水平真空降水技術在地鐵隧道施工中的運用

文/陳兆艷 中鐵十五局集團第五工程有限公司 天津 300000

1、工程概況

北京地鐵14號線十里河～南八里莊站區間由十里河站向北，下穿東三環主路、輔路，向東沿弘燕路下方至南八里莊站，區間總長度981.95m，起訖里程K25+723～K26+704.95，在K26+164.5處設置豎井一道。隧道斷面為標準馬蹄形減震斷面，凈高6.82m，凈寬6.58m，線路縱斷面呈“人”字型坡，隧道覆土約7.5～17m，采用淺埋暗挖法施工。沿線地面高層建筑物眾多，地下管線分布密集復雜。

2、工程地質和水文

施工范圍根據勘察結果按其沉積年代及工程性質可分為人工堆積層、第四紀沉積層，區間所處地層主要以粉質粘土和粉細砂為主，天然含水率13%～42%，大部分土體處于飽和水狀態。

區間范圍內實測到三層地下水：（1）上層滯水：初見水位深度8.10～11.00m，穩定水位深度7.40～10.80m，水位不連續，無明顯含水層，主要接受大氣降水、管溝滲漏補給，以蒸發為主要排泄方式；（2）潛水：含水層主要為粉細砂、細中砂層，初見水位深度12.50～15.30m，穩定水位深度12.00～15.10m，主要接受降水及側向徑流補給，以側向徑流和向下越流為主要排泄方式。（3）層間水～承壓水：含水層主要為卵石層、中粗砂層及粉土層，初見水位深度19.30～21.80m，穩定水位深度16.70～21.00m，主要接受側向徑流補給，以側向徑流和越流的方式排泄為主。

3、降水方法的選擇

受地面條件制約，無法采取地面管井降水，考慮洞內降水的方法。隧道開挖涉及到的含水層為粉土、粉質粘土和粉細砂層，含水層滲透系數不大，但存在多個界面，普通降水方法難以疏干，本次降水采用在隧道側壁打設超前水平真空井管降水的方式，通過在井中施加負壓，達到增加井中水位與地層中水位的水頭差，在不降低井中水位的情況下就能達到形成水頭差，從而達到降水的目的。

4、降水試驗

為了驗證洞內水平真空降水在此工程地質條件下的可行性，在右線小里程K25+950.5～K25+938.5段和左線大里程K26+370.295～K26+382.295段分別做12米試驗段進行降水試驗。

采用礦用電動巖石鉆機，型號為HKYD125A型，沿隧道縱向方向12.00m作為一個降排水單元，井點成孔直徑Ф100mm，孔深12m，降水井點外俯角度分別為5°～10°，內傾角為10°～15°，上仰擴角度均為15°。

水平井管采用Ф80mm鋼管，管壁厚為3mm，井管長度為12.00m，管井孔底8.00m范圍加固成透水孔，管壁外側Ф80mm透水孔外包3層60目紗網，用鐵絲纏繞固定目紗網，外部4.00m采用Ф100mm鋼管封閉孔口；總管采用Ф100mmPVC管，總管兩端密封后通過軟管與各井管連接，然后采用射流式真空泵進行抽排水，從而達到抽排隧道地下水位的效果，保證了隧道無水作業。

經過降水試驗驗證該降水方案對掌子面及拱腰水量明顯改善，除有小量的滲水外無積水，可以達到對隧道周邊土層排水固結的作用，滿足隧道無水開挖的要求。

5、超前真空管設計參數

沿隧道深度方向12.00m作為一個降排水單元，在隧道斷面四周布設8～12個井點管，井管成孔直徑Ф100mm，孔深6～12.00m，上部斷面部位井管上仰角度分別為5°～10°，下部斷面井管下俯角度為5°～20°，井管外俯角度均為10°。井管采用Ф80mm鋼管，管壁厚為3mm，井管總長度為12.00m，其中濾管長度8.00m，開孔率不小于30%，濾管長度范圍外包3層60目紗網并用鐵絲纏繞固定。

6、施工工藝及過程控制

6.1 施工工藝

施工主要程序為：施工準備→測放井點位置→鉆機就位→成孔施工→井管制作及安裝→井口密封→洗井→井管連接→水泵安裝→電線敷設布置→抽排水

6.1.1 施工準備

平整場地，放置各種設備、材料，全部到位后，施工人員進行技術交底，領會施工設計意圖。

6.1.2 測放井點位置

根據設計平面圖的坐標位置，在施工工作面上依次放點，并用鋼筋作孔位標記和軸線后視點標記，使孔位、角度，施工時根據地層情況調整角度，保證濾水管部位在含水層地層中，以便達到最好的降排水效果，鉆機、后視點成一線，保證鉆孔沿設計方向延伸。

6.1.3 鉆機就位

采用履帶式液壓潛孔鉆機（JK580D），該鉆機輕便靈活，便于操作，其全液壓擺臂機構可以實現全方位鉆孔。該機總功率為30Kw，有強大的鉆進及處理孔內事故的能力，動力頭可無級調速，轉速和扭矩都可大范圍調整，提高了鉆機對復雜地層的適應性。

開鉆前，對鉆機的位置、鉆桿、滑架傾角及方位都要認真核對，由于各油缸設有液壓鎖，可以有效避免鉆機在鉆孔過程中前后、左右移動，影響開孔傾角和方位。

6.1.4 成孔施工

成孔原理是利用液壓油泵組為動力裝置，由液壓馬達實現鉆機回旋、推進、提升、行走及液壓缸擺角定位等輔助動作，JK580D鉆機在鉆孔作業時，只有在潛孔沖擊器消耗壓縮空氣，既能實現螺旋鉆進成孔施工，又能實現潛孔鉆進成孔施工。

粉土地層成孔施工工藝采用螺旋鉆進成孔施工，利用液壓馬達實現鉆機回旋、推進成孔施工，成孔到達設計要求后安裝井管。

砂層地質采用空氣壓縮進行沖擊鉆進施工，利用進口動力頭回轉實現單作用雙回轉，即內鉆桿、套管（橋式花管）、降水井管同時回轉及沖擊，成孔完成后，套管（橋式花管和井管）留置土體中，然后在井口處進行封井處理。

普通土層采用螺旋鉆進成孔施工工藝，復雜地層（砂層地質）采用套管跟進成孔工藝，套管跟進成孔工藝選擇的鉆進參數應以低轉速、低給進壓力、高上返風速為原則，施工操作過程中應根據所鉆進地層中巖石的硬度、松散程度、含水量等因素控制鉆進速度，當鉆遇到特別松散或較大裂隙的地層時，尤其要降低給進速度和給進壓力，反復排渣清孔。

結語：

該方法適用于降排水工程受施工場地條件的制約，無法在地面進行，只能在坑道內施工，并且在黏性土、粉土、砂土的交互地層條件下需同時抽降潛水和承壓水，以最大限度的抽降減少掘進面的涌水量，其降水效果好、成本低。

由于采取有效的降水措施，為隧道開挖的無水作業創造條件，確保了工程施工正常進展，對今后類似工程降水措施的選擇具有一定借鑒作用。