地鐵降水施工方法研究與應(yīng)用

劉東亮

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

大量工程實(shí)例表明，在地鐵工程施工建設(shè)中，往往會(huì)遇到兩大難題：第一，地鐵工程大多數(shù)路段都處于地下水以下，具有點(diǎn)多、線(xiàn)長(zhǎng)、施工周期長(zhǎng)的特性，如何有效處理地下水一直是地鐵工程施工建設(shè)的重點(diǎn)、難點(diǎn)；第二，地線(xiàn)管線(xiàn)密集，在地鐵工程施工中，如何有效處理交通、占地關(guān)系，并控制地面沉降是一個(gè)難點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上，地下降水和控制地面沉降都可以歸結(jié)為降水問(wèn)題的處理。因此，對(duì)地鐵降水施工方法進(jìn)行研究和應(yīng)用，是提升地鐵工程質(zhì)量和縮短工期的關(guān)鍵，也是降低施工成本的主要途徑。

一、工程概述

（一）工程簡(jiǎn)介

興業(yè)北街站采用地下兩層島式站臺(tái)車(chē)站形式，站臺(tái)寬度12m。車(chē)站中心里程為YDK16+308.275，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為YDK16+184.423，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為YDK16+469.425。車(chē)站長(zhǎng)度285.0m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.1m，盾構(gòu)擴(kuò)大段寬度為25.2m，底板埋深為17.6～18.2m，覆土厚度為3.0～3.1m，中心里程處為3.1m。車(chē)站設(shè)置盾構(gòu)過(guò)站條件，在大里程端為雙線(xiàn)盾構(gòu)接收，小里程端為雙線(xiàn)盾構(gòu)二次始發(fā)。本車(chē)站共設(shè)4個(gè)出入口，2組風(fēng)亭。綜合車(chē)站周?chē)h(huán)境條件、基坑深度等情況，確定本站主體結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)安全等級(jí)為一級(jí)，基坑變形控制等級(jí)為1A級(jí)，重要性系數(shù)γ=1.1。

本站車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為地下二層框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順筑法施工，基坑內(nèi)管井降水+基坑外止水帷幕止水，車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1200@900鉆孔咬合樁+內(nèi)支撐形式；局部高壓線(xiàn)影響區(qū)域，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1200@1600鉆孔樁和φ1000@1600/800三管高壓旋噴樁+內(nèi)支撐形式。主體圍護(hù)與主體側(cè)墻組成復(fù)合式結(jié)構(gòu)，主體側(cè)墻外設(shè)置附加防水層。

（二）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況

工程地質(zhì)：勘察期間，擬建車(chē)站勘察范圍內(nèi)地形較平坦，地形起伏不大，孔口標(biāo)高在530.46m～531.66m。地貌單元為岷江水系Ⅰ級(jí)階地。根據(jù)鉆孔揭示，場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（Q4ml）；其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）粉質(zhì)黏土、砂、卵石，參與地層統(tǒng)計(jì)的鉆孔共27個(gè)。

水文地質(zhì)：底高程約527.0～527.7m，平均高程527.570m。勘察期間水深約1.2～2.2m，淤泥厚度20～40cm，河床較平坦，水面坡降不大，常水位約529.1m，洪水位530.0m，洪水位高程529.370m（P=2%），該河段河水流速為3～4m/s，流量71.4m3/s，河流最大斷面流量：147m3/s，流向由西北向東南。基坑涌水量：24097.02m3/d（按抗浮水位530m計(jì)算）。

二、降水井設(shè)計(jì)

在本工程中設(shè)置降水井的主要目的是：在基坑時(shí)確保地下水位時(shí)刻處于安全水位，從而確保各項(xiàng)施工工作能順利開(kāi)展。

（一）降水設(shè)計(jì)思路

根據(jù)本工程提供基坑支護(hù)、樁基設(shè)計(jì)，結(jié)合場(chǎng)區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件、基坑開(kāi)挖深度及圍護(hù)深度等特征，對(duì)本工程降水進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程設(shè)置咬合樁止水，針對(duì)本工程開(kāi)挖土體的風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，在基坑的內(nèi)部和外部同時(shí)設(shè)置降水井，并在進(jìn)行開(kāi)挖前做好預(yù)抽水工作，確保地下水不會(huì)影響開(kāi)挖情況，方便土方開(kāi)挖及開(kāi)挖面的正常施工。本工程考慮采用管井進(jìn)行疏干降水，將水位降至底板以下1.0m。

（二）基坑總涌水量計(jì)算

具體計(jì)算公式如下：

此公式中，Q表示基坑涌水量 (m3/d)；k表示含水層滲透系數(shù)（m/d），取k=21.0m/d；H表示潛水含水層厚度(m)，工程按照33.0m計(jì)；h表示降水后基坑內(nèi)的水位高度；本站基坑降水為15.6m計(jì)；I表示過(guò)濾器進(jìn)水部分的長(zhǎng)度，按照 5.0m 進(jìn)行計(jì)算；hm=（H+h）/2=（33.5+15.6）/2=24.3m；R表示降水影響半徑 (m)；r0-基坑等效半徑（m）；可按公式進(jìn)行計(jì)算，A表示基坑面積8305.4m2；r0=51.4m經(jīng)計(jì)算，本車(chē)站基坑涌水量Q=10016.6m3/d。

（三）降水井計(jì)算

單井出水量可按照如下計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

此公式中：q0表示單井出水能力（m3/d）；rs表示過(guò)濾器半徑（m），本工程管井管直徑0.3m，取0.3m；l表示過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度（m），取5.0m；k表示含水層滲透系數(shù)（m/d），取21.0m/d（抽水試驗(yàn)報(bào)告）；經(jīng)過(guò)計(jì)算可知q0=779.7m3/d。

降水井?dāng)?shù)量計(jì)算公式為：n=1.1Q/q0，此公式中，Q表示基坑降水的總涌水量 (m3/d)：n表示降水井?dāng)?shù)量可取14.1。

考慮降水井間距一般不大于25m，實(shí)際設(shè)置27口（降水井軸線(xiàn)周長(zhǎng)約661m，n=661/25=26.4，取n=27）。

（四）降水井布置

興業(yè)北街站主體基坑工程：坑外布置降水井27口，坑內(nèi)布置降水井11口，另設(shè)3口觀(guān)測(cè)備用井。降水井工作量如表1所示。

三、地鐵降水施工方法

（一）降水井結(jié)構(gòu)

本工程采用管井進(jìn)行施工降水，井孔為沖擊機(jī)成孔，孔徑600mm。井管由多節(jié)鋼筋混凝土管組成，采用承插式，單節(jié)管長(zhǎng)2.5m，內(nèi)徑300mm，外徑360mm，井管由實(shí)管和濾水管組成，濾水段由φ360mm滿(mǎn)布濾水孔的鋼筋砼管。井管吊放好后沿井管周?chē)鶆蛲斗艦V料，濾料為直徑3mm～8mm無(wú)棱角的卵石，濾料填至井口。在沙層部位及上下各1m范圍內(nèi)，井管與井壁間填充黏土。

（二）坑底排水明溝及集水井

為排基坑內(nèi)的地下滲水及雨水，防止浸泡基坑，坑頂設(shè)置排水溝，排水溝溝寬0.3m，溝深0.6m，溝內(nèi)放置中219鐵管防止積水滲入基坑。在排水溝出水處，設(shè)置6.4×2.3×1.8m三級(jí)沉淀池。排水溝與沉淀池溝壁采用C20混凝土澆筑。排水溝剖面圖如圖1所示：

圖1 排水溝剖面圖（單位：mm）

表1 興業(yè)北街站降水井工作量統(tǒng)計(jì)表

在基坑底部周邊設(shè)置臨時(shí)排水溝，將基坑內(nèi)的水集中至基坑最低處，再采用水泵及時(shí)將基坑內(nèi)的水排至基坑外。

（三）成孔

本工程在成孔作業(yè)時(shí)，主要采用了SR200C型工程沖擊鉆機(jī)進(jìn)行工作，為保證成孔的安全性，上部采用緩慢進(jìn)鉆的方法，并用孔內(nèi)自然造漿的方法進(jìn)行施工，為有效提升鉆孔的效果和質(zhì)量，泥漿密度要控制在1.1～1.15之間，避免在鉆孔時(shí)發(fā)生孔壁坍塌等質(zhì)量通病。

（四）清孔

清孔效果直接決定了降水井建設(shè)質(zhì)量，因此當(dāng)鉆孔完成以后，還要進(jìn)行全面的清孔作業(yè)。具體做法是：將鉆桿提離孔底0.5m，然后進(jìn)行沖孔作業(yè)，把孔中的雜物及時(shí)排出，避免影響后期施工質(zhì)量。

（五）下井管

井管進(jìn)場(chǎng)后，檢查過(guò)濾器的縫隙是否符合設(shè)計(jì)要求。首先必須測(cè)量孔深，并對(duì)井管濾水管逐根丈量、記錄。然后根據(jù)地層富水情況，分別下入井管、纏絲濾水管。下管時(shí)，保證濾水管居中。

（六）填濾料

填濾料前在井管內(nèi)下入鉆桿至離孔底0.30m～0.50m，井管上口加悶頭密封后，從鉆桿內(nèi)泵送泥漿進(jìn)行邊沖孔邊逐步調(diào)漿使孔內(nèi)的泥漿從濾水管內(nèi)向外由井管與孔壁的環(huán)狀間隙內(nèi)返漿，使孔內(nèi)的泥漿密度逐步調(diào)到1.05，然后開(kāi)小泵量按井的構(gòu)造設(shè)計(jì)要求填入濾料，并隨填隨測(cè)濾料的高度，直至濾料下至預(yù)定位置。

（七）洗井

采用空壓機(jī)、活塞聯(lián)合洗井，空壓機(jī)洗清之后再用活塞洗井；重復(fù)以上洗井過(guò)程，洗井至井管通暢、水清。洗井時(shí)間的控制：每井活塞洗井原則上不少于兩次，每次提拉活塞不少于2小時(shí)，空壓機(jī)洗井原則不少于2個(gè)臺(tái)班，以確保降水質(zhì)量，但洗井結(jié)束時(shí)間最終以達(dá)到水較清澈為止。

（八）安裝潛水泵及管路系統(tǒng)

第一步，安裝前檢查電機(jī)和泵體，確認(rèn)完好無(wú)誤后方可安裝；

第二步，潛水電機(jī)、電纜和接頭的絕緣安全可靠，并配有保護(hù)開(kāi)關(guān)控制，以確保安全運(yùn)轉(zhuǎn)；

第三步，安裝過(guò)程中保證各連接部位密封可靠不漏氣；

第四步，管路與就近排水溝相連，將降水井抽出的水部分作為施工用水，剩余的通過(guò)在基坑邊排水溝匯總，將水排入市政排水系統(tǒng)；

第五步，管路上水表、閘閥、單向閥，以便于控制、管理。本文結(jié)合工程實(shí)例，研究了地鐵降水施工方法和應(yīng)用。研究結(jié)果表明，不同水文地質(zhì)情況，適用的降水施工方法也各不相同。在具體施工建設(shè)中，要根據(jù)地鐵工程水文地質(zhì)情況，合理選擇與之相適的降水施工方法和結(jié)構(gòu)，才能更好地提升降水處理效果，并為地鐵工程施工提供真實(shí)有效的參考依據(jù)。