总第１１０期 ２００５年第７期 西部探矿工程 ＷＥＳＴ－－ＣＨＩＮＡ ＥＸＰ１ ０ＲＡＴｌ０Ｎ ＥＮＧｌＮＥＥＲＩＮＧ ｓｅｒｉｅｓ ＮＯ．１１Ｏ ｊｕ１．２００５ 文章编号：１０Ｏ４—５７１６（２００５）０７—００９８—０３ 中图分类号：Ｕ４５３．６１文献标识码：Ｂ 富水段电缆隧道真空深井降水施工技术 冀 英 （中铁隧道集团二处有限公司，河北燕郊０６５０２１） 摘要：介绍了在粉土与粉质粘土交互地层中采取真空深井井点降水施工以及利用各种辅助措施控制地表沉降的施工 经验，可为类似工程借鉴。 关键词：交互地层；真空深井井点降水；辅助措施；沉降监测 １工程概况 综上所述，如何有效解决降水问题以及地表控制沉降成为 本工程的两大施工难点。 ２降水工程 郑州凤凰电缆隧道工程Ｉ标段位于郑州市东区，隧道沿途 穿越沈庄北路、沈庄路、商城东路、玉凤路等４条道路，其中ＫＯ＋ ７Ｏ０～Ｋｏ＋７３０隧道穿越熊耳河，在ＫＯ＋７４０￣Ｋ０＋１３００段隧道 要穿越４处１～３层房屋，隧道走向基本为南北向，全长１３３６ｍ。 １．１水文及工程地质概况 隧道沿线经过地段地基土主要由填土、粉土、粉质粘土、粉细 ２．１降水方案比选 浅埋暗挖法是建立在地层处于无水状态的基础上进行，因 此施工治水就显得尤为重要。地下工程治水方法很多，常用的有 轻型井点，喷射井点，电渗井点，深井井点等。但各种方法均有一 定的适用性，宜根据现场的工程地质条件，工程所需治水深度和 周边环境综合选取。针对本工程的特点，施工方法、地层状态、治 砂组成。沿线工程地质条件较为复杂，地层虽然连续性较好但稳 定性差，地基土全为第四系冲洪积地层，中上部主要为粉土与粉 质粘土交互层，下部主要为砂性土，依据土性和工程特性的差别 可划分为９层。隧道主要穿越层３、５粉质粘土层及４粉土层。 水方法之间的关系有联系又有影响，根据本工程的工程地质条 件、治水要求和技术经济方面综合比较的角度，以及施工前期深 井井点的试验效果，选定以真空深井井点为主，洞内轻型井点为 地基土各层的渗透系数如下ｌ１］：②层粉土，５×１０ ｃｍ／ｓ￣③层粉 质粘土，２×１０ ｃｍ／ｓ；④层粉土，５×１０ ｃｍ／ｓ；⑤层粉质粘土，２ ×１０ ｃｍ／ｓ；⑥层粉土，４×１０ ｃｍ／ｓ；⑦层粉质粘土，１×１Ｏ ｃｍ／ｓ。 辅的治水方法。本工程治水的主要目的是疏干粉土、粉质粘土中 的地下水，增强土体抗剪能力，确保开挖后土体的稳定性。 真空深井降水的原理主要是在深井降水井管内增加真空度， 沿线地下水为潜水，稳定水位埋深１．３Ｏ～５．３０ｍ，水位标高 加快降水井的疏水速度，多余水量由深井水泵排走，从而达到深井 降水不能达到的效果。真空深井降水主要是疏干粉土及粉质粘土 层中的地下水，从前期降水的效果来看，深井降水只是降低了粉土 ８７．３５－－９１．９０ｍ。由于地下水位埋深较浅，因此，施工前必须采 取降水措施。 １．２设计概况 及粉质粘土中的大部分自由水水位，但无法完全疏干粉质粘土等 持水性高的土层中的孔隙水、毛细水，经过调研、试验、比选，得出 在这种交互地层中真空深井降水是行之有效的办法。 由根据现场钻孔观测，３ 竖井周围的土体经管井降水水位 隧道覆土厚度在５～１ｌｍ，该电缆隧道工程横断面设计为直 墙、三心圆坦拱、平底马蹄型，开挖宽度为３．２８ｍ，开挖高度为 ３．９３ｍ。隧道支护为复合式衬砌：钢筋网＋连接筋＋格栅钢架＋ 喷混凝土Ｃ２０混凝土＋防水层＋Ｃ２０模筑混凝土，喷混凝土厚度 ２５ｃｍ，模筑混凝土厚２５ｃｍ。 １．３施工难点 降低至地表下６ｍ，结合上述３ 以南１点的岩土分层资料，即层 ①、②层的自由水完全疏干，真空降水主要用于疏干６～１５ｍ土 层中的自由水。 ２．２降水设计 （１）稳定水位在１．５～３．０ｍ，隧道全部位于地下水位以下，隧 道施工必须降水。 （１）根据下式Ｌ 确定真空井管的长度，同时考虑井管露出地 面的富余长度，由此确定真空井管长度。 Ｈ≥Ｈ１＋ｔ１＋Ｉｉ （２）地层复杂多变，透水层与不透水层呈互层出现，降水施工 十分复杂。 （３）隧道所穿越地层主要为③层、④层、⑤层，上述地层渗透系数 在１０ ～ 量级之间，地层渗透性差，持水性强，降水困难。 （４）隧道所在地层中土体均呈饱和、流塑状态，局部软塑，地 层中分布承压水，施工中涌泥涌水严重。 式中：Ｈ Ｈ Ｉ Ｉ 真空管长度； 降低后的地下水位至隧道底板的距离，取１ｍ； 地下水降落坡度，单排井点为１ ４～１／５，取１／５； 降水井井管至隧道另一边缘的距离。 Ｈ 一…隧道底板至地表的距离，取隧道最大埋深； （５）隧道向北穿越熊耳河底，向南过房屋密集地带以及管线 密集地带，工程环境保护难度大。 （２）涌水量的计算： ２００５钲 冀第７期 英：富水段电缆隧道真空深井降水施工技术 ９９ ①影响半径Ｒ：根据潜水完整井公式 Ｒ一２Ｓ 丽 ④围填米石要四周均匀，不能过快，防止局部脱空，填充不密 实，不利于控制降水的含砂率。 ⑤洗井要充分，尽量减少泥砂沉淀。 ⑥成孔后，泥浆比重在达到１．１ｇ／ｃｍ。以下，方可吊放井管， 式中：Ｓ一水位降深； Ｋ～土的渗透系数，ｍ／ｄ； Ｈ…初始水位至隔水层顶的距离。 这一点成为影响降水效果的关键。 ⑦滤料投放要高出花管段３０～５０ｃｍ，充分发挥花管的透气 作用。 ⑧吊放井管时，井管之间用竹片固定牢固，主要起导向作用。 ２．４洞内轻型井点施工 ②基坑等效半径ｒｏ： ｒｏ一０．２９（ａ＋ｂ） 式中：ａ、ｂ一～基坑的长短边边长 ａ一一根据隧道Ｂ断面的开挖宽度以及降水井距隧道边缘 的距离，确定ａ值。 ｂ～根据影响半径Ｒ，取ｂ一２Ｒ。 ③涌水量的计算 根据均质含水层潜水完整井基坑涌水量计算公式Ｌ２ ： Ｑ一１．３６６Ｋ （２Ｈ－－Ｓ）ＸＳ ｌｇ（１＋－Ｒ￣） ｒＯ式中：Ｑ一，基坑涌水量； Ｈ－＿－一潜水含水层的厚度。 （３）抽水设备的选择 根据上述公式，带人相应参数计算出出水量，考虑真空的负 面影响，由此可选定抽水设备。 （４）降水井平面布置 根据影响半径Ｒ并考虑保护真空井的真空度，真空井沿隧 道中线距隧道边缘ｌｍ对称布置，纵向间距为１０ｍ。 ２．３降水井施工 （１）施工工艺流程： 开挖钻孔、泥浆坑、排泥沟一注入清水一安装钻机就位一安 装泥浆泵一钻井孔一成孔一注入清水稀释泥浆一填少量米石一 吊放井管一填米石一洗井一盖井盖一回填、分层夯填、余土运出 一架设电缆一下电盘一安装水泵电缆一抽水一观测压力及出水 状况。 其中成孔后下井管、填滤料、洗井、回填是关键工序，如施作 不当常常会影响降水井的出水效果。 （２）井管选择。井管可分为钢管和混凝土管丽种。两种井管 的实管长度为５～６ｍ，花管长度为１０～１２ｍ。钢管降水井的优点 是成井密封质量高，真空度能得到保证，但回收困难，造价高；混 凝土管降水井的优点是施工简单，且不需回收，造价低，但成井密 封质量不高，需采取措施才能保证真空度。根据施工期间前后两 种井管的使用进行总结，最终确定采用混凝土管，在采取上部实 管管与管之间涂刷沥青，外包塑料薄膜的措施后，混凝土管的密 封性得到很好保证。 （３）施工注意事项： ①钻孔、清洗、下井管、填料、洗井应连续进行，不可中断，如 果间歇时间稍长，就可能发生泥浆沉淀淤积井管，对成井后的出 水量有很大影响。 ②钻孔和下管应达到钻井深度，保证成井质量。 ③安装水泵施工过程中必须保证各连接部位密封可靠不漏 气，可采取沥青漆涂刷每节实管接缝处，并外包塑料薄膜进行密 封。 在个别地质情况相对复杂的地段，真空深井降水不理想，此 时，洞内需采取轻型井点降水的辅助措施。经过实践总结，本工 程洞内轻型井点主要分为垂直降水和水平降水两种，在上部开 挖完成后，对下部进行洞内垂直轻型井点降水，主要是加强隧道 底部的降水效果，确保地下水位降低至仰拱下０．５～ｌｍ；针对对 掌子面中部的夹层采取洞内水平轻型井点降水，保证掌子面的 稳定性。 ２．５降水效果评价 根据现场实际降水情况看主要得出以下几点结论： （１）降水井纵向间距为１０ｍ的距离偏大，尤其是掌子面开挖 到两口降水井之间的位置时，掌子面前后距离两口井都较远。掌 子面含水量增大，开挖后掌子面在两层粉质粘土层中夹有含水 量很大的粉细砂层（流砂层），开挖过程中掌子面的核心土容易坍 塌，可见实际情况中降水井的影响范围与计算值有较大出入，为 此，先后将降水井间距由１０ｍ调为８ｍ，最后凋为６ｍ，最终达到 掌子面无水开挖的条件。 （２）真空度与潜水泵的关系。为保证降水井出水量，需考虑 真空度与潜水泵扬程的关系，井内潜水泵的扬程要满足井深的 同时，还要克服真空负压产生的扬程损失，经过实践确定真空降 水井真空度宜为一Ｏ．Ｏ４～－－０．０６ＩＶＩＰａ，潜水泵扬程选用２６ｍ。真 空度过高，则易增大排水的含砂率，同时增大潜水泵的负荷，增大 了设备的事故率，影响了出水量；真空度过低，则不能有效解决土 层中的结合水，影响降水效果。 （３）降水漏斗曲线。在进行大面积降水施工前必须针对工程 特点做降水试验，尽可能用试验取得的数据指导降水井施工。在 本工程２ 井监测地下水位，得到降水漏斗曲线（见图１），由图可 知，真空深井降水对地下水位的影响最大范围在２４～３０ｍ之间， 有效范围在６ｍ左右。水位下降到隧道地板下１ｎ 处时，需要 １５￣２０ｄ时间，所以，根据平均进度和最短降水时间，可得掌子面 前方要超前多少米进行降水，由此确定各种降水参数。 ３沉降控制 ３．１沉降标准确定 本工程相邻建筑物多，且隧道要通过部分建筑物，此处沉降 对地表建筑物的危害主要表现在地面不均匀沉降引起的建筑物 倾斜，进而导致建筑物开裂。由沉降槽曲线可知，在曲线拐点ｉ 处（Ｉ为曲线拐点到中心的距离），曲线斜率最大，假定建筑物最 大允许倾斜［ｆ］于地表下沉的最大斜率Ｑ 相等，则地表最大允 许沉降量 ：ｓ 一 ｌＵ ＿［ｆ］ ３．２控制措施 Ｊｕ１．２００５ 西部探矿工程 １ＯＯ 图１ ＫＯ＋２０８ｍ￣ＫＯ－４－１７２ｍ水位曲线图 说明：（１）线条ｌ表示３月４日各井位水位曲线；线条２表示３月５ 日各井位水位曲线；线条３表示３月６日各片位水位曲线；线条４表 示３月初日各井位水位曲线；线条５表示３月９日各井位水位曲线。 （２）３月４日最前端工作的真空井位里程为ＫＯ＋２１４，３月９日 里程为ＫＯ＋２０８、Ｋ０＋２０２的真空井开始工作。 针对本工程地质条件差、土体无自稳能力等特点采取了以 下几种辅助施工措施： （１）超前管棚支护。沿开挖轮廓线，以２０。左右的外插角，向 开挖面前方打设 ３２焊接钢管，长度为３．０ｍ，环向间距０．３ｍ， 形成对开挖面前方土体的预锚固，在提前形成的土体锚固圈的 保护下进行施工作业。尤其在隧道穿越道路、熊耳河、房屋密集 地段时要采取加密拱部管棚（环向间距缩小为０．１ｍ）来加固掌子 面前方土体，增加结构及施工的安全度。 （２）封闭掌子面预注浆。在开挖过程中，隧道拱部位于粉土 与粉质粘土分界处，通常存在厚度在３Ｏ～１００ｃｍ的流塑状的夹 层，此位置打设洞内水平轻型井点降水管困难大、效果差，为此必 须采取注浆固结地层，减少开挖过程中的流砂、坍塌，控制地面沉 降。 在工程前期主要是采取超前小导管注水泥一水玻璃双液浆 进行固结土体，注浆效果往往不够理想，为此经过学习、摸索改进 注浆方法，封闭掌子面后采取空口短管注浆。空口注浆管采用 ３２焊接钢管制作，长度ｌｍ，前端不封闭，注浆管前端３０ｃｍ范围 内钻孔，孔距１０ｃｍ，孔径为６～８ｎｌｎ１。注浆完成一定时间后，破 除掌子面后，发现浆液在原有夹层土体中充分形成扩散、劈裂现 象，夹层土体得到很大改善，且无流砂、渗水现象。 根据试验效果分析得出如下结论： ①空口短管注浆与常规带尖锥形的注浆管、超前小导管相 比，在相同压力下，更有利于浆液的注入，每根管的注浆量增大， 能够有效控制流砂现象。 ②空口短管注浆在加固掌子面前方土体后，多余浆液会沿 掌子面的初期支护背后向已支护地段扩散，有利于控制掌子面 附近地表的沉降以及初支防水。 （３）增设临时仰拱。在富水的粉土、粉质粘土地层中开挖较 大断面的隧道，为防止掌子面土体坍塌，在采用上下台阶法分部 施工时，增设临时仰拱，使初期支护及时封闭成环，有利于及时控 制沉降。临时仰拱采用Ｉ１６工字钢，与上部初支钢拱架采用Ｍ２０ 螺栓连接，并焊接纵向连接筋、钢筋网片，喷混凝土厚１５０ｒａｍ。 ＮＯ．７ 临时仰拱应及时使上断面钢支撑成环，尽快形成受力结构，减少 开挖沉降。 ３．３施工监测分析 在采用真空深井降水以及上述各种辅助措施后，地表沉降 得到很大控制，根据施工现场Ｋ０＋６２０、ＫＯ＋７９０等２个横断面 的沉降曲线分析可知： 在本工程地质情况下，降水所产生的沉降在１Ｏ～３０ｍｍ之 间，上部开挖通过时产生的沉降为３７ｒａｍ，下部仰拱开挖通过时 产生的沉降为２８ｍｍ，全断面成环ｌ１ｄ后仍有１６ｍｍ的沉降，地 表最终累计沉降为９Ｏ．９ｍｍ，各条沉降曲线叠加后，可知沉降影 响范围是隧道中线两侧１８￣２５ｍｍ之间。 同时由沉降槽曲线可知，在曲线拐点处…距隧道中线两 侧各１３～１５ｍ处，曲线斜率最大，此时差异沉降（不均匀沉降）最 大，此处地表如有建筑物等，极易产生由不均匀沉降引起的破坏。 这一点也在施工过程中得到印证，在隧道通过Ｋ０＋７８０～Ｋ０＋ ９００段时，隧道东侧地表距离隧道中线１４～１５ｍ处的一层砖混结 构的简易仓库的墙体与房顶圈粱之间出现微裂缝，而处于隧道 中东１５ｍ范围内的另一排仓库墙体未在相同位置发生裂缝。 ３．４效果评价 为尽量控制地表沉降，采取各种辅助措施后，得出如下结论： （１）尽量缩短开挖循环时间，使全断面初支尽快封闭成环。 （２）在初支成环、混凝土强度达到７Ｏ 后尽快开始初支背后 注浆，以便及时控制沉降，也有利于解决防水层施作前的渗漏水 问题。 （３）如在沉降槽拐点处地表存在建筑物，要作为重点监测与 保护的对象，要采取及时有效的工程技术措施抑止产生过大的 地表沉降。 ４结束语 本工程从真空深井降水的调研、摸索、总结，从降水设计到降 水井施工，通过对井深、井距、降水井结构、真空压力以及洗井、密 封等关键参数、关键工序的调整、改进，最终成功解决了在粉土、 粉质粘土交互地层中的降水问题，做到了隧道无水开挖。 总结前期施工经验教训，有以下几点体会： （１）降水井在正式施工前，一定要做详细的降水试验，掌握详 细、准确的降水漏斗曲线、降深时间曲线（ｓ—Ｔ曲线）、出水量时 间曲线（Ｑ—Ｔ曲线），从而确定准确有效的降水参数。 （２）洗井、密封等关键参数、关键工序的调整、改进，最终成功 解决了在粉土、粉质粘土交互地层中的降水问题，做到了隧道无 水开挖。 （３）在对不同地段采用各项辅助施工措施后，有效控制了沉 降问题，并总结了经验。目前空口短管注浆在本工程中得到很大 应用，主要是解决拱顶含水量大的夹层（流砂层）的固结问题；临 时仰拱也在隧道特殊地段得到很好应用，为及时封闭成环，控制 地面沉降起到较大作用。 参考文献： ［１］基础Ｉ：程施：［手册（第二版）［Ｍ］．北京：中 计划｝｝ｊ版社，２００２． Ｅ２３刘招伟．城市地下＿［程暗挖法施工监控量测浅析ＥＪ］．隧道建设， ２００４，２４（１）．
