摘 要:透過深圳地鐵西大區間隧道施工中洞外降水的應用實例,闡述了該方法設計與施工的基本情況,總結了在該工程地質條件下施工工藝和施工注意事項,並對降水效果進行了分析,爲類似工程積累了經驗。
關鍵詞:淺埋暗挖隧道,富水地層,洞外降水
0 引言
淺埋暗挖法作爲目前地鐵隧道施工的一種重要的工法,在地鐵及其他市政隧道工程中有着廣泛的應用,但在一些軟弱地層富水地層,特別是在圍巖遇水崩解軟化地層中進行隧道開挖必須採取有效措施對地下水進行封堵或抽排,才能保證施工的安全以及周邊環境的安全。深圳地鐵5號線採用隧道外降水的工程實踐,取得了良好的效果,爲類似工程提供了有益的借鑑。
1 工程概況
1.1 設計概況深圳地鐵5號線西大區間礦山法段隧道爲西麗站至2, 3號盾構吊出井之間範圍,右線隧道長396.937 m,左線隧道長420.957 m。本區間沿留仙大道敷設,沿線建築物密集,管線密佈,對沉降控制要求較高。
1.2 工程地質
隧道上方地質主要爲衝洪積沉積的.粘性土、砂層和圓礫層,地表爲人工填土層。隧道所穿越地層主要爲全強風化花崗片麻岩和粉質粘土層,強度較低,遇水軟化,自穩性很差。各地層的滲透係數參考值爲:雜填土層K=10. 0 m /d;粘土層K=1. 0 m /d;砂層K=40. 0m /d;殘積土層2. 5m /d;全風化層K=1. 0 m /d;強風化層K=3. 0 m /d;中風化層K=5. 0 m /d;微風化層K=0. 1 m /d。
1.3 水文地質
本場地地下水按賦存條件主要分爲鬆散巖類孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要賦存在第四系粘性土、砂層、圓礫層及殘積層中,砂層、圓礫層中地下水略具承壓性。基岩裂隙水主要賦存在花崗岩強~中風化層中,略具承壓性。地下水位埋深2. 3 m~7. 6 m,水位高程5. 46 m~11. 06 m,水位變幅0. 5 m~2. 0 m。地下水總的徑流方向爲由北東向南西。地下水的排泄途徑主要是蒸發和以徑流方式流入河水。補給來源主要爲大氣降水、河水及地表水的滲透。地下水與河水互補,存在水力聯繫。
2 施工降水設計
2.1 降水井設定根據現場的場地條件和管線情況,降水井沿隧道兩側佈置,考慮到小口徑降水井具有佈置靈活、施工方便、成井速度快的特點,將降水井設定爲開孔直徑200 mm,井管直徑150 mm,縱向間距爲6 m,見圖1。
2.2 降水計算
以右線隧道一段(即泵房通道至3號盾構井段)爲例進行計算。
1)降水井深度。
根據設計,降水井深度爲隧道底部7. 5 m,h=23 +7. 5 =30. 5 m。
2)降水出水量計算。
a.影響半徑的計算:影響半徑R=S/i,R=19/0. 1=190 m。
b.出水量計算:按照深井(管井)降水計算,按無壓完整井管井涌水量計算,系統總涌水量。比照深井基坑外降水(窄長式基坑)不考慮承壓水計算方法進行計算:Q=πK(H2-hc2) /ln(R /A)。其中,Q爲基坑出水量,m3/ d;H爲井深,取30. 5 m;hc爲含水層厚度,取25. 5 m;R爲基坑影響半徑;A爲基坑換算半徑;計算得Q=1 722 m3/d。c.單井管井進水量:q=2πrl3K。計算得q設計=59. 76 m3/d。d.需要降水井數量:N設計=32。
3 降水井施工
1)施放井位。降水井井位根據場區地下管線分佈情況初步確定,然後人工挖探孔,確認無管線後方可安放鑽機;當探孔內發現管線等障礙物後,降水井間距可作局部調整,一般小於2. 0 m,且降水井總量不得減少。
2)降水井成孔。採用普通地質鑽機成孔,鑽頭直徑200 mm。井身結構誤差要求:井徑誤差±20mm;垂直度誤差不大於1%;不小於設計井深。孔徑d=200 mm井管制作示意圖見圖3。
3)清孔及下管。下管前注入清水置換全井孔內泥漿,砂石泵抽出沉渣並測定孔深。井管採用直徑150 mm的PVC管,加工時在管身上按間距20cm呈梅花形佈置滲水孔(井底20m範圍內的井管上佈置),滲水孔徑4 cm~6 cm,在包纏1層200目細目網後緩緩下放。井管要高出地面不小於200 mm,並加臨時保護措施。
4)填濾料。井管下入後立即填入濾料。濾料應具有一定的磨圓度,濾料含泥量(包括含石粉)不大於3%,粒徑2 mm ~4 mm。填濾料時,濾料沿井管外四周均勻填入,宜保持連續。洗井後濾料下沉及時補充濾料,要求實際填料量不小於95%理論計算量。
5)洗井。下管、填料完成後立即進行洗井,成井—洗井間隔時間不能超過8 h;採用下泵試抽洗井,用潛水泵反覆進行抽洗,直至水清砂淨,上下含水層水串通。
6)抽水。採用的潛水泵型號爲QJ 3-5219(功率1. 5 kW),泵管採用40 mm PVC管,水泵安裝位置在隧道仰拱下2 m左右;地面安裝水泵控制器和水錶,根據井底水位變化情況自動控制水泵的停止或啓動。爲達到較好的降水效果,降水需提前隧道開挖掌子面60 m或者提前掌子面開挖到達20d時間,在隧道開挖掌子面超過降水井位置60 m後停止該口降水井的抽水工作。
4 降水引起沉降分析
爲了能夠較爲準確客觀的分析降水引起的沉降,選取隧道開挖掌子面距離較遠的降水井及相應位置的測點作爲分析對象。將沉降分爲兩個階段,即開挖掌子面到達前(掌子面距測點3倍洞徑),單純由降水所引起的沉降S1,降水和隧道開挖共同作用(從掌子面距測點3倍洞徑到沉降穩定)引起沉降S2,考察S1佔總沉降S1+S2的百分比。同時對比同樣地層條件,降水段和未降水段總沉降量。選取右線DK11+756、左線DK11+791、右線DK11+520三個典型測點爲研究對象,其中右線DK11+756、左線DK11+791兩測點處於降水施工,右線DK11+520測點處於未降水施工段。
透過對比降水地段隧道施工引起的總沉降量要遠小於未降水地段的總沉降量。其主要原因是未降水地段圍巖遇水迅速崩解軟化,掌子面難以自穩,作業環境差,作業週期長,對地層擾動大,初期支護和圍巖間存在較大的空隙,隧道透過前及隧道透過後的沉降均很大。降水地段隧道施工的總沉降量基本可控制在70 mm以內,單純降水引起降水S1佔總沉降量S1+S2的比值在20%~30%左右。從本工程來看採取降水措施能夠有效控制因隧道開挖所引起的沉降。
5 降水效果
未降水地段,圍巖遇水迅速軟化崩解,掌子面難以自穩,雖進行注漿加固,效果並不明顯,開挖非常困難,沉降難以控制,結構變形嚴重,個別地表點沉降超過200mm。隨着降水施工隧道全斷面無明水流出,基本實現了隧道內開挖的無水作業,掌子面自穩能力明顯增強,總沉降量基本可控制在70 mm以內。未降水地段施工進度緩慢,月進度不到30 m;降水後,掌子面自穩能力大大加強,施工環境大爲改善,安全得到保證,進度快速,單線隧道月成洞可以達到70 m~80 m。
6 結語
該地鐵區間地質條件差,地下水豐富,圍巖遇水極易軟化崩解,給隧道施工安全和環境安全帶來了十分不利的影響。透過隧道外降水施工,確保了施工安全,有效的控制了沉降的發生。但目前城市施工,出於對環境的考慮,對降水均嚴格控制。所以有必要進一步的研究,在不同地質條件下,由於降水所引起沉降的規律。同時隧道外降水理論計算公式出自基坑的計算方法,還需要在實踐中不斷的總結、試驗,確定屬於隧道外降水經驗的公式,避免憑經驗佈設井點而造成資源的浪費或達不到預期的降水效果。
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