浅埋暗挖隧道在粉质粘土层中带水作业实例研究

浅埋暗挖隧道在粉质粘土层中带水作业实例研究

汪 岩，刘铁柱，衣绍彦，孟克巴依尔

【摘 要】[摘 要]总结了北京地铁昌平线二期工程昌平新区站－南邵站区间暗挖段施工中遇到多水地层，在采用加深降水井、真空泵抽水和注浆止水等降、阻水措施仍无法达到无水作业条件时，在辅助明排措施的带水作业情况下顺利完成施工，为类似工程提供借鉴。

【期刊名称】建筑机械化

【年(卷),期】2014(035)010

【总页数】4

【关键词】[关键词]粉质粘土；浅埋暗挖；带水作业

北京北部区县修建地铁由于靠近山区，地质条件复杂，开挖隧道多遇地下水丰富地层，会给暗挖施工带来不利影响，根据规范及设计文件要求，浅埋暗挖隧道必须无水作业，但实际工程监督过程中，会遇到个别工程降、阻水难度大，在费用、工期等方面难以实现无水作业的情况，坚持要求实现无水作业并不现实。正在修建的北京地铁昌平线二期工程昌平新区站-南邵站区间暗挖段由于地质原因，降、阻水难度大，无法达到无水作业条件，在多次组织专家论证，按要求采取相应技术措施后，暗挖区间在带水作业条件下，安全、顺利地完成了贯通。

1 工程概况

昌平新区站-南邵站区间的暗挖段为区间风井至南邵站，暗挖段里程K9+600.9～K10+150.373，单线全长562.603m。于K9+943.057处设置暗挖竖井1座，竖井横通道内向两端开挖。

1.1 隧道断面结构型式

暗挖隧道单洞为马蹄形断面，断面形式见图1。平均埋深11.4～17.6m，全长为直线段，隧道竖向以0.64%坡度自区间风井向南邵站爬升，区间风井为暗挖段高程最低点（轨顶标高40.294m，地面标高66.78m，隧道拱底埋深约17.56m），南邵站处为暗挖段高程最高点（轨顶标高43.611m，地面标高59.66m，隧道拱顶埋深约11.0m）。

1.2 工程地质情况

隧道顶板大部分区段穿过的土层为粉质粘土⑥层、粘土⑥2层、卵石⑤层和中粗砂⑤1层，上部的卵石和粉土均为含水层，围岩等级为VI级。

边墙围岩主要为粉质粘土⑥层、粉土⑥2层、卵石⑦层、中粗砂⑦1层和强风化凝灰质砾岩1层，围岩等级为VI级。

结构底板围岩主要为粉质粘土⑥层、粉土⑥2层、粉质粘土⑧层和强风化凝灰质砾岩1层，围岩等级为VI级。

1.3 水文地质情况

暗挖段所处山前冲积平原，其间分布东沙河一级阶地、河床及河漫滩，表层主要以粘性土、砂土及碎石类土交互土层为主，其下伏基岩为侏罗纪凝灰岩。地下水特征如表1所示。

1.4 原降水设计概况

根据隧道埋深及地下水情况，里程K9+600.100～K10+0.000段布置降水井101眼，井深26.0m，井间距7.0～8.0m；里程K10+0.000～K10+150.373段布置降水井42眼，井深23.0m，一般井间距为8.0m。

1.5 隧道结构型式及施工方法

隧道结构采用复合式衬砌（初期支护+二次衬砌）施工方法。初期支护由喷射混凝土、钢筋网及钢格栅（纵向间距0.5m）组成。二次衬砌为模筑钢筋混凝土。初期支护与二次衬砌之间敷设防水层。

超前支护采用超前小导管（纵向间距1m）并周壁预注浆，浆液采用水泥单液浆。初期支护背后采用无收缩水泥浆液注浆回填。

隧道采用正台阶预留核心土法施工，施工工序为：①超前小导管打设并注浆；②上导洞上台阶土方开挖及初期支护；③上导洞核心土开挖及初期支护；④下导洞土方开挖及初期支护；⑤下导洞初期支护及注浆，详见图2所示。

2 施工中遇到的问题

现场施工时，上台阶位于粉质粘土⑥层，土体密实、表面光滑，空隙少、无裂隙存在，大部分土体干燥，少部分土体潮湿但无渗水，开挖过程顺利。

下台阶绝大部分位于粉质粘土⑧层，小部分位于粉质粘土⑥层及强风化凝灰质砾岩1层。粉质粘土⑧层土体强风化，孔隙多，竖向裂隙明显。在隧道底以上2.3m范围内，渗水、涌水明显。

由于土体竖向裂隙较多、横向裂隙较少，上层潜水通过竖向裂隙进入开挖掌子面处。而由于横向裂隙少，降水井周边地下水不能通过横向裂隙汇入降水井内，降水井影响半径小、降水效果差。造成掌子面开挖时渗水严重，渗水点位于仰拱以上2.3m范围。增加施工风险，且仰拱喷锚料中的胶凝材料（水泥）被冲刷流失，造成喷锚料不能凝结、呈松散状态，不能起到初期支护作用。

3 地下水控制措施及效果

根据工程地质情况、水文地质情况并结合现场实际，施工单位主要采取4种方法防治地下水危害：①降水井加密、加深；②洞内真空泵降水；③掌子面注浆止水；④洞内排水措施。

3.1 降水井加密、加深

初步分析，降水井设计间距过大、深度不够是造成隧道内渗、涌水的主要原因。因此决定进行降水井加密、加深试验段，观察降水效果。

第一次试验段的范围为设计里程左K9+877至左K9+912和右K9+891至右

K9+918)，长度为40m。在原设计降水井中间加设一口降水井，降水井加深到隧道底板下8m，井深达到30m。隧道开挖至加密区后，掌子面下台阶渗水区域降低约1m（渗水点由仰拱以上2.3m处降至1.3m处），且渗水量减小。

根据第一次试验结果，经讨论及改进，进行第二次降水井加密、加深试验段。试验段范围为设计里程左K9+772至左K9+856和右K9+762至右K9+846，长度80m，在隧道两侧原设计降水井中间加设一口降水井，降水井加深到隧道底板下12m，井深达到34m。降水井打设完成后，刚开始抽水时，左线平均日抽水量为70m3/口，右线平均日抽水量为30m3/口，左线日抽水量较大。正常抽水40天后，出水量逐渐减少，最终稳定在平均日抽水量10m3/口以内。隧道开挖进入第二次降水井加密、加深（井深34m）试验段后仅掌子面仰拱底以上0.6m范围内存在渗水现象且渗水明显减少，掌子面东侧（靠近降水井侧）土体渗水明显小于西侧。

通过降水井加深、加密到30m、34m两次试验段内掌子面的渗水情况分析，区间暗挖通过第一次试验段时掌子面渗水高度由仰拱以上2.3m降低到仰拱以上1.3m范围，渗水量减小。进入第二次试验段降水井加深到34m后，掌子面渗水高度由仰拱以上1.3m降低到仰拱以上0.6m范围内，渗水量明显减小。但渗水仍然存在，无法达到隧道内的无水作业要求。

3.2 洞内真空泵降水

经过降水井加深、加密两次试验段时均无法满足洞内无水作业要求，为确保施工安全质量，施工单位增加了洞内辅助真空降水措施。掌子面采用钻杆直径40mm的便携式钻机成孔，成孔深度3m，插入土层PVC水管直径25mm，真空泵排水管直径600mm，正线隧道内两侧墙各放置1台超前真空降水采用真空泵抽水。

横通道马头门破除时即发现掌子面下台阶渗水严重，因此隧道正线开挖时立即采取真空泵降水。真空泵降水总流量达到1.5m3/h，达到真空泵额定抽水能力，但是掌子面渗水还是很严重，效果不显著。而且真空泵降水影响正常开挖，造成掌子面不能及时封闭，加大施工难度和风险，没有达到预期的降水效果。

3.3 掌子面注浆止水

在洞内真空泵降水效果不理想的情况下，又对止水措施进行了调整，采取了掌子面注浆止水措施。开挖面共计进行3次注浆试验，在下台阶范围内、隧道两侧各打3个注浆孔，注入1∶1水泥浆液。成孔后缓慢加压，压力在0.5MPa以内时，浆液注入量非常小，每孔达不到0.5m3。压力在0.5～1MPa时，浆液从注浆孔和相邻注浆孔窜出，不能注入土体。由此可见，由于土体过于密实，浆液扩散半径小，串孔现象明显，浆液沿相邻注浆管回流，无法实现注浆止水效果。

3.4 洞内排水施工

在上述3种降水措施均达不到洞内无水作业的情况下，隧道土方开挖及初衬施工只能带水作业，对仰拱锚喷采取技术保证措施并在洞内采取排水措施。

为改善明流水造成仰拱锚喷混凝土质量差，采取了增大仰拱锚喷层厚度的办法，由原设计的300mm增加至700mm厚。待初期支护全部完成后，将仰拱锚喷混凝土分段凿除、分段复喷，以保证仰拱混凝土质量，并为防水施工创造条件。

同时，在仰拱两侧设置排水沟进行明排（图3）。排水沟排水坡度为6.4‰，与隧道设计坡度相同，每50m设置1个积水坑，每个积水坑放置1台1.5kW的潜水泵，采用

逐级接力抽水方式汇水至竖井积水坑，抽出竖井后，经沉淀池沉淀达到市政排污标准后排入市政管网。排水期间最大抽排水量达3.2m3/h。

4 工程治水效果

从隧道正线土方开挖至初衬全部完成，现场隧道土方开挖过程中，仰拱部位一直带水作业。仰拱部位土体虽存在渗、涌水，但是土质密实、胶结性好，实际施工需先用电动风镐将土体松弛，然后才可用人工破除。施工过程中，未发生过滑坡、坍塌现象，隧道内拱顶收敛、地面沉降等监测数据在规范允许范围内，带水作业环境下隧道施工安全可控。

5 结 论

经过上述试验及实践总结，在密实粉质粘土、竖向裂隙发育、横向裂隙少、孔隙多的地层，降水井加深加密试验对降低水位，控制渗水量有一定的作用；洞内真空泵降水试验和掌子面注浆止水试验降水效果不明显，可以视为降水无效。此3种工艺均不能达到使隧道内进行无水开挖施工的条件。为保证在此类地层中带水进行隧道土方开挖及初衬施工，还需采取增厚仰拱锚喷层、增加明排措施等办法。

[参考文献]

[1] 王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论[M]．合肥：安徽教育出版社，2004.

DOI:10.13311/j.cnki.conmec.2014.10.021

【文献来源】https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-

cn_construction-mechanization_thesis/0201210137358.html