北京地鐵奧運支線北辰橋區(qū)輻射井降水施工技術

趙云峰

（北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

北京地鐵奧運支線北辰橋區(qū)輻射井降水施工技術

趙云峰

（北京市地質工程設計研究院，北京 101500）

北京地鐵奧運支線是北京市軌道交通線網中的8號線中的一部分，起點為熊貓環(huán)島站，終點設在規(guī)劃森林公園站南門。下穿北京四環(huán)路北辰橋U形槽結構，是奧運支線重要的風險控制點，暗挖法施工，工程的安全性極為重要。由于北辰橋區(qū)地面交通極為復雜，無法采用常規(guī)的管井降水工藝，需采用輻射井對其進行整體降水。介紹了該工程輻射井降水施工方案設計、施工技術要求及其降水效果。

輻射井;降水;豎井;水平井;U形槽;北京地鐵奧運支線

1 工程概況

北京地鐵奧運支線是北京市軌道交通線網中的8號線中的一部分，線路全長4.5 km，全部為地下線路。北辰橋區(qū)位于奧運支線奧奧區(qū)間，本區(qū)間起點為奧體中心站北端，地鐵線路在中軸路下方由南向北行至奧林匹克公園站。中軸路現(xiàn)狀為綠地，施工條件較好。

區(qū)間下穿北京四環(huán)路北辰橋U形槽結構，北辰橋由3座橋組成，自西向東編號為1號橋、2號橋、3號橋。根據(jù)結構設計資料，北辰橋U形槽結構底標高40.2 m，區(qū)間隧道外頂距離北辰橋結構底凈距6.6～8.4 m。

土建施工順序:根據(jù)土建單位施工總體籌劃安排，先對北辰橋區(qū)南北兩側的區(qū)間段進行施工，然后集中力量對北辰橋區(qū)進行施工，最后實現(xiàn)整個區(qū)間的貫通。

2 場區(qū)地質條件

2.1 場區(qū)工程地質條件

根據(jù)勘察報告，本次勘察控制孔深度為45.00 m。根據(jù)鉆探揭露，按照其沉積年代、成因類型及巖性，本次勘察深度范圍內自上而下的地層如下。

（1）人工堆積層:

粉土填土①層，稍濕～濕，含磚渣、灰渣和腐殖物根等，局部含粉質粘土填土薄層;

房渣土①1層，稍濕～濕，含磚塊、碎石和灰渣等，局部為建筑垃圾或生活垃圾。

（2）第四系沖洪積層:

粉土③層，稍濕～濕，含云母、氧化鐵、有機質及少量姜石，土質不均，局部夾粉質粘土薄層;

粉質粘土③1層，可塑～硬塑，含云母、氧化鐵、有機質等，偶含姜石，局部夾粉土和粘土薄層;

粘土③2層，可塑，含云母、氧化鐵和有機質等;

粉、細砂③3層，稍濕～濕，含云母、氧化鐵和石英，局部夾粉土薄層;

粉質粘土④層，可塑，含云母和氧化鐵，局部夾粉土薄層;

粘土④1層:可塑，含云母和氧化鐵;

粉土④2層，濕～飽和，含云母、氧化鐵，局部夾粉質粘土薄層;

粉細砂④3層，飽和，含氧化鐵，局部夾圓礫薄層;

卵石⑤層:飽和，亞圓形，一般粒徑20～40 mm，最大粒徑80 mm，級配良好，粒徑大于20 mm顆粒含量約為總質量的60%，中粗砂充填，不連續(xù)分布，僅存在于3AL47孔附近。

2.2 場區(qū)地下水條件及其對施工的影響分析

根據(jù)勘察報告，在橋區(qū)勘探深度內存在4層地下水。第一層含水層水位標高36.92～39.98 m，主要賦存于粉土③層，含水層厚度約0.88 m，分布于隧道結構頂板以上6.5 m處，該層水下部分布約2.70 m厚的粉質粘土隔水層，對結構施工影響較小;第二層含水層主要賦存于粉土④2層，分布在隧道結構頂部及中上部，呈飽和狀態(tài)，屬弱含水層，厚度1～3 m（橋區(qū)以北潛水水位綜合取值33.50 m），為防止隧道開挖時飽和粉土析水引起拱頂塌落，需將隧道拱頂附近的粉土④2層內飽和水疏干，同時考慮在隧道開挖斷面的中下部亦存在粉土④2層透鏡體，推測其呈飽和狀態(tài)，對隧道開挖不利，本次亦將該部位的粉土④2層透鏡體內飽和水疏干;隧道之下的地下水為層間潛水和承壓水，均分布于隧道結構底板以下，局部加深段與層間潛水水位相距約7.0 m，與承壓水水位相距約12.60 m，故層間潛水及承壓水對結構施工無影響。

本區(qū)段在暗挖期間，主要疏干第二層層間水。

3 降水方案及設計參數(shù)

3.1 降水方法的選擇

區(qū)間下穿北辰橋U形槽，對降水方法及施工工藝均提出較高要求，由于過北四環(huán)路面跨度大、車流量大，交通復雜，采用常規(guī)的管井降水工藝難度較大，為了避免降水施工對交通的影響，經多方案綜合比較，采用輻射井對其進行整體降水。在地鐵施工過程中，輻射井降水技術有5大優(yōu)勢:

（1）可以很好地解決地鐵施工中地面沒有施工條件的降水難題;

（2）占地面積小，降水控制范圍大，疏干效果好;

（3）施工難度大，施工成本高，但后期降水維護相對較簡單;

（4）利用雙壁反循環(huán)工藝施工水平井，如果施工中使用較合理的鉆進參數(shù)，可防止形成大的地下空洞，從而避免引起地面沉降等地質災害;

（5）沉井法、錨噴法、機械成孔法施工輻射井豎井能滿足北京地區(qū)各種復雜施工條件。

在隧道和北四環(huán)交叉外側即公路與地鐵線路交叉之東南角、西南角、西北角、東北角的綠地上共施工4眼輻射井（如果輻射井豎井采用人工方法成井時則須在其周圍布設3眼管井用于輔助豎井施工，當輻射井豎井采用漂浮法成井時則不用布設輔助降水管井），在豎井內采用雙壁反循環(huán)工藝施工水平井，水平井互相交錯搭接穿過橋區(qū)段，豎井匯集由水平井流入的地下水，并通過設置在豎井內的潛水泵將這部分地下水抽排至地表的排水系統(tǒng)。

場區(qū)含水層巖性表現(xiàn)為顆粒較細，滲透性差，并且局部以透鏡體形式分布，設計采用多層布設水平降水井，使施工部位的層間水達到基本疏干，滿足結構施工基本作業(yè)的要求。3.2 輻射井排水量計算

本次北辰橋橋區(qū)降水所涉及的地下水為層間水，水位標高綜合取值為:h=33.50 m，含水層總厚度4.16 m。層間水的含水層為粉土④2層，顆粒較細，滲透性差，水平井間距過大不利于層間水過水斷面控制，為了有效疏干層間水，需采用增加水平井數(shù)量，減少相鄰水平井間的夾角和合理控制降水范圍。

降水覆蓋范圍:長約132 m，寬約53 m。輻射井F1～F4的排水量計算如下:利用下式計算水平井單井出水量:

式中:q——水平井單井出水量，m3/d;K——滲透系數(shù)，m/d;H——含水層厚度，m;h——動水位以下含水層厚度，m，按疏干考慮，h≈0.0;R——輻射井降水影響半徑，m;l——水平井管長度，m，取平均長度。

通過上式可求得輻射井F1～F4的水平井單井出水量分別為:q1=8.87 m3/d;q2=8.87 m3/d;q3=8.86 m3/d;q4=8.86 m3/d。

由于含水層底板凹凸不平，不能保證水平井管全部都在含水層中，同時水平井的成井工藝造成水平井的出水量不能滿足理論出水量，因此根據(jù)工程經驗對水平井單井出水量要進行50%～70%的折減，因此取q1'=4.44 m3/d;q2'=4.44 m3/d;q3'=4.43 m3/d;q4'=4.43 m3/d。

利用下式計算輻射井的排水量:

式中:Q——輻射井的排水量，m3/d;α——干擾系數(shù);q——水平井單井出水量，m3/d;n——水平井數(shù)量。

通過上式可求得:輻射井F1～F4的排水量分別為:Q1=23.44 m3/d;Q2=34.63 m3/d;Q3=34.55m3/d;Q4=23.40 m3/d。

3.3 水位降深驗算

以輻射井F1～F4理論計算確定的設計參數(shù)為基礎，分析比較北辰橋區(qū)在4眼輻射井封閉降水的條件下，層間水水位降深是否滿足設計要求。經過驗算分析，當輻射井F1～F4豎井內抽排的水量等于計算理論值時，層間水滿足疏干要求。

3.4 降水方案確定

北辰橋區(qū)采用輻射降水井方案，將弱含水層粉土④2層內的飽和水疏干，滿足隧道暗挖施工要求。

3.4.1 施工豎井、水平降水井布設（圖1）

圖1 北辰橋區(qū)輻射井降水井平面布置圖

（1）施工豎井。在北辰橋2號橋四角外側的綠地位置，布設施工豎井。豎井與區(qū)間隧道凈距≥5.0 m，豎井與北四環(huán)深槽凈距≥5.0 m。

（2）水平降水井。自豎井內向隧道外側、隧道內、隧道間均施工水平降水井。控制隧道外側地下水補給，疏干隧道內及隧道間殘留水。

3.4.2 豎井井深、水平井開孔標高

（1）豎井井深:豎井井深以絕對標高控制，井底標高數(shù)值≤23.50 m，且井深≥23.00 m;

（2）水平井開孔標高:上下共布置3層水平井，主要位于飽和④2層粉土中，開孔標高分別為32.35、30.65、28.45 m。開孔標高數(shù)值是依據(jù)橋區(qū)附近地層剖面（勘探鉆孔3AL02）經綜合分析后確定的，豎井施工中應作好施工記錄，根據(jù)實際含水層頂?shù)装逦恢脤λ骄_孔位置作出必要調整。

4 輻射井施工技術要求

4.1 成井施工要求

4.1.1 豎井成井

豎井成井的方法主要有3種:沉井法、錨噴倒掛壁法、機械成孔法。在場地條件允許時，應優(yōu)先選擇沉井法及錨噴倒掛壁法成井工藝，在施工過程中能有效地確定含水層的實際頂?shù)装鍢烁?，為水平井的開孔位置提供依據(jù)。本工程豎井采用錨噴倒掛壁法成井工藝（圖2）。

4.1.2 水平井成井

水平井成井的方法很多，主要有高壓水沖法、雙壁反循環(huán)法、跟套管潛孔錘鉆進法等。對于粉土、粉細砂等細顆粒含水層，水平井成孔應優(yōu)先采用雙壁反循環(huán)法，能有效減少細顆粒的流出。本工程水平井采用雙壁反循環(huán)法成井工藝，該法是采用雙壁鉆桿鉆進，高壓水從雙壁鉆桿的內外管之間進入，泥砂、礫卵石從鉆桿的內管內排出，此法能保證成井質量，孔徑不擴大，適應地層較廣。其具體施工步驟如下:

（1）在水平鉆機上安裝硬質合金鉆頭，在豎井井管壁水平井標高位置處開孔;

（2）開孔完成后，迅速卸掉開孔鉆頭，換上雙壁鉆桿及鉆頭鉆進，此間速度一定要快，否則容易流砂，釀成事故;

（3）打開高壓水，開動鉆機旋轉鉆桿，利用鉆機的推力、扭力和高壓水力將第一根鉆桿鉆進含水層，再接上下一根鉆桿，如此循環(huán)操作，直至達到設計孔深;

圖2 輻射井豎井錨噴護壁圖

（4）將濾水管從鉆桿中插進，一直插到鉆頭部位，濾水管接口部位要連接平整牢固，避免刮蹭鉆桿;

（5）從濾水管中間插入頂桿，將濾水管頂住，以防拔鉆桿時將濾水管帶出;

（6）用油缸逐段拔出鉆桿，將濾水管留在含水層中;

（7）鉆桿撥出后，必須迅速用蛇皮袋、棕樹皮等材料封住濾管外的空隙，讓水從濾水管中自動流出，防止砂子從未封嚴的孔壁流出;

（8）一眼水平井必須連續(xù)施工，如發(fā)生故障必須停鉆時，則把鉆桿全部拔出，以免埋鉆。

4.2 抽水要求

（1）按降水單元，輻射井F1、F4豎井內設置3.0～5.0 m3/h潛水泵;輻射井F2、F3豎井內設置5.0～10.0 m3/h潛水泵，泵底距井底1.5～2.0 m;

（2）按降水單元，采取全封閉降水方法，開挖前的超前抽水時間應不少于兩周;

（3）抽水含砂量控制:為防止因抽降地下水帶出地層細顆粒物質造成地面沉降，要求抽出的水含砂量＜1/5萬。

5 輻射井降水效果

輻射井F1～F4的前期日抽水量基本保持在22.0～34.0 m3，后期水量有所減少。經過輻射井的有效降水，跨北辰橋區(qū)的地鐵隧道開挖，降水效果明顯，符合土建施工要求。

6 結語

通過跨橋區(qū)輻射井降水技術的應用，可以有效解決普通降水井無法實施的難題，緩解地面交通壓力，同時滿足施工工期要求，經濟合理，安全可靠。

通過本工程輻射井降水井的施工實踐，筆者獲得如下體會:

（1）水平井施工時，開孔標高一定要核實準確，否則影響水平井的降水效果;

（2）水平井的施工工藝要合理選擇，在細顆粒含水層中施工水平井時，優(yōu)先采用雙壁反循環(huán)施工工藝;

（3）為了確保水平井的降水效果，可以在水平井口部加一些真空裝置，這樣能充分疏干弱透水性的飽和含水層。

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Construction Technology of Radial Well Dewatering in Bejing Metro Olympic Branch

ZHAO Yun-feng（Beijing Geoengineering Design＆ Research Institute，Beijing 101500，China）

Beijing metro Olympic branch is a part of Beijing rail transit network Line 8，the starting point is Xiongmaohuandao and the terminal station is designed at the south gate of planned Forest Park.The U-shape groove structure undercrossing Beichen Bridge is an important risk control point with subsurface excavation method，the engineering safety is extremely important.The ground traffic in Beichen Bridge area is very complicated，traditional tube well dewatering could not be applied and overall dewatering was made by radial wells.The paper introduced the radial well dewatering about the construction design，construction technology requirement and the dewatering effect.

radial well dewatering;dewatering;shaft;horizontal well;U-shape groove;Beijing metro Olympic branch

TU46+3

A

1672-7428（2012）01-0057-04

2011-09-09

趙云峰（1978-），男（漢族），河南人，北京市地質工程設計研究院工程師，水文地質與工程地質專業(yè)，從事巖土設計、施工及相關管理工作，北京市西城區(qū)南緯路4號201，ayun2000@126.com。