浅析城市地铁明挖施工的降水工艺

张龙腾

(南京地下铁道有限责任公司，南京 210003)

1 工程概况

百家湖站是南京地铁1号线南延线的中间站,车站位于宁溧路与天元路交叉路口以北、道路西侧的凤凰港地块内,靠近风凰港中轴线,呈南北走向。拟建场地为施工区,场地平坦、空旷。车站主体结构采用明挖顺作法施工,基坑深14.494～14.834 m,围护结构采用φ850 mm水泥土三轴搅拌桩内插HN700×300型钢支护,内插型钢根据基坑深度、地质资料按插二跳一及密插型两种方式布置。百家湖—小龙湾区间明挖隧道设计起点为K12+341.547,衔接盾构井,终点为K12+708,衔接路基工程,全长366.453 m,围护结构采用钻孔灌注桩+止水帷幕及SMW工法桩围护,明挖顺作法施工,K12+354.347～K12+491.215为矩形双洞双线结构,K12+491.215～K12+708为矩形单洞双线结构。

2 工程地质及水文地质

根据地勘资料，孔隙微承压含水层主要赋存于3-2c2-3粉土夹粉质黏土层、3-2c-d2粉土、粉砂夹粉质黏土层、3-3-3c2-3粉土层和3-2d2-3粉砂层。百家湖车站地质断面如图1所示。

图1 百家湖车站地质断面

3 降水方案及工艺

3.1 总体降水方案

根据地质、水文资料,百家湖车站及百—小区间所处位置以粉土及粉砂为主,地下水主要为孔隙潜水及孔隙微承压水,对施工影响较大的是第一层孔隙微承压水,且底板位于第一层承压水中,因此降水以降第一层微承压水为主,由于第一层微承压水与第二层微承压水之间存在一层黏土隔水层,且第二层微承压水位于底板下15 m,因此抽排第二层微承压水以减压为主。为防止管涌及冒砂现象发生,保证施工顺利进行,百家湖车站及百—小区间降水采用管井降水方案,以坑内降水为主,坑外减压为辅。

(1)百家湖车站降水井数量确定

①基坑总涌水量：采用承压水完整井公式计算

式中Q总——基坑总涌水量，m3/d;

K——含水层综合渗透系数,取2m/d;

m——含水层综合厚度,取12 m；

s——地下水位要求降深,取8.54 m；

R——影响半径,取15 m；

r0——基坑引用半径,与基坑的大小有关，取20 m。

②单井干扰出水量

单井出水能力根据公式计算

式中rs——过滤器半径,取0.15 m；

L——过滤器有效进水长度,取1.5 m。

干扰出水量q2根据经验,单井干扰出水量约为单井出水能力的1/2左右,故单井干扰出水量约为134 m3/d。

③降水井数量

井数：

n=1.2Q/q2=1.2×2 301.22/134=20.6口

式中Q——基坑总涌水量，m3/d；

q2——单井干扰出水量，m3/d；

n——降水井数量，口。

根据计算和现场实际情况,百家湖站布置22口降水井用于降水,可以防止突涌现象的发生。百家湖站内降水井布置如图2所示。

注：JS—降水井,GC—观测井图2 百家湖站施工降水井、观测井平面布置(单位：m)

(2)百—小区间降水井数量确定

①基坑总涌水量：采用承压水完整井公式计算

Q总=2 964.11 m3/d

计算时,K取2 m/d；m取12 m；s取11 m；R取15 m；r0取20 m。

②单井干扰出水量

单井出水能力根据公式计算

式中：rs取0.15 m，L取1.5 m。

干扰出水量q2根据经验,单井干扰出水量约为单井出水能力的1/2左右,故单井干扰出水量约为134 m3/d。

③降水井数量

井数：

n=1.2Q/q2=1.2×2 964.11/134=26.5口

根据计算,本工程段布置27口降水井,可满足基坑降水要求。

百—小区间基坑土方开挖涉及交通管制、管线改移以及结构设置,按里程分为3期,K12+354.357～K12+500段为第一期,K12+500～K12+600段为第二期,K12+600～K12+708段为第三期。考虑到百—小区间处于曲线位置以及现场实际情况,坑内共布置31口降水井。降水井在K12+354.357～K12+500间距约为20 m,在K12+500～K12+708间距约为30 m,降水井在基坑内按图3布置。根据结构底板的深度,设置降水井深度在一期为22 m,二期为18 m,三期为16 m。基坑外降水井为减压井,在盾构井四周布置6口。减压井深度为32 m,进入卵石层不小于1 m。在土方开挖过程中降低坑外水水头。1#～6#井为减压井,1～31号为降水井。32、33号降水井为新增降水井,目的为了降低结构施工缝处承压水水位。

图3 百—小区间施工降水井、减压井平面布置图(降水井用数字表示,减压井用数字加#表示)

3.2 降水井结构

降水井为管井降水,降水井深度大于底板深度8 m,降水井钻井孔径为φ800 mm,降水井内径300 mm,外径380 mm；井管为无砂管,单管每节1 m,滤料为直径2～4 mm的绿豆砂,降水井结构详见图4。

图4 降水井、减压井大样(单位：m)

3.3 降水施工工艺

降水方案制定后,首先进行试成井,并通过抽水试验提取降水参数,从地质、施工操作人员质量意识、材料(滤料、滤网、滤管)的选择及降水井的成孔、抽水效果等方面进行分析,对降水井的位置和数量进行合理布置、调整,以取得最佳降水效果。

(1)施工流程

施工流程如下：施工准备→放样→钻机就位→钻进→安装井管→投滤料→洗井→安装抽水泵→试抽。

(2)施工前的准备工作

根据施工现场情况合理布置泥浆池,并在泥浆池内注满清水,以满足循环钻进用水。

(3)钻机就位

①钻机就位前应将场地平整夯实,保证地基坚固,防止钻机自重荷载及钻孔过程中振动荷载引起场地不均匀沉降,造成钻机倾斜。

②钻机架设必须平稳牢固,钻头、磨盘和孔位三对中。

(4)成孔

准备工作完成以后开始钻孔,钻孔采用XZ-150型水文钻机清水钻进成孔,整孔采用一径到底。钻进过程中注意观察返浆,记录地层情况,钻到设计孔深后,一般需超钻50～80 cm,并停止钻进,但仍停在原位进行清水循环,以返清孔内沉砂,减少沉淀,通过返浆观察确定起钻时间。

(5)管井安装

起钻后立即安装井管,井管直径为380 mm,单管长度为1 m,安装顺序为先放一端封死的滤管,再依次对接,每节管对接对直,并用60目滤网包裹好,确保井管位于孔中间,以保证井管与孔壁间间距不小于150 mm。管井与孔壁之间滤料采用2～4 mm绿豆砂填实,填充滤料时,应对称回填,避免滤料将井管挤压偏斜,滤料填至距离孔口1 m的位置用黏土填实。

(6)洗井

管井安装完成后应及时进行洗井,洗井通常采用的方法为活塞法和污水泵抽水相结合的方法,洗井时间不小于4 h。

(7)抽水

洗井完毕后应立即安装3～10 m3的抽水泵进行抽水,防止放置时间过长再进行抽水,井有可能淤积,影响出水效果。

3.4 试成井

根据工地施工安排,先施工百家湖车站,后施工百—小区间,因此选择百家湖车站JS1降水井进行试成井,成井过程中安排专职技术员进行全过程监督、指导,并在成井后采用水位计、安装水表对降水井单井水位、抽水量进行统计,根据统计结果对降水井的施工工艺、材料(包括滤管、滤料、滤网)的选择方面、成孔质量控制方面进行总结,对后序降水井的成井起到良好的指导作用。

3.5 施工工序质量控制

在降水井施工过程中,应结合现场实际情况,加强各工序质量控制。

(1)在钻进过程中,应及时检查地质是否与设计相符,对于地质不均匀地段,应根据实际情况,调整降水井的布置。可采取增加降水井的方法保证降水效果,使降水井呈等腰三角布置,形成合理的漏斗体系。

(2)加强对施工操作人员进行质量意识的教育,在施工操作人员心中树立起正确的质量观念。

(3)材料的选择及质量

为控制降水井运行效果,材料进场后按《建筑与市政降水工程技术规范》(JGJ/T111—98)进行验收,保证管材既要符合强度要求,又要具有规范要求的渗透性,要求管材生产厂家必须有强度报告和透水性试验报告；滤网选用60目优质滤网,并经过有关部门检验达到要求方可进场使用；滤料选用马鞍山附近的优质绿豆砂做滤料,要求进行筛分试验,保证含泥量、级配等指标符合要求。

(4)降水井成孔要求

①清孔的控制

由于地铁车站地质结构以粉土、粉砂为主,因此在降水井施工过程中清孔的质量问题是施工的关键环节,清孔第一控制泥浆的含砂率,同时控制泥浆的比重,砂率控制不大于4%为宜,泥浆比重不得大于1.1。在工地现场也可用以下方法进行测定,即用水桶将清孔后的泥浆缓缓倒下，看其是否顺利通过60目的过滤网,假如通过顺利，泥浆则符合要求,否则还要继续换浆清孔。

②洗井的质量控制

先采用活塞式洗井,主要以清除管井内的泥沙为主；然后采用清水稀释和污水泵抽取浑水,以最终达到洗井的目的。

③试抽水的控制关键

在洗井结束以后,为防止泥浆将管井四周井壁堵死,影响抽水效果,不可停井时间过长,必须及时进行抽水。抽水采用QD3—55/3—1.5单相三叶轮潜水电泵进行抽水。在降水井开始抽水过程中,大约每隔1 h将水泵上下提动1次,保证将井管内余留的泥沙抽洗干净,并记录每眼井的出水量。

3.6 封井措施

百家湖车站及百—小区间主体结构顶板封顶后方可进行降水井封井,基坑内降水井的封井采用在井内先填瓜子片然后再灌注水泥并加盖钢扪板的封堵方法,基本操作顺序及有关技术要求如下。

(1)当基坑开挖到设计高程以后,在井管外安装一止水法兰,止水法兰外径450 mm。法兰上口距底板顶面20 cm,下口埋入垫层。

(2)封井前先将井内水抽完然后在井管内填下小碎石,小碎石的填埋高度在基坑底板下4～5 m,然后将干水泥倒入井内,并将钢扪板用螺栓上紧。

(3)封井结束后,将钢扪板顶部用与底板同强度等级的混凝土填至底板顶部。

4 结语

通过施工前对施工方案的确定,施工过程中对成井质量的控制,成井后对降水质量的加强,保证了基坑稳定，位移、基坑周围地表沉降处于受控状态,基本实现了基坑内无水作业,为同类地质条件下降水施工提供了宝贵经验。

[1] GB50202—2002，建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].

[2] 建筑施工手册编写组.建筑施工手册(第四版缩印本)[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] GB50299—1999，地下铁道工程施工及验收规范[S].

[4] JGJ/T111—98，建筑与市政降水工程技术规范[S].

[5] 李文国，刘东跃.浑河截流暗渠施工降水技术[J].铁道标准设计，2005(2).

[6] 殷 波，王 欣.管井降水在区间地铁施工中的应用[J].铁道标准设计，2003(10).

[7] 赵继生.苏州轨道交通星港街站井点降水施工方案设计[J].铁道标准设计，2004(10).