富水砂卵石地層地鐵暗挖施工地下水防治技術

□文/趙風樓

地鐵結構埋深不斷增加和近年來地下水位不斷提升，使得本就困難重重的地鐵暗挖施工地下水處理問題變得更加嚴重，也給工程技術人員帶來了更大的挑戰。

為解決地鐵暗挖施工中的地下水問題，專家學者不斷進行實踐和探索。卓越等[1]對洞內輕型井點降水進行了研究。李鐵生等[2]將洞樁法車站上層施工導洞適當放大或合并，在洞樁法車站內部進行降水。宋云財[3]采用隧道內輻射井降水、管井降水和井點降水相結合的降水技術，解決了降水施工占路和擾民的難題。宋龍喜等[4]介紹了輻射井降水在城市復雜環境降水所具有的優勢。趙斌等[5]設計雙管疏干井結構，提高了深基坑降水效率。丁銳[6]研究了注漿堵水和洞內輕型井點降水對潛水和承壓水的治理效果。宋德聰等[7]闡述了以排為主，排降結合的洞內降水技術在暗挖施工中的應用。

北京地鐵16號線某標段地處富水砂卵石地層，在豎井、橫通道、主體隧道等施工中均遇到了極豐富的地下水，尤其沿基巖面流動的地下水，難以匯集和抽排，給暗挖和結構施工帶了極大困難，如何根據不同部位、不同水情、不同工況、不同階段，采取相應措施，克服地下水對施工的影響，成了決定本工程暗挖施工成敗的關鍵。

1 工程概況

1.1 設計概況

標段全長962.2 m，包含1 站1 區間。車站為地下雙層三聯拱暗挖島式，長256.6 m，拱頂覆土11.31 m，采用PBA工法施工，設2個風道、3個出入口、1個臨時豎井及1 個安全疏散口；區間全長705.6 m，拱頂覆土20～25 m，兩端各設一段交叉渡線，根據斷面不同，分別采用臺階法、CRD 法、雙側壁導坑法施工，內設1、2號通風井、風道和一處臨時施工豎井。

1.2 環境情況

工程位于北京市西城區主要交通干道和國家重要行政辦公區，周邊臨近國賓館、機械工業部大樓、釣魚臺大酒店、玉淵潭公園和京密引水渠等重要建筑。結構范圍內主要管線見圖1和圖2。

圖1 車站主要管線位置

圖2 區間主要管線位置

結構范圍內管線較多，對工程影響大的有雨水方溝（2 400 mm×2 150 mm）、自來水管（φ1 000 mm）、污水管（φ1 600 mm）、雨水管（φ1 800 m）、燃氣管（φ400 mm）、熱力管溝（1 800 mm×1 000 mm）。

1.3 地質水文情況

車站結構穿越地層依次為卵石、粉土、強風化礫巖、全強風化泥巖，拱頂覆土11.31 m，底板埋深27.86 m，基底位于全風化泥巖層，圍巖級別為Ⅵ級。地層基巖頂面存在一層層間水，卵石層為主要含水層，水位埋深19.8～20.8 m，標高27.67～27.47 m，位于結構中板下底面。

區間隧道穿越地層依次為卵石、中粗砂、粉細砂、粉土、礫巖、泥巖。拱頂主要位于卵石層和粉土層，圍巖級別為Ⅵ級。區間從上至下存在一層層間水，水位埋深25.3～21.6 m，標高25.7～27.18 m，位于隧道拱頂范圍內。

2 施工難點

1）地下水位于結構中部且上部結構主要位于砂卵石地層，下部位于礫巖層，透水層和不透水層的界面殘留水難以完全匯集至井內，無法有效抽排和疏干，隨著開挖從掌子面滲流出來，給施工造成困難。

2）結構處于極端富水砂卵石地層且滲透系數較大，臨近京密引水渠和周邊公園內湖水，地下水補給量大。

3）開挖遭遇地層較差，穿越風險源多，若開挖不當，措施不足，易導致坍塌等施工風險。

4）初支封閉完成后，仍有大量滲水通過初支表面滲流出來，給防水施工基面處理帶來極大困難，嚴重影響防水施工。

3 地下水處理

3.1 斜井真空降水

豎井開挖時，西北角位置有明流水從井壁涌出，引起流砂導致坍塌形成背后空洞，注漿處理后效果不佳，難以進行開挖施工。豎井周邊部分地層不透水，降水效果難以達到要求，研究決定采用降水斜井配合自吸泵進行滲流水處理。在西北角井壁共設4眼真空降水斜井，井深10 m、間距1.2 m、井徑127 mm，管徑76 mm（鋼管，t=3 mm），配置流量5～10 m3/h的自吸泵。降水斜井設置見圖3。

圖3 真空降水井

斜井采用小型偏心跟管風動潛孔錘成孔，工藝流程見圖4。

圖4 降水井斜井成孔工藝流程

通過實踐證明，豎井側壁斜井配合自吸泵抽排水措施，由于管徑較小、匯水面積有限，未達到預期效果，后續施工需加密斜井的布置或者增大管徑，以提升有效匯水截面，確保地層滲水能夠被有效抽排。

3.2 井壁截排水

地下水沿不透水層表面流動，形成界面殘留水，在不透水層界面以下設置截水導流措施并進行匯集和抽排，避免滲流水侵入開挖面，進而保障作業面無水或者少水開挖。

先在隔水層界面以下一定高度設置主排水管匯集水流（坡度1%），再將引流管逐個接入主排水管，主管尾部設置集水箱，箱內設置浮漂式自動抽水泵（WQ10-65-3.0），將水抽入地面。

主管為1根φ108 mm鋼管，沿井壁環向布置，管節間通過彎頭及法蘭連接，間距0.5 m 開孔焊接φ42 mm鋼管并通過φ50 mm 鋼絲軟管連接成引流管，將水導入主管。見圖5。

圖5 井壁截排水系統

井側壁截排水措施能夠最大限度避免地下水侵入開挖面形成泥濘，保證下步開挖面干燥，適用于隔水界面較高或開挖遇多層不透水層的工程。

3.3 洞內超前疏干抽水

通道開挖時存在大量滲流水，為了控制地下水，保證安全，可采取超前疏干抽水技術。上層橫通道處于透水層且在水位線以上，下層通道進入不透水隔水層且在水位線以下，下層通道開挖時界面殘留水較大，地面降水井疏干效果不理想，造成施工困難。見圖6。

圖6 橫通道地質斷面

在已完工的上層通道內，沿通道縱向人工開挖7個孔，直徑1 m、深4 m，交錯布置，橫向間距2.15 m、縱向間距6.3 m，打入隔水底板下0.5 m，使地下水沿隔水斷面滲入孔內，然后進行抽排，形成有效截水斷面寬度為4.15 m。由于井孔斷面大，能夠有效截斷水流，控制下層通道開挖面水流。見圖7。

圖7 洞內疏干井布置

洞內超前挖孔疏干治水措施適用于上層通道（或導洞）高于水位線，而下層通道（或導洞）正好位于隔水面上下，導致界面水無法由地面降水井有效處理的情況發生，同時超前挖孔也探明了掌子面前方的確切地質情況，起到了超前地質預報作用[8]。

3.4 洞內成井治水

當地面不具備降水井實施條件時，可選擇洞內成井進行治水。先利用原有區間的施工通道向來水方向一側進行延伸開挖，然后平行于結構隧道外側開挖降水導洞，洞內施作降水井進行降水。延伸通道和降水導洞底標高均高于地下水位線以上，以保證無水開挖。見圖8。

圖8 降水導洞與結構位置關系

首先破除原有區間的施工通道封端墻，再經兩次挑高開挖將底板抬高3.42 m，避開含水地層，達到水位線以上；通道寬4 m，高3.5～6.4 m，長24.54 m，埋深16.1 m，臺階法開挖，超前支護采用深孔注漿；然后南北開挖降水導洞，寬4 m，高4.6 m，總長215.6 m，北段長143.8 m、南段長71.8 m，埋深17.6 m，臺階法開挖，超前支護以小導管注漿為主。

降水導洞施工完成后在洞內打設55眼鋼管井，井深12.5 m、井徑600 mm、管徑400 mm、間距4 m，通道口設置集水箱，內設5 臺潛水泵將水抽排至地面。洞內降水井采取機械成孔施工，降水導洞降水井開始抽降后，與地面原有降水井共同對結構形成封閉降水[9]，有效阻斷隧道西側地下水，作業面滲水明顯減小，確保了開挖施工安全。

3.5 側洞橫向注漿措施

CRD 工法開挖斷面，超前支護采用深孔注漿，加固范圍為開挖輪廓線外1.5 m、內0.5 m。在①導洞開挖時，深孔注漿沿開挖方向縱向鉆孔，注漿加固一段，開挖施工一段，每循環段注漿需7～10 d，注漿過程中，開挖班窩工嚴重。①導洞開挖完成，右側導洞開挖前，可提前以臨時中隔壁為止漿墻對另一側導洞拱部進行橫向注漿加固，避免分段注漿對開挖施工的影響。橫向注漿孔位布置簡單更便于現場施工操作。

3.6 開挖步序調整

通常情況下，PBA工法主體導洞開挖，先開挖下層導洞，后開挖上層導洞。在豎井開挖時，越往下開挖地下水越滲流越大，根據實際揭露地層可知已經處于基巖面位置，界面水抽排效果不佳；在初支井壁內插入導流管明排處理，但水量較大效果并不明顯，導致開挖及其困難，風險較大。

實測地下水位基本穩定在主體結構下層導洞拱頂位置，直接影響到豎井及下層橫通道開挖。實際上，由于上層通道先行開挖且不受地下水影響，施工進展順利，主體上層導洞具備優先開挖條件，于是將導洞施工順序調整為先上后下，避開地下水影響，優先施作上層導洞，將可以把控的作業工序調整靠前，優化資源配置，加快進度，對確保總工期起到了關鍵作用，同時由于上導洞的先行開挖，也提供了在上導洞施作降水措施的條件。

3.7 襯砌背后匯集引排系統

初支結構封閉后，仍有大量地下水從初支面滲流出來，給基面處理、防水鋪設及襯砌施工帶來極大困難。

在滲水較小的部分段落，明流水壓不大時，可采取注漿方式封堵，待堵漏結束及時進行后續工序。

滲流水明顯的側墻，經引排和注漿處理效果甚微，反而在水壓和漿壓的相互影響下引起局部混凝土裂隙，出現新的滲漏通道。為解決此問題，在基面處理完成后，掛設塑料布（不透水材料即可）作為基面和防水層之間的附加層，起到隔水和引排效果，塑料布鋪設前在初支側墻與底板交角部縱向布設1 道水平盲管（直徑100 mm），每2 m 設1 道豎向盲管（直徑50 mm），必要時加密，對初支側墻面滲流水進行匯集與引排，待表面達到要求及時鋪設土工布和防水層。在地下水豐富段落，初支面滲水無法完全止住，采用不透水材料（塑料）掛設在基面上并配合盲管形成一道基面附加層，不僅達到防水層鋪設條件，同時保證防水層施工質量。

對于底板（仰拱）部位，不僅有底板滲水，而且側墻和其他部位滲水也匯集于此，導致水流較大，基面處理和防水施工十分困難且質量較難控制。在底板初支縱向切割多道引流槽，埋入引流盲管并設置集水坑安裝水泵，引流地下水至末端集水坑內，同時在施工部位前后分別設置截水溝（或擋堰）截住遠處來水。上述管路、水泵等均設置于防水層外側，形成一套防水層背后匯集抽排管路系統，保證基面和防水順利實施，待襯砌完成后廢棄。管路系統可從主體到通道，再到豎井進行接力連續抽排，當井壁結構施工至水位以上時作廢處理，必要時注漿處理。

4 結語

豐富的地下水，給豎井、通道、主體隧道以及二襯結構施工帶來了極大困難。豎井開挖中，可采取斜井降水配合側壁截排水措施；通道及正線開挖，可上層通道（或導洞）內施作超前疏干井或者采取洞內成井降水；對于多導洞施工，可導洞間橫向注漿加固，以提高注漿效果和效率；施工可優化調整施工先后順序，避開地下水影響；初支完成二襯施工時，在注漿堵水基礎上，可增加防水背后地下水匯集引排管路進行系統性疏排水處理，以保證基面處理、防水及混凝土施工順利進行。

不同情況下的地下水治理工程實踐表明，地鐵暗挖施工在極端富水砂卵石地層雖有重大施工風險，但利用好現有施工技術、制定有效技術措施完全可以規避重大風險，實現安全施工。