管井降水在區間地鐵施工中的應用
摘 要:介紹在深圳地鐵一期工程區間隧道設計和施工中采取的輔助性降排水技術措施,并對降水而引起的地面沉降問題進行分析、探討。
關鍵詞:地鐵; 隧道; 管井降水; 地面沉降
1 工程概況
深圳地鐵一期工程由規劃的地鐵一號線東段和四號線南段組成,其中采用淺埋暗挖法施工的總長度約8.8 km , 均位于城市交通干線下,地面交通繁忙,地下各種管線縱橫交錯。
深圳地鐵一期工程暗挖隧道所處地層為上覆第四系人工堆積素填土,沖積、海積粘性土、砂類土,第四系殘積礫質粘性土,下伏燕山期花崗巖,部分區段存在富水飽和砂層,流塑狀粘土層及通過洪積沖溝的淤泥雜質等不良地質狀況,地質條件復雜。地鐵沿線的地下水按其賦存條件,主要為第四系松散巖類孔隙水,賦存于溝谷平原、河岸沖積平原、沖洪積階地、沖海積平原的第四系松散地層中,局部微具承壓性,受大氣降水和地表水補給。
2 施工降水方案
深圳地鐵暗挖區間隧道最初的施工設計并未采取大范圍的降水措施,而是采用以小導管注漿作為超前支護的基本輔助工法,在施工過程中,多個區間隧道出現拱部坍塌、涌泥涌砂險情,施工安全難以保證,工程進度緩慢。為此,經過技術論證,提出了以地面降水為主、洞內引排水為輔,保證淺埋暗挖施工在基本無水狀態下施工的思路。實踐證明, 這是確保施工安全、進度、質量的有效措施,取得了很好的工程效果。
3 降水設計的理論依據
(1) 土的透水性在地下水位以上土體中存在毛細水。毛細水的存在,增加了土粒間的接觸壓力,這對土體的穩定是有利的。地下水位以下土體中的自由水稱為地下水,它連續充滿所有孔隙,對土粒產生浮力作用。
(2) 降水對地層的加固作用
設原地層在自重應力作用下已完全固結,降水后, 地下水位降低ΔH = H1-H2,使得下臥層承受相當于ΔH·γW 的垂直附加應力,下臥層的有效應力隨著空隙水壓力的消失而增長。對降水深度ΔH 范圍內的土層,其含水量因降水而顯著減小,其重度從浮重度γ′ 提高到飽和重度γsat ,這部分土層在增加的自重應力作用下逐漸固結,土體抗剪強度相應增加。
(3) 降水對防止滲流破壞的作用
在未降水的條件下,開挖位于地下水位以下的隧道,水壓平衡被打破,產生水頭差,出現流砂、流土現象。有時土體雖然暫時是穩定的,但細顆粒被水從粗顆粒之間帶走,便會形成孔道,惡性循環,孔道不斷擴大、加深,最終也會造成嚴重破壞。因此,作為防止滲流破壞的根本措施,應盡可能降水,減小水力坡度。
4 降水設計
(1) 降水井布置
深圳地鐵一期工程區間隧道降水多采用管井降水,由于隧道穿過的地下含水層較復雜,而隧道兩側布井降水適用性最強,適合于地下含水層任意分布,所以采用在隧道兩側間隔布井的方式。
(2) 降水井結構設計
① 井深 根據隧道結構深度確定井深,但井底不進入隔水層。
② 井徑 在道路上施工,管井井徑不宜設計得太大,以減小清渣、清漿量。井徑大了,出水量也不會增加多少,井徑設計以600～650 mm 為宜。
③ 井管 <350～ <400 mm 的骨架纏絲包網濾水管可以使用,單包網目數不宜太小,否側井內容易涌砂, 以一層60 目、一層40 目為宜。但這種井管造價較高, 有條件時使用水泥礫石濾水管,這種濾水管成本低、質量好。
④ 濾料 針對中砂～ 礫砂含水層,以3～7 mm 級配碎石子為好。
(3) 降水井檢查井設計
道路上施工降水井(不能暴露于地面),可按市政標準設計檢查井,蓋上承重井蓋后與路面平齊,能經受汽車攆壓。
(4) 施工方法
上鉆前應確實探明地下管線,上鉆機前對井位要人工挖至原狀土,破除路面用切割機比風鎬要好,如遇到地下水可釬探,確定無管線時再上鉆機施工。采用泵吸反循環鉆機進行成井施工為好,理由是清水水壓鉆進,不用造漿,成井效率高,質量好。鉆進過程中,應注意觀察液面變化,及時補水,防止塌孔埋鉆。洗井一般采用空壓機洗井,反水量較小時可適當注入清水,驗收標準是水清砂靜。排水管線要求不漏不滲,回填面與路面平齊。
5 降水與地面沉降
降水引起的地表沉降屬于再固結沉降,在砂性土中呈現較快,在粘性土中則較慢,在總的地表沉降量中,因降水而產生的地層固結沉降,約占因施工引起的地表總沉降量的37 % 左右。在花崗巖或其他巖石中降排其風化裂隙水時,可不考慮降水壓縮問題。
(1) 在降水前做好對周圍環境調研的工作
① 查清工程地質及水文地質情況,即對該地段應有完整的地質勘探資料,包括地層分布、透水層和透鏡體情況,以及其與水體的聯系和水體水位變化情況,各層土的滲透系數,土體的孔隙比和壓縮系數等。
② 查清地下儲水體,如周圍的地下古河道、古水池之類的分布情況。
③ 查清周圍建筑物以及地下各種管、線的分布和類型,根據其重要性及對差異沉降的承受能力,考慮是否要預先采取加固措施等。
(2) 合理進行井點降水,盡可能減少對周圍環境的影響
① 防止抽水帶走土層中的細顆粒。抽出的水中帶走細顆粒不但會增加周圍地表的沉降,而且還會使井管堵塞、井點失效。為此,首先應根據周圍土層的情況選用合適的濾網,同時應重視埋設井管時的成孔和回填砂濾料的質量。
② 適當放緩降水漏斗線的坡度。在同樣的降水深度前提下,降水漏斗線的坡度越平緩,影響范圍越大, 而所產生的不均勻沉降就越小,因而降水影響區內的地下管線和建筑物受損傷的程度也越小。
③ 井點應連續運轉,盡量避免間歇和反復抽水。
④ 降水深度范圍內的土層強度在降水數天之后就有明顯增長,對降水線以下的土層,尤其是粘性土,其強度的增長需要有一定的土體固結時間。為防止隧道整體沉降,應將水位降至隧道仰拱下1～1.5 m 。
(3) 沉降監測
① 基點布置a1 基點 遠離降水區域布置,一般大于800 m , 埋設深度不小于10 m 。b1 工作基點 靠近降水區域布置,一般為200～ 300 m , 埋設深度不小于1 m 。c1 監測點 布置于地鐵沿線高大建筑物的各個角點上,測點用鉆孔插入鋼筋固定。
② 監測要求
初期3～5 d 測1 次,一段時間之后可10 d 監測1 次,較為穩定時延長監測周期,有突變可縮短監測周期,監測結果定時報監理和設計方。
6 結語
暗挖區間隧道的問題主要是地下水的問題,通過深圳地鐵一期工程的實踐,在降水設計方面有以下經驗與體會。
(1) 從深圳地區的地質條件判斷,降水引起的地面沉降量是極其有限的,也是比較均勻的,只要施工方法得當,降水井質量過硬,降水對沿線高大建筑物及地下管線不會有大的影響,但應加強沉降觀測,用監測數據說話。
(2) 不同標段降水方案和井位位置,要與地鐵沿線不同的水文地質條件相結合,不能千篇一律,尤其要注意地鐵穿越的南北向的地下水強徑流帶。
(3) 重視降水的區域效應,即在全線統一開展降排水工程,使地下水在地鐵沿線形成一個狹長漏斗,可以使降水的工程量不致于太大,并減輕初期局部降水的難度。
(4) 重視降水的時間效應,即超前采取降排水措施,因為工程場地存在較厚的、飽水的礫質粘性土層, 其疏干需較長時間。
(5) 重視降水工作的洞內外相結合,即在地下水強徑流段,地面降水沒有完全控制,或在地面無法打開的地段,適當采用洞內大口井或水平井降水技術。
