管井降水在区间地铁施工中的应用
摘 要:介绍在深圳地铁一期工程区间隧道设计和施工中采取的辅助性降排水技术措施,并对降水而引起的地面沉降问题进行分析、探讨。
关键词:地铁; 隧道; 管井降水; 地面沉降
1 工程概况
深圳地铁一期工程由规划的地铁一号线东段和四号线南段组成,其中采用浅埋暗挖法施工的总长度约8.8 km , 均位于城市交通干线下,地面交通繁忙,地下各种管线纵横交错。
深圳地铁一期工程暗挖隧道所处地层为上覆第四系人工堆积素填土,冲积、海积粘性土、砂类土,第四系残积砾质粘性土,下伏燕山期花岗岩,部分区段存在富水饱和砂层,流塑状粘土层及通过洪积冲沟的淤泥杂质等不良地质状况,地质条件复杂。地铁沿线的地下水按其赋存条件,主要为第四系松散岩类孔隙水,赋存于沟谷平原、河岸冲积平原、冲洪积阶地、冲海积平原的第四系松散地层中,局部微具承压性,受大气降水和地表水补给。
2 施工降水方案
深圳地铁暗挖区间隧道最初的施工设计并未采取大范围的降水措施,而是采用以小导管注浆作为超前支护的基本辅助工法,在施工过程中,多个区间隧道出现拱部坍塌、涌泥涌砂险情,施工安全难以保证,工程进度缓慢。为此,经过技术论证,提出了以地面降水为主、洞内引排水为辅,保证浅埋暗挖施工在基本无水状态下施工的思路。实践证明, 这是确保施工安全、进度、质量的有效措施,取得了很好的工程效果。
3 降水设计的理论依据
(1) 土的透水性在地下水位以上土体中存在毛细水。毛细水的存在,增加了土粒间的接触压力,这对土体的稳定是有利的。地下水位以下土体中的自由水称为地下水,它连续充满所有孔隙,对土粒产生浮力作用。
(2) 降水对地层的加固作用
设原地层在自重应力作用下已完全固结,降水后, 地下水位降低ΔH = H1-H2,使得下卧层承受相当于ΔH·γW 的垂直附加应力,下卧层的有效应力随着空隙水压力的消失而增长。对降水深度ΔH 范围内的土层,其含水量因降水而显著减小,其重度从浮重度γ′ 提高到饱和重度γsat ,这部分土层在增加的自重应力作用下逐渐固结,土体抗剪强度相应增加。
(3) 降水对防止渗流破坏的作用
在未降水的条件下,开挖位于地下水位以下的隧道,水压平衡被打破,产生水头差,出现流砂、流土现象。有时土体虽然暂时是稳定的,但细颗粒被水从粗颗粒之间带走,便会形成孔道,恶性循环,孔道不断扩大、加深,最终也会造成严重破坏。因此,作为防止渗流破坏的根本措施,应尽可能降水,减小水力坡度。
4 降水设计
(1) 降水井布置
深圳地铁一期工程区间隧道降水多采用管井降水,由于隧道穿过的地下含水层较复杂,而隧道两侧布井降水适用性最强,适合于地下含水层任意分布,所以采用在隧道两侧间隔布井的方式。
(2) 降水井结构设计
① 井深 根据隧道结构深度确定井深,但井底不进入隔水层。
② 井径 在道路上施工,管井井径不宜设计得太大,以减小清渣、清浆量。井径大了,出水量也不会增加多少,井径设计以600～650 mm 为宜。
③ 井管 <350～ <400 mm 的骨架缠丝包网滤水管可以使用,单包网目数不宜太小,否侧井内容易涌砂, 以一层60 目、一层40 目为宜。但这种井管造价较高, 有条件时使用水泥砾石滤水管,这种滤水管成本低、质量好。
④ 滤料 针对中砂～ 砾砂含水层,以3～7 mm 级配碎石子为好。
(3) 降水井检查井设计
道路上施工降水井(不能暴露于地面),可按市政标准设计检查井,盖上承重井盖后与路面平齐,能经受汽车撵压。
(4) 施工方法
上钻前应确实探明地下管线,上钻机前对井位要人工挖至原状土,破除路面用切割机比风镐要好,如遇到地下水可钎探,确定无管线时再上钻机施工。采用泵吸反循环钻机进行成井施工为好,理由是清水水压钻进,不用造浆,成井效率高,质量好。钻进过程中,应注意观察液面变化,及时补水,防止塌孔埋钻。洗井一般采用空压机洗井,反水量较小时可适当注入清水,验收标准是水清砂静。排水管线要求不漏不渗,回填面与路面平齐。
5 降水与地面沉降
降水引起的地表沉降属于再固结沉降,在砂性土中呈现较快,在粘性土中则较慢,在总的地表沉降量中,因降水而产生的地层固结沉降,约占因施工引起的地表总沉降量的37 % 左右。在花岗岩或其他岩石中降排其风化裂隙水时,可不考虑降水压缩问题。
(1) 在降水前做好对周围环境调研的工作
① 查清工程地质及水文地质情况,即对该地段应有完整的地质勘探资料,包括地层分布、透水层和透镜体情况,以及其与水体的联系和水体水位变化情况,各层土的渗透系数,土体的孔隙比和压缩系数等。
② 查清地下储水体,如周围的地下古河道、古水池之类的分布情况。
③ 查清周围建筑物以及地下各种管、线的分布和类型,根据其重要性及对差异沉降的承受能力,考虑是否要预先采取加固措施等。
(2) 合理进行井点降水,尽可能减少对周围环境的影响
① 防止抽水带走土层中的细颗粒。抽出的水中带走细颗粒不但会增加周围地表的沉降,而且还会使井管堵塞、井点失效。为此,首先应根据周围土层的情况选用合适的滤网,同时应重视埋设井管时的成孔和回填砂滤料的质量。
② 适当放缓降水漏斗线的坡度。在同样的降水深度前提下,降水漏斗线的坡度越平缓,影响范围越大, 而所产生的不均匀沉降就越小,因而降水影响区内的地下管线和建筑物受损伤的程度也越小。
③ 井点应连续运转,尽量避免间歇和反复抽水。
④ 降水深度范围内的土层强度在降水数天之后就有明显增长,对降水线以下的土层,尤其是粘性土,其强度的增长需要有一定的土体固结时间。为防止隧道整体沉降,应将水位降至隧道仰拱下1～1.5 m 。
(3) 沉降监测
① 基点布置a1 基点 远离降水区域布置,一般大于800 m , 埋设深度不小于10 m 。b1 工作基点 靠近降水区域布置,一般为200～ 300 m , 埋设深度不小于1 m 。c1 监测点 布置于地铁沿线高大建筑物的各个角点上,测点用钻孔插入钢筋固定。
② 监测要求
初期3～5 d 测1 次,一段时间之后可10 d 监测1 次,较为稳定时延长监测周期,有突变可缩短监测周期,监测结果定时报监理和设计方。
6 结语
暗挖区间隧道的问题主要是地下水的问题,通过深圳地铁一期工程的实践,在降水设计方面有以下经验与体会。
(1) 从深圳地区的地质条件判断,降水引起的地面沉降量是极其有限的,也是比较均匀的,只要施工方法得当,降水井质量过硬,降水对沿线高大建筑物及地下管线不会有大的影响,但应加强沉降观测,用监测数据说话。
(2) 不同标段降水方案和井位位置,要与地铁沿线不同的水文地质条件相结合,不能千篇一律,尤其要注意地铁穿越的南北向的地下水强径流带。
(3) 重视降水的区域效应,即在全线统一开展降排水工程,使地下水在地铁沿线形成一个狭长漏斗,可以使降水的工程量不致于太大,并减轻初期局部降水的难度。
(4) 重视降水的时间效应,即超前采取降排水措施,因为工程场地存在较厚的、饱水的砾质粘性土层, 其疏干需较长时间。
(5) 重视降水工作的洞内外相结合,即在地下水强径流段,地面降水没有完全控制,或在地面无法打开的地段,适当采用洞内大口井或水平井降水技术。
