淺埋暗挖隧道在粉質(zhì)粘土層中帶水作業(yè)實(shí)例研究

汪 巖，劉鐵柱，衣紹彥，孟克巴依爾

(北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100000）

北京北部區(qū)縣修建地鐵由于靠近山區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，開(kāi)挖隧道多遇地下水豐富地層，會(huì)給暗挖施工帶來(lái)不利影響，根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)文件要求，淺埋暗挖隧道必須無(wú)水作業(yè)，但實(shí)際工程監(jiān)督過(guò)程中，會(huì)遇到個(gè)別工程降、阻水難度大，在費(fèi)用、工期等方面難以實(shí)現(xiàn)無(wú)水作業(yè)的情況，堅(jiān)持要求實(shí)現(xiàn)無(wú)水作業(yè)并不現(xiàn)實(shí)。正在修建的北京地鐵昌平線(xiàn)二期工程昌平新區(qū)站-南邵站區(qū)間暗挖段由于地質(zhì)原因，降、阻水難度大，無(wú)法達(dá)到無(wú)水作業(yè)條件，在多次組織專(zhuān)家論證，按要求采取相應(yīng)技術(shù)措施后，暗挖區(qū)間在帶水作業(yè)條件下，安全、順利地完成了貫通。

1 工程概況

昌平新區(qū)站-南邵站區(qū)間的暗挖段為區(qū)間風(fēng)井至南邵站，暗挖段里程K9+600.9～K10+150.373，單線(xiàn)全長(zhǎng)562.603m。于K9+943.057處設(shè)置暗挖豎井1座，豎井橫通道內(nèi)向兩端開(kāi)挖。

1.1 隧道斷面結(jié)構(gòu)型式

圖1 隧道斷面示意圖

暗挖隧道單洞為馬蹄形斷面，斷面形式見(jiàn)圖1。平均埋深11.4～17.6m，全長(zhǎng)為直線(xiàn)段，隧道豎向以0.64%坡度自區(qū)間風(fēng)井向南邵站爬升，區(qū)間風(fēng)井為暗挖段高程最低點(diǎn)（軌頂標(biāo)高40.294m，地面標(biāo)高66.78m，隧道拱底埋深約17.56m），南邵站處為暗挖段高程最高點(diǎn)（軌頂標(biāo)高43.611m，地面標(biāo)高59.66m，隧道拱頂埋深約11.0m）。

1.2 工程地質(zhì)情況

隧道頂板大部分區(qū)段穿過(guò)的土層為粉質(zhì)粘土⑥層、粘土⑥2層、卵石⑤層和中粗砂⑤1層，上部的卵石和粉土均為含水層，圍巖等級(jí)為VI級(jí)。

表1 地下水特征一覽表

邊墻圍巖主要為粉質(zhì)粘土⑥層、粉土⑥2層、卵石⑦層、中粗砂⑦1層和強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖1層，圍巖等級(jí)為VI級(jí)。

結(jié)構(gòu)底板圍巖主要為粉質(zhì)粘土⑥層、粉土⑥2層、粉質(zhì)粘土⑧層和強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖1層，圍巖等級(jí)為VI級(jí)。

1.3 水文地質(zhì)情況

暗挖段所處山前沖積平原，其間分布東沙河一級(jí)階地、河床及河漫灘，表層主要以粘性土、砂土及碎石類(lèi)土交互土層為主，其下伏基巖為侏羅紀(jì)凝灰?guī)r。地下水特征如表1所示。

1.4 原降水設(shè)計(jì)概況

根據(jù)隧道埋深及地下水情況，里程K9+600.100～K10+0.000段布置降水井101眼，井深26.0m，井間距7.0～8.0m；里程K10+0.000～K10+150.373段布置降水井42眼，井深23.0m，一般井間距為8.0m。

1.5 隧道結(jié)構(gòu)型式及施工方法

隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌（初期支護(hù)+二次襯砌）施工方法。初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)及鋼格柵（縱向間距0.5m）組成。二次襯砌為模筑鋼筋混凝土。初期支護(hù)與二次襯砌之間敷設(shè)防水層。

超前支護(hù)采用超前小導(dǎo)管（縱向間距1m）并周壁預(yù)注漿，漿液采用水泥單液漿。初期支護(hù)背后采用無(wú)收縮水泥漿液注漿回填。

隧道采用正臺(tái)階預(yù)留核心土法施工，施工工序?yàn)椋孩俪靶?dǎo)管打設(shè)并注漿；②上導(dǎo)洞上臺(tái)階土方開(kāi)挖及初期支護(hù)；③上導(dǎo)洞核心土開(kāi)挖及初期支護(hù)；④下導(dǎo)洞土方開(kāi)挖及初期支護(hù)；⑤下導(dǎo)洞初期支護(hù)及注漿，詳見(jiàn)圖2所示。

2 施工中遇到的問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，上臺(tái)階位于粉質(zhì)粘土⑥層，土體密實(shí)、表面光滑，空隙少、無(wú)裂隙存在，大部分土體干燥，少部分土體潮濕但無(wú)滲水，開(kāi)挖過(guò)程順利。

圖2 隧道施工工藝示意圖

下臺(tái)階絕大部分位于粉質(zhì)粘土⑧層，小部分位于粉質(zhì)粘土⑥層及強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)礫巖1層。粉質(zhì)粘土⑧層土體強(qiáng)風(fēng)化，孔隙多，豎向裂隙明顯。在隧道底以上2.3m范圍內(nèi)，滲水、涌水明顯。

由于土體豎向裂隙較多、橫向裂隙較少，上層潛水通過(guò)豎向裂隙進(jìn)入開(kāi)挖掌子面處。而由于橫向裂隙少，降水井周邊地下水不能通過(guò)橫向裂隙匯入降水井內(nèi)，降水井影響半徑小、降水效果差。造成掌子面開(kāi)挖時(shí)滲水嚴(yán)重，滲水點(diǎn)位于仰拱以上2.3m范圍。增加施工風(fēng)險(xiǎn)，且仰拱噴錨料中的膠凝材料（水泥）被沖刷流失，造成噴錨料不能凝結(jié)、呈松散狀態(tài)，不能起到初期支護(hù)作用。

3 地下水控制措施及效果

根據(jù)工程地質(zhì)情況、水文地質(zhì)情況并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，施工單位主要采取4種方法防治地下水危害：①降水井加密、加深；②洞內(nèi)真空泵降水；③掌子面注漿止水；④洞內(nèi)排水措施。

3.1 降水井加密、加深

初步分析，降水井設(shè)計(jì)間距過(guò)大、深度不夠是造成隧道內(nèi)滲、涌水的主要原因。因此決定進(jìn)行降水井加密、加深試驗(yàn)段，觀(guān)察降水效果。

第一次試驗(yàn)段的范圍為設(shè)計(jì)里程左K9+877至左K9+912和右K9+891至右K9+918)，長(zhǎng)度為40m。在原設(shè)計(jì)降水井中間加設(shè)一口降水井，降水井加深到隧道底板下8m，井深達(dá)到30m。隧道開(kāi)挖至加密區(qū)后，掌子面下臺(tái)階滲水區(qū)域降低約1m（滲水點(diǎn)由仰拱以上2.3m處降至1.3m處），且滲水量減小。

根據(jù)第一次試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)討論及改進(jìn)，進(jìn)行第二次降水井加密、加深試驗(yàn)段。試驗(yàn)段范圍為設(shè)計(jì)里程左K9+772至左K9+856和右K9+762至右K9+846，長(zhǎng)度80m，在隧道兩側(cè)原設(shè)計(jì)降水井中間加設(shè)一口降水井，降水井加深到隧道底板下12m，井深達(dá)到34m。降水井打設(shè)完成后，剛開(kāi)始抽水時(shí)，左線(xiàn)平均日抽水量為70m3/口，右線(xiàn)平均日抽水量為30m3/口，左線(xiàn)日抽水量較大。正常抽水40天后，出水量逐漸減少，最終穩(wěn)定在平均日抽水量10m3/口以?xún)?nèi)。隧道開(kāi)挖進(jìn)入第二次降水井加密、加深（井深34m）試驗(yàn)段后僅掌子面仰拱底以上0.6m范圍內(nèi)存在滲水現(xiàn)象且滲水明顯減少，掌子面東側(cè)（靠近降水井側(cè)）土體滲水明顯小于西側(cè)。

通過(guò)降水井加深、加密到30m、34m兩次試驗(yàn)段內(nèi)掌子面的滲水情況分析，區(qū)間暗挖通過(guò)第一次試驗(yàn)段時(shí)掌子面滲水高度由仰拱以上2.3m降低到仰拱以上1.3m范圍，滲水量減小。進(jìn)入第二次試驗(yàn)段降水井加深到34m后，掌子面滲水高度由仰拱以上1.3m降低到仰拱以上0.6m范圍內(nèi)，滲水量明顯減小。但滲水仍然存在，無(wú)法達(dá)到隧道內(nèi)的無(wú)水作業(yè)要求。

3.2 洞內(nèi)真空泵降水

經(jīng)過(guò)降水井加深、加密兩次試驗(yàn)段時(shí)均無(wú)法滿(mǎn)足洞內(nèi)無(wú)水作業(yè)要求，為確保施工安全質(zhì)量，施工單位增加了洞內(nèi)輔助真空降水措施。掌子面采用鉆桿直徑40mm的便攜式鉆機(jī)成孔，成孔深度3m，插入土層PVC水管直徑25mm，真空泵排水管直徑600mm，正線(xiàn)隧道內(nèi)兩側(cè)墻各放置1臺(tái)超前真空降水采用真空泵抽水。

橫通道馬頭門(mén)破除時(shí)即發(fā)現(xiàn)掌子面下臺(tái)階滲水嚴(yán)重，因此隧道正線(xiàn)開(kāi)挖時(shí)立即采取真空泵降水。真空泵降水總流量達(dá)到1.5m3/h，達(dá)到真空泵額定抽水能力，但是掌子面滲水還是很?chē)?yán)重，效果不顯著。而且真空泵降水影響正常開(kāi)挖，造成掌子面不能及時(shí)封閉，加大施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的降水效果。

3.3 掌子面注漿止水

在洞內(nèi)真空泵降水效果不理想的情況下，又對(duì)止水措施進(jìn)行了調(diào)整，采取了掌子面注漿止水措施。開(kāi)挖面共計(jì)進(jìn)行3次注漿試驗(yàn)，在下臺(tái)階范圍內(nèi)、隧道兩側(cè)各打3個(gè)注漿孔，注入1∶1水泥漿液。成孔后緩慢加壓，壓力在0.5MPa以?xún)?nèi)時(shí)，漿液注入量非常小，每孔達(dá)不到0.5m3。壓力在0.5～1MPa時(shí)，漿液從注漿孔和相鄰注漿孔竄出，不能注入土體。由此可見(jiàn)，由于土體過(guò)于密實(shí)，漿液擴(kuò)散半徑小，串孔現(xiàn)象明顯，漿液沿相鄰注漿管回流，無(wú)法實(shí)現(xiàn)注漿止水效果。

3.4 洞內(nèi)排水施工

在上述3種降水措施均達(dá)不到洞內(nèi)無(wú)水作業(yè)的情況下，隧道土方開(kāi)挖及初襯施工只能帶水作業(yè)，對(duì)仰拱錨噴采取技術(shù)保證措施并在洞內(nèi)采取排水措施。

為改善明流水造成仰拱錨噴混凝土質(zhì)量差，采取了增大仰拱錨噴層厚度的辦法，由原設(shè)計(jì)的300mm增加至700mm厚。待初期支護(hù)全部完成后，將仰拱錨噴混凝土分段鑿除、分段復(fù)噴，以保證仰拱混凝土質(zhì)量，并為防水施工創(chuàng)造條件。

同時(shí)，在仰拱兩側(cè)設(shè)置排水溝進(jìn)行明排（圖3）。排水溝排水坡度為6.4‰，與隧道設(shè)計(jì)坡度相同，每50m設(shè)置1個(gè)積水坑，每個(gè)積水坑放置1臺(tái)1.5kW的潛水泵，采用逐級(jí)接力抽水方式匯水至豎井積水坑，抽出豎井后，經(jīng)沉淀池沉淀達(dá)到市政排污標(biāo)準(zhǔn)后排入市政管網(wǎng)。排水期間最大抽排水量達(dá)3.2m3/h。

圖3 洞內(nèi)臨時(shí)排水溝位置圖

4 工程治水效果

從隧道正線(xiàn)土方開(kāi)挖至初襯全部完成，現(xiàn)場(chǎng)隧道土方開(kāi)挖過(guò)程中，仰拱部位一直帶水作業(yè)。仰拱部位土體雖存在滲、涌水，但是土質(zhì)密實(shí)、膠結(jié)性好，實(shí)際施工需先用電動(dòng)風(fēng)鎬將土體松弛，然后才可用人工破除。施工過(guò)程中，未發(fā)生過(guò)滑坡、坍塌現(xiàn)象，隧道內(nèi)拱頂收斂、地面沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在規(guī)范允許范圍內(nèi)，帶水作業(yè)環(huán)境下隧道施工安全可控。

5 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)及實(shí)踐總結(jié)，在密實(shí)粉質(zhì)粘土、豎向裂隙發(fā)育、橫向裂隙少、孔隙多的地層，降水井加深加密試驗(yàn)對(duì)降低水位，控制滲水量有一定的作用；洞內(nèi)真空泵降水試驗(yàn)和掌子面注漿止水試驗(yàn)降水效果不明顯，可以視為降水無(wú)效。此3種工藝均不能達(dá)到使隧道內(nèi)進(jìn)行無(wú)水開(kāi)挖施工的條件。為保證在此類(lèi)地層中帶水進(jìn)行隧道土方開(kāi)挖及初襯施工，還需采取增厚仰拱錨噴層、增加明排措施等辦法。

[1] 王夢(mèng)?。叵鹿こ虦\埋暗挖技術(shù)通論[M]．合肥：安徽教育出版社，2004.