湿陷性黄土地区城市地铁区间降水技术

戴文辉

（中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽 合肥 230000）

随着西部的开发，在西安地区湿陷性黄土地质条件下修建地铁的数量也在不断增加。在湿陷性黄土中修建地铁，必须解决降水的问题。如何在降水成功的同时，确保沉降符合要求，还是一大难题，尤其在城市环境中，对沉降的要求高，使得施工更加不易。本文主要是对实际项目在降水方案的选择、过程控制及注意措施方面进行阐述，对管井降水在实际应用中作用进行介绍。通过理论计算，结合现场试验，不断调整降水设计参数，取得了较好的降水效果。

1 工程概况

西安地铁三号线延兴门站～咸宁路站区间隧道为矿山法施工，区间单线长度544 米，隧道周边建筑物较多，地下管线分布密集，且隧道下穿城市立交、人行天桥。区间隧道主要地质有新黄土、老黄土和古土壤，其中有350 米长的饱和软黄土地层，地下水较为丰富，水位埋深3-5 米，土体渗透系数为7 米/天。

2 降水方案选择

区间所在的西安区域地下水丰富， 隧道所处地层主要为黄土层，根据地质勘察报告所出工程特性内容和对隧道周边环境的调查，选择隧道外管井降水方案。原因如下：1）管井井点降水具有降水深度大、效果好、井点数量少、设备简单等特点，适用于渗透系数大的黄土层。因此洞外管井群降水方案在理论上能够达到降低地下水位的目的，实现隧道无水作业的效果。2） 结合机械工业勘察设计研究院在西安及周边地区的成功降水施工经验，结合临近本项目的成功降水范例，认为管井井点降水在本项目使用是可行的。

3 降水参数设计

在降水方案实施之前，通过对区间隧道周边地层重新进行取样试验，并结合以往经验，最终确定将地层渗透系数修订为5 米/天，同时根据区间周边实际环境情况特点，采用下列公式进行计算涌水量。式中：Q为涌水量（m3/d）；r0为隧道等效半径（m）；k为渗透系数（m/d）；H为含水层厚度（m）；R为影响半径（m），计算中取经验值；S为设计水位降深（m）；L为基坑通过含水体的长度（m） ；B为基坑宽度（m）； η 为概化系数；n为降水井个数。

延兴门路～咸宁路站区间降水计算表

根据计算结果并结合该区降水经验， 在隧道左右线外设置降水井80 口，同时在竖井和横通道处设置14 口，根据城市管网布置和市政绿化等进行细微调整。降水井与隧道结构的布置如下图所示：

在降水实施的过程中，由于降水带来的含水量降低、土体颗粒流失、孔隙水压力减小引起土层固结，而这个过程也会引起周围地表的沉降。地表沉降大致可分为分为两部分，一部分是孔隙水减少及消失引起的沉降，另一部分是土体固结及次固结产生的沉降，根据以往的经验，可以估算出土体沉降量，如下式：式中：S 为降水引起的地表沉降值（m）；△P 为降水产生的自重附加应力（kpa）；△H 为降水深度（m）；E0.1-0.2 为土层压缩模量（kpa）

式中：rw 为水的容重（KN/m3）

考虑最坏环境下取值：△H=12m，E0.1-0.2=10.63×103 kpa，得出S=18.7mm。设计值为：

1） 地面沉降30mm；

2） 建（构） 筑物沉降30-50mm；

降水井与隧道位置图

3） 地下管线差异沉降小于2‰。

4 降水施工要点

4.1 实行阶段降水方案措施

降水实施的过程即是土体固结的过程，过程中不可避免的发生变形，如何发现其中的规律，那么对如何控制降水带来的影响就有据可查了。

从上述关系中可以得出，要想减小土体沉降量，应该从降水的深度和降水的速度进行控制，如何控制降水的深度和速度，阶段性降水是重要的手段和方法，即将整个降水过程分段进行，从而控制水位下降速率，通过对施工区域周边环境的分析，分三次进行，第一次水位下降至地下8 米，第二次水位下降到13 米，最后一次水位下降到19.5 米处，实现水位下降到设计底板下1 米的目标，过程中注意观察周边沉降情况，每次降水前需待沉降基本稳定后实施。

4.2 坚持变形监测措施

对降水井影响范围内的建（构） 筑物实行监测，根据下表监测结果可以看出，除A4-2 点位沉降超过1cm，其余测点沉降量均在1cm 以内，较好的控制了因排水固结而引起的沉降，施工周边地表、建筑物、施工主体等均安全可靠，完成了既定目标。

由降水引起的沉降，主要在降水的初期，监测结果如下表所示：

5 实际效果应用

5.1 实现安全无水作业

通过既定方案的实施，现场降水效果良好，降水井内动水位及施工范围内的土体固结情况均达到预期要求。

降水地表沉降监测表

5.2 经济、社会效益

通过管井降水方案，最终达到了预期的降水及排水固结的目的，也满足了工期的要求，费用方面较轻型井点、电渗井点及洞内全断面注浆均有较为明显的优势，在饱和软黄土地质的排水固结中发挥了重大的作用，通过对延咸区间施工数据的统计，节约工期2.5 个月，同时节约成本160 万元。

横通道转正洞处作业情况

正洞下台阶施工实现无水作业

6 结语

如何确保黄土地层城市区间隧道施工顺利进行，特别是在地下水丰富情况下，能否成功的降水是重点之一，延咸区间隧道施工降水证明，在降水参数合理的情况下，开放式的管井降水在饱和软黄土层、古土壤层能够达到很好的降水效果，使土体较快实现排水固结。