淺析城市地鐵明挖施工的降水工藝

張龍騰

(南京地下鐵道有限責(zé)任公司，南京 210003)

1 工程概況

百家湖站是南京地鐵1號線南延線的中間站,車站位于寧溧路與天元路交叉路口以北、道路西側(cè)的鳳凰港地塊內(nèi),靠近風(fēng)凰港中軸線,呈南北走向。擬建場地為施工區(qū),場地平坦、空曠。車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工,基坑深14.494～14.834 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ850 mm水泥土三軸攪拌樁內(nèi)插HN700×300型鋼支護(hù),內(nèi)插型鋼根據(jù)基坑深度、地質(zhì)資料按插二跳一及密插型兩種方式布置。百家湖—小龍灣區(qū)間明挖隧道設(shè)計起點為K12+341.547,銜接盾構(gòu)井,終點為K12+708,銜接路基工程,全長366.453 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+止水帷幕及SMW工法樁圍護(hù),明挖順作法施工,K12+354.347～K12+491.215為矩形雙洞雙線結(jié)構(gòu),K12+491.215～K12+708為矩形單洞雙線結(jié)構(gòu)。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

根據(jù)地勘資料，孔隙微承壓含水層主要賦存于3-2c2-3粉土夾粉質(zhì)黏土層、3-2c-d2粉土、粉砂夾粉質(zhì)黏土層、3-3-3c2-3粉土層和3-2d2-3粉砂層。百家湖車站地質(zhì)斷面如圖1所示。

圖1 百家湖車站地質(zhì)斷面

3 降水方案及工藝

3.1 總體降水方案

根據(jù)地質(zhì)、水文資料,百家湖車站及百—小區(qū)間所處位置以粉土及粉砂為主,地下水主要為孔隙潛水及孔隙微承壓水,對施工影響較大的是第一層孔隙微承壓水,且底板位于第一層承壓水中,因此降水以降第一層微承壓水為主,由于第一層微承壓水與第二層微承壓水之間存在一層黏土隔水層,且第二層微承壓水位于底板下15 m,因此抽排第二層微承壓水以減壓為主。為防止管涌及冒砂現(xiàn)象發(fā)生,保證施工順利進(jìn)行,百家湖車站及百—小區(qū)間降水采用管井降水方案,以坑內(nèi)降水為主,坑外減壓為輔。

(1)百家湖車站降水井?dāng)?shù)量確定

①基坑總涌水量：采用承壓水完整井公式計算

式中Q總——基坑總涌水量，m3/d;

K——含水層綜合滲透系數(shù),取2m/d;

m——含水層綜合厚度,取12 m；

s——地下水位要求降深,取8.54 m；

R——影響半徑,取15 m；

r0——基坑引用半徑,與基坑的大小有關(guān)，取20 m。

②單井干擾出水量

單井出水能力根據(jù)公式計算

式中rs——過濾器半徑,取0.15 m；

L——過濾器有效進(jìn)水長度,取1.5 m。

干擾出水量q2根據(jù)經(jīng)驗,單井干擾出水量約為單井出水能力的1/2左右,故單井干擾出水量約為134 m3/d。

③降水井?dāng)?shù)量

井?dāng)?shù)：

n=1.2Q/q2=1.2×2 301.22/134=20.6口

式中Q——基坑總涌水量，m3/d；

q2——單井干擾出水量，m3/d；

n——降水井?dāng)?shù)量，口。

根據(jù)計算和現(xiàn)場實際情況,百家湖站布置22口降水井用于降水,可以防止突涌現(xiàn)象的發(fā)生。百家湖站內(nèi)降水井布置如圖2所示。

注：JS—降水井,GC—觀測井圖2 百家湖站施工降水井、觀測井平面布置(單位：m)

(2)百—小區(qū)間降水井?dāng)?shù)量確定

①基坑總涌水量：采用承壓水完整井公式計算

Q總=2 964.11 m3/d

計算時,K取2 m/d；m取12 m；s取11 m；R取15 m；r0取20 m。

②單井干擾出水量

單井出水能力根據(jù)公式計算

式中：rs取0.15 m，L取1.5 m。

干擾出水量q2根據(jù)經(jīng)驗,單井干擾出水量約為單井出水能力的1/2左右,故單井干擾出水量約為134 m3/d。

③降水井?dāng)?shù)量

井?dāng)?shù)：

n=1.2Q/q2=1.2×2 964.11/134=26.5口

根據(jù)計算,本工程段布置27口降水井,可滿足基坑降水要求。

百—小區(qū)間基坑土方開挖涉及交通管制、管線改移以及結(jié)構(gòu)設(shè)置,按里程分為3期,K12+354.357～K12+500段為第一期,K12+500～K12+600段為第二期,K12+600～K12+708段為第三期?？紤]到百—小區(qū)間處于曲線位置以及現(xiàn)場實際情況,坑內(nèi)共布置31口降水井。降水井在K12+354.357～K12+500間距約為20 m,在K12+500～K12+708間距約為30 m,降水井在基坑內(nèi)按圖3布置。根據(jù)結(jié)構(gòu)底板的深度,設(shè)置降水井深度在一期為22 m,二期為18 m,三期為16 m。基坑外降水井為減壓井,在盾構(gòu)井四周布置6口。減壓井深度為32 m,進(jìn)入卵石層不小于1 m。在土方開挖過程中降低坑外水水頭。1#～6#井為減壓井,1～31號為降水井。32、33號降水井為新增降水井,目的為了降低結(jié)構(gòu)施工縫處承壓水水位。

圖3 百—小區(qū)間施工降水井、減壓井平面布置圖(降水井用數(shù)字表示,減壓井用數(shù)字加#表示)

3.2 降水井結(jié)構(gòu)

降水井為管井降水,降水井深度大于底板深度8 m,降水井鉆井孔徑為φ800 mm,降水井內(nèi)徑300 mm,外徑380 mm；井管為無砂管,單管每節(jié)1 m,濾料為直徑2～4 mm的綠豆砂,降水井結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 降水井、減壓井大樣(單位：m)

3.3 降水施工工藝

降水方案制定后,首先進(jìn)行試成井,并通過抽水試驗提取降水參數(shù),從地質(zhì)、施工操作人員質(zhì)量意識、材料(濾料、濾網(wǎng)、濾管)的選擇及降水井的成孔、抽水效果等方面進(jìn)行分析,對降水井的位置和數(shù)量進(jìn)行合理布置、調(diào)整,以取得最佳降水效果。

(1)施工流程

施工流程如下：施工準(zhǔn)備→放樣→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)→安裝井管→投濾料→洗井→安裝抽水泵→試抽。

(2)施工前的準(zhǔn)備工作

根據(jù)施工現(xiàn)場情況合理布置泥漿池,并在泥漿池內(nèi)注滿清水,以滿足循環(huán)鉆進(jìn)用水。

(3)鉆機(jī)就位

①鉆機(jī)就位前應(yīng)將場地平整夯實,保證地基堅固,防止鉆機(jī)自重荷載及鉆孔過程中振動荷載引起場地不均勻沉降,造成鉆機(jī)傾斜。

②鉆機(jī)架設(shè)必須平穩(wěn)牢固,鉆頭、磨盤和孔位三對中。

(4)成孔

準(zhǔn)備工作完成以后開始鉆孔,鉆孔采用XZ-150型水文鉆機(jī)清水鉆進(jìn)成孔,整孔采用一徑到底。鉆進(jìn)過程中注意觀察返漿,記錄地層情況,鉆到設(shè)計孔深后,一般需超鉆50～80 cm,并停止鉆進(jìn),但仍停在原位進(jìn)行清水循環(huán),以返清孔內(nèi)沉砂,減少沉淀,通過返漿觀察確定起鉆時間。

(5)管井安裝

起鉆后立即安裝井管,井管直徑為380 mm,單管長度為1 m,安裝順序為先放一端封死的濾管,再依次對接,每節(jié)管對接對直,并用60目濾網(wǎng)包裹好,確保井管位于孔中間,以保證井管與孔壁間間距不小于150 mm。管井與孔壁之間濾料采用2～4 mm綠豆砂填實,填充濾料時,應(yīng)對稱回填,避免濾料將井管擠壓偏斜,濾料填至距離孔口1 m的位置用黏土填實。

(6)洗井

管井安裝完成后應(yīng)及時進(jìn)行洗井,洗井通常采用的方法為活塞法和污水泵抽水相結(jié)合的方法,洗井時間不小于4 h。

(7)抽水

洗井完畢后應(yīng)立即安裝3～10 m3的抽水泵進(jìn)行抽水,防止放置時間過長再進(jìn)行抽水,井有可能淤積,影響出水效果。

3.4 試成井

根據(jù)工地施工安排,先施工百家湖車站,后施工百—小區(qū)間,因此選擇百家湖車站JS1降水井進(jìn)行試成井,成井過程中安排專職技術(shù)員進(jìn)行全過程監(jiān)督、指導(dǎo),并在成井后采用水位計、安裝水表對降水井單井水位、抽水量進(jìn)行統(tǒng)計,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果對降水井的施工工藝、材料(包括濾管、濾料、濾網(wǎng))的選擇方面、成孔質(zhì)量控制方面進(jìn)行總結(jié),對后序降水井的成井起到良好的指導(dǎo)作用。

3.5 施工工序質(zhì)量控制

在降水井施工過程中,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況,加強(qiáng)各工序質(zhì)量控制。

(1)在鉆進(jìn)過程中,應(yīng)及時檢查地質(zhì)是否與設(shè)計相符,對于地質(zhì)不均勻地段,應(yīng)根據(jù)實際情況,調(diào)整降水井的布置。可采取增加降水井的方法保證降水效果,使降水井呈等腰三角布置,形成合理的漏斗體系。

(2)加強(qiáng)對施工操作人員進(jìn)行質(zhì)量意識的教育,在施工操作人員心中樹立起正確的質(zhì)量觀念。

(3)材料的選擇及質(zhì)量

為控制降水井運行效果,材料進(jìn)場后按《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T111—98)進(jìn)行驗收,保證管材既要符合強(qiáng)度要求,又要具有規(guī)范要求的滲透性,要求管材生產(chǎn)廠家必須有強(qiáng)度報告和透水性試驗報告；濾網(wǎng)選用60目優(yōu)質(zhì)濾網(wǎng),并經(jīng)過有關(guān)部門檢驗達(dá)到要求方可進(jìn)場使用；濾料選用馬鞍山附近的優(yōu)質(zhì)綠豆砂做濾料,要求進(jìn)行篩分試驗,保證含泥量、級配等指標(biāo)符合要求。

(4)降水井成孔要求

①清孔的控制

由于地鐵車站地質(zhì)結(jié)構(gòu)以粉土、粉砂為主,因此在降水井施工過程中清孔的質(zhì)量問題是施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),清孔第一控制泥漿的含砂率,同時控制泥漿的比重,砂率控制不大于4%為宜,泥漿比重不得大于1.1。在工地現(xiàn)場也可用以下方法進(jìn)行測定,即用水桶將清孔后的泥漿緩緩倒下，看其是否順利通過60目的過濾網(wǎng),假如通過順利，泥漿則符合要求,否則還要繼續(xù)換漿清孔。

②洗井的質(zhì)量控制

先采用活塞式洗井,主要以清除管井內(nèi)的泥沙為主；然后采用清水稀釋和污水泵抽取渾水,以最終達(dá)到洗井的目的。

③試抽水的控制關(guān)鍵

在洗井結(jié)束以后,為防止泥漿將管井四周井壁堵死,影響抽水效果,不可停井時間過長,必須及時進(jìn)行抽水。抽水采用QD3—55/3—1.5單相三葉輪潛水電泵進(jìn)行抽水。在降水井開始抽水過程中,大約每隔1 h將水泵上下提動1次,保證將井管內(nèi)余留的泥沙抽洗干凈,并記錄每眼井的出水量。

3.6 封井措施

百家湖車站及百—小區(qū)間主體結(jié)構(gòu)頂板封頂后方可進(jìn)行降水井封井,基坑內(nèi)降水井的封井采用在井內(nèi)先填瓜子片然后再灌注水泥并加蓋鋼捫板的封堵方法,基本操作順序及有關(guān)技術(shù)要求如下。

(1)當(dāng)基坑開挖到設(shè)計高程以后,在井管外安裝一止水法蘭,止水法蘭外徑450 mm。法蘭上口距底板頂面20 cm,下口埋入墊層。

(2)封井前先將井內(nèi)水抽完然后在井管內(nèi)填下小碎石,小碎石的填埋高度在基坑底板下4～5 m,然后將干水泥倒入井內(nèi),并將鋼捫板用螺栓上緊。

(3)封井結(jié)束后,將鋼捫板頂部用與底板同強(qiáng)度等級的混凝土填至底板頂部。

4 結(jié)語

通過施工前對施工方案的確定,施工過程中對成井質(zhì)量的控制,成井后對降水質(zhì)量的加強(qiáng),保證了基坑穩(wěn)定，位移、基坑周圍地表沉降處于受控狀態(tài),基本實現(xiàn)了基坑內(nèi)無水作業(yè),為同類地質(zhì)條件下降水施工提供了寶貴經(jīng)驗。

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