冊》（第三版）公式9-5-11 確定基坑等效半徑，

計算ZDK22+750-ZDK22+125段基坑等效半徑： r0=0.25*1.04*（375.2+22）=103.23 m

計算ZDK22+519-ZDK22+750段基坑等效半徑： r0=0.25*1.06*（231+22）=67.045 m

計算ZDK23+125-ZDK23+295.2段基坑等效半徑：r0=0.25*1.08*（170+22）=51.84 m

計算涌水量

根據計算結果和相關施工降水經驗，分別在ZDK22+519～ZDK22+750、 ZDK22+750～ZDK23+125、 ZDK23+125～ZDK23+295段布置降水井32口、50口、26口，井間距約15.0m。

4.2 降水效果

按照西安地區降水經驗，一般在連續降水15天以后，地下水位即可降至設計降水水位。區間隧道康復路段在三階段降水后，隧道開挖掌子面無滲水，土層內無滯留水，土體穩定，達到降水目標。但在區間隧道朝陽門段進行降水15天以上，隧道地下水位降到17.4m后就難以繼續下降，在增加降水井、更換大功率水泵后未有明顯變化。由于隧道內滲水嚴重，對開挖安全極為不利。

5 降水差異原因

通過豎井及橫通道施工降水及區間隧道施工降水分析，飽和軟黃土層及古土壤層地下水易于疏干，老黃土層及粉質粘土層地下水難以疏干。而區間場地潛水賦存上更新統殘積古土壤、中更新世風積黃土及沖積粉質粘土等黏性土層，根據老黃土、粉質粘土層賦水性強，滲透性差的特性，該土層地下水難以疏干，并且，降水漏斗遠端地下水源源不斷的補給到土層中，由此造成土層地下水維持在一個穩定水位。因此，朝陽門段隧道與康復路段隧道洞身穿越土層地質的不同是降水效果出現差異的根本原因。

6 沉降控制

根據規范建議降水沉降計算方法（分層總和法）進行沉降預測計算。根據地層特點和區間特點，沉降計算結果為：

ZDK22+519-ZDK22+750段各土層累積最大沉降值為21.2cm，ZDK22+750-ZDK2 3+125段各土層累積最大沉降值為22.7cm，ZDK23+125-ZDK23+295段各土層累積最大沉降值為20.1cm。

按照計算結果，沉降值明顯偏大，當差異沉降超過3‰時，有可能造成建筑物、地下管線變形破壞，必須從多方面進行控制。

6.1 降水井處理

采用管井法井點降水，如果降水井反濾層效果不理想時或砂層部位沒有處理好，將會使地層土顆粒隨降水水流流動而流失，導致地面沉降，進而破壞鄰近建筑物的基礎，導致建筑物產生不均勻沉降。

根據相關工程實踐經驗，在黃土層中的降水，采取以下措施對此類影響加以有效控制：

在濾水管接頭部位上下各50cm范圍用60目網包封；控制降水井施工時的濾料質量，提高濾料的過濾作用；在抽水時，觀測水中的含泥砂量，大于1/10000時應停止抽水，查找原因。

為防止涌砂，對穿越砂層的透水管段，砂層頂面以上豎向3.0m至底面以下豎向3.0m范圍內采用60目網包封，濾水管底部用混凝土底座封閉，并填入0.5m厚礫石。

6.2 降水方法

為控制隧道范圍地表建筑物沉降變形，采用分階段降水，通過控制階段沉降量控制水位降落曲線，使之平緩下降，控制總沉降量以減小不均勻沉降。

降水分三階段進行控制：第一階段水位降落5.0m，第二階段水位降落5.0m，第三階段降至設計要求水位。降至階段控制水位時對周鄰建筑進行沉降觀測，在沉降基本穩定后再進行下階段降水。

6.3 朝陽門段

本段在降水15天時，地面沉降最大值為1.0cm。

由于朝陽門段地下水未能完全疏干，造成隧道內滲漏水，給施工帶來困難。增加降水井可起到降低水位的效果，但可能造成地面沉降加大，產生不可預料的風險。根據掌子面滲水現狀，在保持既有降水條件下采用洞內注漿的方法將開挖輪廓內土層地下水從土體中排擠出去，為此在隧道下臺階輪廓線外側，利用呈輻射狀注漿方式交叉形成一道帷幕，經比選后采用雙液化學注漿法進行加固處理。為確保隔絕外來水體、達到止水帷幕的止水的效果，采用WSS工法進行注漿，通過漿液擴散將漿液充填地層土體孔隙內、固結地層，且使其具有一定的強度，在隧道斷面周圍形成一道隔水帷幕，隔絕外來水體。在注漿結束后，根據洞內滲水情況，可適當減少工作降水井數量，以減小后期累加沉降值。

6.4康復路段

本段在三階段降水完成時，地面沉降最大值為0.7cm。

在后續施工降水過程中，在按照三階段降水的基礎上，采取隔一口降水井停一口井的方法，降低群井效應，減小總出水量，使降水漏斗半徑縮小，沉降影響范圍隨之減小。

減少降水井數量后，康復路段隧道內無滲水，掌子面土體無滯水。降水漏斗縮小后，降水影響范圍減小，總出水量減少，即土層失水量減少，后期降水產生的土層累加沉降值隨之減小。

7 效果

朝陽門段降水井按照15m間距布置，且局部進行加密，受地層地質影響，進行降水后水位存留在老黃土層內部，為保證施工安全，在繼續保持既有降水條件的基礎上，在洞內增加了注漿止水的措施，注漿止水加固后，掌子面土體無滲水，開挖后，漿液與土體固結為一體，漿脈延伸完整，土體基本擠密，達到了預期的止水、加固目的。由于朝陽門段降水條件未發生大的變化，后期地層累加沉降值較高，造成地面最大總沉降值達到9.3cm。地面臨近建筑物差異沉降最大值為1.23‰，小于規范規定的標準3‰。

康復路段施工降水進行調整后，后期地層累加沉降值較低，地面最大總沉降值為4.4cm。地面臨近建筑物差異沉降最大值為1.0‰，小于規范規定的標準3‰。

8 結束語

通過在朝陽門-康復路區間隧道施工降水證明，在降水參數合理的情況下，開放式管井降水在飽和軟黃土層、古土壤層能夠達到降水目標，且沉降量較小。在老黃土層及粉質粘土層中，在適當進行降水的前提下，需采取洞內注漿止水結合的方法進行隧道施工，避免由于采用單一降水方法造成地層沉降偏大，引起建筑物、地下管線破壞的缺點。