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(yōu)質(zhì)、高效完成的保證，又是地層沉降控制的關(guān)鍵。針對西安特有的黃土地質(zhì)條件下地鐵深基坑施工，從土層地質(zhì)、水文、降水方式、降水參數(shù)等各個(gè)方面進(jìn)行分析和研究，對黃土地質(zhì)條件下地鐵深基坑降水與沉降控制的施工技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞： 黃土；地鐵隧道；施工降水；與；沉降控制

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地鐵隧道越來越多的采用盾構(gòu)施工，但是，在一些特殊地段或地區(qū)，仍需采用淺埋暗挖法施工。要進(jìn)行地下暗挖施工，必須對地下水進(jìn)行處理后才能進(jìn)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(dāng)?shù)叵滤皇韪蓵r(shí)，浮力消失，所消失的浮力轉(zhuǎn)化為自重應(yīng)力，其自重應(yīng)力增加值相當(dāng)于浮力消失值，并可視等同于原始狀態(tài)下土體附加應(yīng)力增加值，使土體壓縮產(chǎn)生沉降。當(dāng)沉降值過大時(shí)，易導(dǎo)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(fù)路站區(qū)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(fù)路端），隧道按照地質(zhì)地段不同分為A、B、C、D、E五種斷面結(jié)構(gòu)。

朝陽門-康復(fù)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(cè)建筑物密布，除個(gè)別建筑物為框架結(jié)構(gòu)外，其余均為淺基磚混結(jié)構(gòu)；隧道區(qū)域內(nèi)地下管線復(fù)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(zhì)特征

3.1地形地貌

朝康區(qū)間隧道位于長樂西路下方，區(qū)間場地標(biāo)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(zhì)

飽和軟黃土層?xùn)|厚西薄，隧道洞身穿越老黃土、粉質(zhì)粘土、飽和軟黃土、古土壤。

3.3水文地質(zhì)

隧道區(qū)域地下水屬潛水類型，賦存于上更新統(tǒng)殘積古土壤、中更新世風(fēng)積黃土及沖擊粉質(zhì)粘土等黏性土層。

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

潛水補(bǔ)給為地下徑流補(bǔ)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(fā)消耗等。

朝陽門段降水前觀測孔內(nèi)穩(wěn)定水位埋深7.5m，康復(fù)路段降水前觀測孔內(nèi)穩(wěn)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(qū)域沒有類似降水實(shí)例，根據(jù)區(qū)間水文地質(zhì)測試試驗(yàn)結(jié)果及地裂縫巖土工程勘察報(bào)告，參照本區(qū)域內(nèi)相關(guān)深基坑降水經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合黃土地區(qū)降水經(jīng)驗(yàn)綜合分析，朝康區(qū)間采用開放式管井降水，降水井布置在區(qū)間左線隧道北側(cè)和右線隧道南側(cè)。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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jù)地層地質(zhì)參數(shù)，區(qū)間隧道分3段分別進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算降水井深度如下。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及隧道降水特點(diǎn)確定朝陽門段井深45m，康復(fù)路段井深40m。

4.1.2 確定井?dāng)?shù)

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)特征、周邊建筑物情況、地層地質(zhì)特點(diǎn)，周圍水文地質(zhì)條件及降深，同時(shí)結(jié)合地鐵隧道施工降水的特點(diǎn)進(jìn)行分析確定。

根據(jù)區(qū)間開挖深度范圍內(nèi)含水層的分布情況及地下水賦存特征，本區(qū)間涌水量計(jì)算采用模型為潛水完整井，基坑遠(yuǎn)離邊界。按等代“大口井”以潛水完整井計(jì)算：

根據(jù)《規(guī)程》F.0.7 確定降水影響半徑，

計(jì)算 ZDK22+519-ZDK22+750段降水影響半徑：

計(jì)算 ZDK22+750-ZDK23+125段降水影響半徑：

計(jì)算 ZDK23+125-ZDK23+295.2段降水影響半徑：

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第三版）公式9-5-11 確定基坑等效半徑，

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

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

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

計(jì)算涌水量

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和相關(guān)施工降水經(jīng)驗(yàn)，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(qū)降水經(jīng)驗(yàn)，一般在連續(xù)降水15天以后，地下水位即可降至設(shè)計(jì)降水水位。區(qū)間隧道康復(fù)路段在三階段降水后，隧道開挖掌子面無滲水，土層內(nèi)無滯留水，土體穩(wěn)定，達(dá)到降水目標(biāo)。但在區(qū)間隧道朝陽門段進(jìn)行降水15天以上，隧道地下水位降到17.4m后就難以繼續(xù)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(nèi)滲水嚴(yán)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(qū)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(zhì)粘土層地下水難以疏干。而區(qū)間場地潛水賦存上更新統(tǒng)殘積古土壤、中更新世風(fēng)積黃土及沖積粉質(zhì)粘土等黏性土層，根據(jù)老黃土、粉質(zhì)粘土層賦水性強(qiáng)，滲透性差的特性，該土層地下水難以疏干，并且，降水漏斗遠(yuǎn)端地下水源源不斷的補(bǔ)給到土層中，由此造成土層地下水維持在一個(gè)穩(wěn)定水位。因此，朝陽門段隧道與康復(fù)路段隧道洞身穿越土層地質(zhì)的不同是降水效果出現(xiàn)差異的根本原因。

6 沉降控制

根據(jù)規(guī)范建議降水沉降計(jì)算方法（分層總和法）進(jìn)行沉降預(yù)測計(jì)算。根據(jù)地層特點(diǎn)和區(qū)間特點(diǎn)，沉降計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果，沉降值明顯偏大，當(dāng)差異沉降超過3‰時(shí)，有可能造成建筑物、地下管線變形破壞，必須從多方面進(jìn)行控制。

6.1 降水井處理

采用管井法井點(diǎn)降水，如果降水井反濾層效果不理想時(shí)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(dǎo)致地面沉降，進(jìn)而破壞鄰近建筑物的基礎(chǔ)，導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生不均勻沉降。

根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(wǎng)包封；控制降水井施工時(shí)的濾料質(zhì)量，提高濾料的過濾作用；在抽水時(shí)，觀測水中的含泥砂量，大于1/10000時(shí)應(yīng)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(nèi)采用60目網(wǎng)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(jìn)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(shè)計(jì)要求水位。降至階段控制水位時(shí)對周鄰建筑進(jìn)行沉降觀測，在沉降基本穩(wěn)定后再進(jìn)行下階段降水。

6.3 朝陽門段

本段在降水15天時(shí)，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(nèi)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(chǎn)生不可預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)掌子面滲水現(xiàn)狀，在保持既有降水條件下采用洞內(nèi)注漿的方法將開挖輪廓內(nèi)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(cè)，利用呈輻射狀注漿方式交叉形成一道帷幕，經(jīng)比選后采用雙液化學(xué)注漿法進(jìn)行加固處理。為確保隔絕外來水體、達(dá)到止水帷幕的止水的效果，采用WSS工法進(jìn)行注漿，通過漿液擴(kuò)散將漿液充填地層土體孔隙內(nèi)、固結(jié)地層，且使其具有一定的強(qiáng)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(jié)束后，根據(jù)洞內(nèi)滲水情況，可適當(dāng)減少工作降水井?dāng)?shù)量，以減小后期累加沉降值。

6.4康復(fù)路段

本段在三階段降水完成時(shí)，地面沉降最大值為0.7cm。

在后續(xù)施工降水過程中，在按照三階段降水的基礎(chǔ)上，采取隔一口降水井停一口井的方法，降低群井效應(yīng)，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?dāng)?shù)量后，康復(fù)路段隧道內(nèi)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(chǎn)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(jìn)行加密，受地層地質(zhì)影響，進(jìn)行降水后水位存留在老黃土層內(nèi)部，為保證施工安全，在繼續(xù)保持既有降水條件的基礎(chǔ)上，在洞內(nèi)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(jié)為一體，漿脈延伸完整，土體基本擠密，達(dá)到了預(yù)期的止水、加固目的。由于朝陽門段降水條件未發(fā)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(dá)到9.3cm。地面臨近建筑物差異沉降最大值為1.23‰，小于規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)3‰。

康復(fù)路段施工降水進(jìn)行調(diào)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(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)3‰。

8 結(jié)束語

通過在朝陽門-康復(fù)路區(qū)間隧道施工降水證明，在降水參數(shù)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(dá)到降水目標(biāo)，且沉降量較小。在老黃土層及粉質(zhì)粘土層中，在適當(dāng)進(jìn)行降水的前提下，需采取洞內(nèi)注漿止水結(jié)合的方法進(jìn)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(diǎn)。