富水砂卵石地層地鐵暗挖施工地下水防治技術(shù)

□文/趙風(fēng)樓

地鐵結(jié)構(gòu)埋深不斷增加和近年來(lái)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(wèn)題變得更加嚴(yán)重，也給工程技術(shù)人員帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

為解決地鐵暗挖施工中的地下水問(wèn)題，專家學(xué)者不斷進(jìn)行實(shí)踐和探索。卓越等[1]對(duì)洞內(nèi)輕型井點(diǎn)降水進(jìn)行了研究。李鐵生等[2]將洞樁法車站上層施工導(dǎo)洞適當(dāng)放大或合并，在洞樁法車站內(nèi)部進(jìn)行降水。宋云財(cái)[3]采用隧道內(nèi)輻射井降水、管井降水和井點(diǎn)降水相結(jié)合的降水技術(shù)，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(fù)雜環(huán)境降水所具有的優(yōu)勢(shì)。趙斌等[5]設(shè)計(jì)雙管疏干井結(jié)構(gòu)，提高了深基坑降水效率。丁銳[6]研究了注漿堵水和洞內(nèi)輕型井點(diǎn)降水對(duì)潛水和承壓水的治理效果。宋德聰?shù)萚7]闡述了以排為主，排降結(jié)合的洞內(nèi)降水技術(shù)在暗挖施工中的應(yīng)用。

北京地鐵16號(hào)線某標(biāo)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(dòng)的地下水，難以匯集和抽排，給暗挖和結(jié)構(gòu)施工帶了極大困難，如何根據(jù)不同部位、不同水情、不同工況、不同階段，采取相應(yīng)措施，克服地下水對(duì)施工的影響，成了決定本工程暗挖施工成敗的關(guān)鍵。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

標(biāo)段全長(zhǎng)962.2 m，包含1 站1 區(qū)間。車站為地下雙層三聯(lián)拱暗挖島式，長(zhǎng)256.6 m，拱頂覆土11.31 m，采用PBA工法施工，設(shè)2個(gè)風(fēng)道、3個(gè)出入口、1個(gè)臨時(shí)豎井及1 個(gè)安全疏散口；區(qū)間全長(zhǎng)705.6 m，拱頂覆土20～25 m，兩端各設(shè)一段交叉渡線，根據(jù)斷面不同，分別采用臺(tái)階法、CRD 法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，內(nèi)設(shè)1、2號(hào)通風(fēng)井、風(fēng)道和一處臨時(shí)施工豎井。

1.2 環(huán)境情況

工程位于北京市西城區(qū)主要交通干道和國(guó)家重要行政辦公區(qū)，周邊臨近國(guó)賓館、機(jī)械工業(yè)部大樓、釣魚(yú)臺(tái)大酒店、玉淵潭公園和京密引水渠等重要建筑。結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)主要管線見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 車站主要管線位置

圖2 區(qū)間主要管線位置

結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)管線較多，對(duì)工程影響大的有雨水方溝（2 400 mm×2 150 mm）、自來(lái)水管（φ1 000 mm）、污水管（φ1 600 mm）、雨水管（φ1 800 m）、燃?xì)夤埽é?00 mm）、熱力管溝（1 800 mm×1 000 mm）。

1.3 地質(zhì)水文情況

車站結(jié)構(gòu)穿越地層依次為卵石、粉土、強(qiáng)風(fēng)化礫巖、全強(qiáng)風(fēng)化泥巖，拱頂覆土11.31 m，底板埋深27.86 m，基底位于全風(fēng)化泥巖層，圍巖級(jí)別為Ⅵ級(jí)。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(biāo)高27.67～27.47 m，位于結(jié)構(gòu)中板下底面。

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

2 施工難點(diǎn)

1）地下水位于結(jié)構(gòu)中部且上部結(jié)構(gòu)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(nèi)，無(wú)法有效抽排和疏干，隨著開(kāi)挖從掌子面滲流出來(lái)，給施工造成困難。

2）結(jié)構(gòu)處于極端富水砂卵石地層且滲透系數(shù)較大，臨近京密引水渠和周邊公園內(nèi)湖水，地下水補(bǔ)給量大。

3）開(kāi)挖遭遇地層較差，穿越風(fēng)險(xiǎn)源多，若開(kāi)挖不當(dāng)，措施不足，易導(dǎo)致坍塌等施工風(fēng)險(xiǎn)。

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

3 地下水處理

3.1 斜井真空降水

豎井開(kāi)挖時(shí)，西北角位置有明流水從井壁涌出，引起流砂導(dǎo)致坍塌形成背后空洞，注漿處理后效果不佳，難以進(jìn)行開(kāi)挖施工。豎井周邊部分地層不透水，降水效果難以達(dá)到要求，研究決定采用降水斜井配合自吸泵進(jìn)行滲流水處理。在西北角井壁共設(shè)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(shè)置見(jiàn)圖3。

圖3 真空降水井

斜井采用小型偏心跟管風(fēng)動(dòng)潛孔錘成孔，工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4 降水井斜井成孔工藝流程

通過(guò)實(shí)踐證明，豎井側(cè)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(dá)到預(yù)期效果，后續(xù)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(dòng)，形成界面殘留水，在不透水層界面以下設(shè)置截水導(dǎo)流措施并進(jìn)行匯集和抽排，避免滲流水侵入開(kāi)挖面，進(jìn)而保障作業(yè)面無(wú)水或者少水開(kāi)挖。

先在隔水層界面以下一定高度設(shè)置主排水管匯集水流（坡度1%），再將引流管逐個(gè)接入主排水管，主管尾部設(shè)置集水箱，箱內(nèi)設(shè)置浮漂式自動(dòng)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(huán)向布置，管節(jié)間通過(guò)彎頭及法蘭連接，間距0.5 m 開(kāi)孔焊接φ42 mm鋼管并通過(guò)φ50 mm 鋼絲軟管連接成引流管，將水導(dǎo)入主管。見(jiàn)圖5。

圖5 井壁截排水系統(tǒng)

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

3.3 洞內(nèi)超前疏干抽水

通道開(kāi)挖時(shí)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(shù)。上層橫通道處于透水層且在水位線以上，下層通道進(jìn)入不透水隔水層且在水位線以下，下層通道開(kāi)挖時(shí)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(jiàn)圖6。

圖6 橫通道地質(zhì)斷面

在已完工的上層通道內(nèi)，沿通道縱向人工開(kāi)挖7個(gè)孔，直徑1 m、深4 m，交錯(cuò)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?dāng)嗝鏉B入孔內(nèi)，然后進(jìn)行抽排，形成有效截水?dāng)嗝鎸挾葹?.15 m。由于井孔斷面大，能夠有效截?cái)嗨鳎刂葡聦油ǖ篱_(kāi)挖面水流。見(jiàn)圖7。

圖7 洞內(nèi)疏干井布置

洞內(nèi)超前挖孔疏干治水措施適用于上層通道（或?qū)Ф矗└哂谒痪€，而下層通道（或?qū)Ф矗┱梦挥诟羲嫔舷?，?dǎo)致界面水無(wú)法由地面降水井有效處理的情況發(fā)生，同時(shí)超前挖孔也探明了掌子面前方的確切地質(zhì)情況，起到了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作用[8]。

3.4 洞內(nèi)成井治水

當(dāng)?shù)孛娌痪邆浣邓畬?shí)施條件時(shí)，可選擇洞內(nèi)成井進(jìn)行治水。先利用原有區(qū)間的施工通道向來(lái)水方向一側(cè)進(jìn)行延伸開(kāi)挖，然后平行于結(jié)構(gòu)隧道外側(cè)開(kāi)挖降水導(dǎo)洞，洞內(nèi)施作降水井進(jìn)行降水。延伸通道和降水導(dǎo)洞底標(biāo)高均高于地下水位線以上，以保證無(wú)水開(kāi)挖。見(jiàn)圖8。

圖8 降水導(dǎo)洞與結(jié)構(gòu)位置關(guān)系

首先破除原有區(qū)間的施工通道封端墻，再經(jīng)兩次挑高開(kāi)挖將底板抬高3.42 m，避開(kāi)含水地層，達(dá)到水位線以上；通道寬4 m，高3.5～6.4 m，長(zhǎng)24.54 m，埋深16.1 m，臺(tái)階法開(kāi)挖，超前支護(hù)采用深孔注漿；然后南北開(kāi)挖降水導(dǎo)洞，寬4 m，高4.6 m，總長(zhǎng)215.6 m，北段長(zhǎng)143.8 m、南段長(zhǎng)71.8 m，埋深17.6 m，臺(tái)階法開(kāi)挖，超前支護(hù)以小導(dǎo)管注漿為主。

降水導(dǎo)洞施工完成后在洞內(nèi)打設(shè)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(shè)置集水箱，內(nèi)設(shè)5 臺(tái)潛水泵將水抽排至地面。洞內(nèi)降水井采取機(jī)械成孔施工，降水導(dǎo)洞降水井開(kāi)始抽降后，與地面原有降水井共同對(duì)結(jié)構(gòu)形成封閉降水[9]，有效阻斷隧道西側(cè)地下水，作業(yè)面滲水明顯減小，確保了開(kāi)挖施工安全。

3.5 側(cè)洞橫向注漿措施

CRD 工法開(kāi)挖斷面，超前支護(hù)采用深孔注漿，加固范圍為開(kāi)挖輪廓線外1.5 m、內(nèi)0.5 m。在①導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)，深孔注漿沿開(kāi)挖方向縱向鉆孔，注漿加固一段，開(kāi)挖施工一段，每循環(huán)段注漿需7～10 d，注漿過(guò)程中，開(kāi)挖班窩工嚴(yán)重。①導(dǎo)洞開(kāi)挖完成，右側(cè)導(dǎo)洞開(kāi)挖前，可提前以臨時(shí)中隔壁為止?jié){墻對(duì)另一側(cè)導(dǎo)洞拱部進(jìn)行橫向注漿加固，避免分段注漿對(duì)開(kāi)挖施工的影響。橫向注漿孔位布置簡(jiǎn)單更便于現(xiàn)場(chǎng)施工操作。

3.6 開(kāi)挖步序調(diào)整

通常情況下，PBA工法主體導(dǎo)洞開(kāi)挖，先開(kāi)挖下層導(dǎo)洞，后開(kāi)挖上層導(dǎo)洞。在豎井開(kāi)挖時(shí)，越往下開(kāi)挖地下水越滲流越大，根據(jù)實(shí)際揭露地層可知已經(jīng)處于基巖面位置，界面水抽排效果不佳；在初支井壁內(nèi)插入導(dǎo)流管明排處理，但水量較大效果并不明顯，導(dǎo)致開(kāi)挖及其困難，風(fēng)險(xiǎn)較大。

實(shí)測(cè)地下水位基本穩(wěn)定在主體結(jié)構(gòu)下層導(dǎo)洞拱頂位置，直接影響到豎井及下層橫通道開(kāi)挖。實(shí)際上，由于上層通道先行開(kāi)挖且不受地下水影響，施工進(jìn)展順利，主體上層導(dǎo)洞具備優(yōu)先開(kāi)挖條件，于是將導(dǎo)洞施工順序調(diào)整為先上后下，避開(kāi)地下水影響，優(yōu)先施作上層導(dǎo)洞，將可以把控的作業(yè)工序調(diào)整靠前，優(yōu)化資源配置，加快進(jìn)度，對(duì)確?？偣て谄鸬搅岁P(guān)鍵作用，同時(shí)由于上導(dǎo)洞的先行開(kāi)挖，也提供了在上導(dǎo)洞施作降水措施的條件。

3.7 襯砌背后匯集引排系統(tǒng)

初支結(jié)構(gòu)封閉后，仍有大量地下水從初支面滲流出來(lái)，給基面處理、防水鋪設(shè)及襯砌施工帶來(lái)極大困難。

在滲水較小的部分段落，明流水壓不大時(shí)，可采取注漿方式封堵，待堵漏結(jié)束及時(shí)進(jìn)行后續(xù)工序。

滲流水明顯的側(cè)墻，經(jīng)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(xiàn)新的滲漏通道。為解決此問(wèn)題，在基面處理完成后，掛設(shè)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(shè)前在初支側(cè)墻與底板交角部縱向布設(shè)1 道水平盲管（直徑100 mm），每2 m 設(shè)1 道豎向盲管（直徑50 mm），必要時(shí)加密，對(duì)初支側(cè)墻面滲流水進(jìn)行匯集與引排，待表面達(dá)到要求及時(shí)鋪設(shè)土工布和防水層。在地下水豐富段落，初支面滲水無(wú)法完全止住，采用不透水材料（塑料）掛設(shè)在基面上并配合盲管形成一道基面附加層，不僅達(dá)到防水層鋪設(shè)條件，同時(shí)保證防水層施工質(zhì)量。

對(duì)于底板（仰拱）部位，不僅有底板滲水，而且側(cè)墻和其他部位滲水也匯集于此，導(dǎo)致水流較大，基面處理和防水施工十分困難且質(zhì)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(shè)置集水坑安裝水泵，引流地下水至末端集水坑內(nèi)，同時(shí)在施工部位前后分別設(shè)置截水溝（或擋堰）截住遠(yuǎn)處來(lái)水。上述管路、水泵等均設(shè)置于防水層外側(cè)，形成一套防水層背后匯集抽排管路系統(tǒng)，保證基面和防水順利實(shí)施，待襯砌完成后廢棄。管路系統(tǒng)可從主體到通道，再到豎井進(jìn)行接力連續(xù)抽排，當(dāng)井壁結(jié)構(gòu)施工至水位以上時(shí)作廢處理，必要時(shí)注漿處理。

4 結(jié)語(yǔ)

豐富的地下水，給豎井、通道、主體隧道以及二襯結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)了極大困難。豎井開(kāi)挖中，可采取斜井降水配合側(cè)壁截排水措施；通道及正線開(kāi)挖，可上層通道（或?qū)Ф矗﹥?nèi)施作超前疏干井或者采取洞內(nèi)成井降水；對(duì)于多導(dǎo)洞施工，可導(dǎo)洞間橫向注漿加固，以提高注漿效果和效率；施工可優(yōu)化調(diào)整施工先后順序，避開(kāi)地下水影響；初支完成二襯施工時(shí)，在注漿堵水基礎(chǔ)上，可增加防水背后地下水匯集引排管路進(jìn)行系統(tǒng)性疏排水處理，以保證基面處理、防水及混凝土施工順利進(jìn)行。

不同情況下的地下水治理工程實(shí)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(fēng)險(xiǎn)，但利用好現(xiàn)有施工技術(shù)、制定有效技術(shù)措施完全可以規(guī)避重大風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全施工。