地鐵工程豎井及橫通道區(qū)間降水施工方法及施工工藝

地鐵工程豎井及橫通道區(qū)間降水施工方法及施工工藝1.1地下水風(fēng)險(xiǎn)分析由于本區(qū)間范圍內(nèi)的地下水賦存于圓礫、礫砂等土層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。穩(wěn)定水位埋深約為14.00m~16.60m，相當(dāng)于水位標(biāo)高31.40m~34.00m，含水層厚度約21.0m，主要補(bǔ)給來(lái)源為渾河側(cè)向補(bǔ)給及大氣降水垂直入滲補(bǔ)給，場(chǎng)地地下水徑流條件良好，除③-1-0粉質(zhì)粘土外，含水層滲透性強(qiáng)，滲透系數(shù)K一般在30～100m/d之間，水力坡度1.0‰～2.0‰，隨著豎井開(kāi)挖深度的不斷加大，上覆土層對(duì)含水層的壓力逐漸減小，在動(dòng)水壓力作用下容易引發(fā)流水、流砂作用，豎井及橫通道開(kāi)挖面存在突涌的可能性，影響豎井及橫通道的穩(wěn)定。因此，豎井及橫通道土方開(kāi)挖前必須采取連續(xù)降水措施，將地下水水位降至開(kāi)挖面以下1.0m，最終降至豎井及橫通道底板以下1.0m，保證開(kāi)挖面無(wú)水作業(yè)。1.2降水井設(shè)計(jì)1、涌水量計(jì)算由于本區(qū)間地下水類型主要為潛水，為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用潛水完整井公式來(lái)估算區(qū)間的涌水量。涌水量計(jì)算模型如下：（1）（1）式中：Q—基坑降水的總涌水量（m3/d）；k—滲透系數(shù)（m/d）；H—潛水含水層厚度（m）：s0—基坑水位降深（m）；R—降水影響半徑（m）；r0—沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑（m）；對(duì)不規(guī)則形狀的基坑，其等效半徑按下式計(jì)算：（2）式中：r0—基坑等效半徑（m）；A—降水井群連線所圍的面積。依據(jù)勘察報(bào)告和基坑降水經(jīng)驗(yàn)，本工程采取基坑外側(cè)深井管井降水，本工程場(chǎng)地潛水含水層滲透系數(shù)K取108m/d，在正式降水前須做抽水試驗(yàn)，對(duì)降水方案進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)考慮自然水位為-11.5m，含水層厚度取21m。區(qū)間縱斷采用V字坡，盾構(gòu)井埋深最深，根據(jù)區(qū)間結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)井埋深情況，將降水區(qū)域分成兩段進(jìn)行計(jì)算，以豎井南側(cè)雙線單洞斷面與大跨度斷面為分界點(diǎn)，降水面積分別取A1=9500㎡、A2=4220㎡，區(qū)間暗挖段底板埋深按27.03m計(jì)算，盾構(gòu)井底板埋深按27.79m計(jì)算，區(qū)間暗挖段最深水位以降至-28.03m計(jì)算，盾構(gòu)井處最深水位以降至-28.79m計(jì)算，水位降深S1=12.53m和S2=13.29m，涌水量計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1.2-1。涌水量計(jì)算參數(shù)及結(jié)果表表1.2-1自然水位底板埋深含水層厚度滲透系數(shù)基坑面積水位降深水力坡度井內(nèi)水位降深影響半徑等效半徑最大涌水量穩(wěn)定涌水量水位hHkASdiSwRr0QmaxQminmmmm/d㎡mmmmm3/dm3/d11.5027.0321.00108.00950012.530.05011.281451.3354.9941813.5437817.6311.5027.7921.00108.00422013.290.05011.121440.3836.6537308.9235023.372、降水井?dāng)?shù)量及井深驗(yàn)算豎井及橫通道設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)為37口，井深36m；盾構(gòu)井段設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)為20口，井深38m。區(qū)間暗挖隧道段降水井單井最大涌水量qmax=1.1×41813.54/37=1243.11m3/d，單井穩(wěn)定涌水量qmin=1.1×37817.63/37=1124.31m3/d；盾構(gòu)井段降水井單井最大涌水量qmax=1.1×37308.92/20=2051.99m3/d，單井穩(wěn)定涌水量qmin=1.1×35023.37/20=1926.29m3/d。井管的出水量可按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定：（3）式中：q—井管的出水量（m3/d）；r—過(guò)濾器半徑（m）；l—過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度（m）。區(qū)間暗挖隧道段降水井有效過(guò)濾器長(zhǎng)度l1=36-11.5-11.28-1.5（沉淀器長(zhǎng)度）=3.72m，盾構(gòu)井段降水井有效過(guò)濾器長(zhǎng)度l2=38-11.5-11.12-1.5（沉淀器長(zhǎng)度）=1.88m，過(guò)濾器半徑r=0.4/2=0.2m，代入公式（3）得知：區(qū)間暗挖隧道段降水井單井的出水量q=1331.88m3/d，盾構(gòu)井段降水井單井的出水量q=2110.37m3/d。區(qū)間暗挖隧道段降水井單井的出水量q=1331.88m3/d>qmax=1243.11m3/d，盾構(gòu)井段降水井單井的出水量q=2110.37m3/d>qmax=2051.99m3/d，經(jīng)驗(yàn)算，區(qū)間降水井?dāng)?shù)量及井深滿足降水要求。3、降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及要求降水井結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.2-2。降水井設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)表表1.2-2位置井型井徑(mm)管徑(mm)井管類型井深(m)井間距(m)濾料(mm)井?dāng)?shù)區(qū)間管井600Ф400/30Ф400mm的鋼筋水泥管，Ф400mm的鋼筋籠濾水管36173-1037盾構(gòu)井管井600Ф400/30Ф400mm的鋼筋水泥管，Ф400mm的鋼筋籠濾水管38143-10204、水泵選用水泵均選用潛水水泵。區(qū)間暗挖隧道段降水井單井最大排水量qmax=1243.11/24=51.80m3/h，單井穩(wěn)定排水量qmin=1124.31/24=46.85m3/h，選用泵量50m3/h，泵量調(diào)整范圍40~80m3/h，揚(yáng)程40m的潛水泵滿足降水要求；盾構(gòu)井段降水井單井最大排水量qmax=2051.99/24=81.50m3/h，單井穩(wěn)定排水量qmin=1926.29/24=80.26m3/h，選用泵量80m3/h，泵量調(diào)整范圍50~100m3/h，揚(yáng)程40m的潛水泵滿足降水要求。降水井內(nèi)安裝水泵見(jiàn)表1.2-3。降水井內(nèi)安裝水泵一覽表表1.2-3位置井號(hào)井?dāng)?shù)揚(yáng)程（m）泵量（m3/h）泵量調(diào)整范圍備注區(qū)間J1-1#~J1-37#37405040~801、均采用潛水泵；2、水量應(yīng)隨降水情況進(jìn)行合調(diào)整。盾構(gòu)井J2-1#~J2-20#20408050~1005、降水井的布置本暗挖區(qū)間及盾構(gòu)井降水井布置方案如下:（1）降水管井宜布置與區(qū)間兩側(cè)結(jié)構(gòu)線外3.5m范圍外，以免暗挖施工時(shí)注漿對(duì)降水井產(chǎn)生影響。（2）井位應(yīng)優(yōu)先布置在人行道兩側(cè)空地，盡量避免在機(jī)動(dòng)車道上布井。同時(shí)避開(kāi)地下管線位置，減小對(duì)地下管線的干擾。（3）暗挖區(qū)間及盾構(gòu)井單獨(dú)形成封閉。（4）暗挖區(qū)間降水井間距為15~17m，盾構(gòu)井降水井間距為14~15m。降水井平面位置見(jiàn)附圖一“降水井平面布置圖”。6、排水管線設(shè)計(jì)依據(jù)有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和本工程特點(diǎn)，以下述原則和技術(shù)要求設(shè)計(jì)排水管線：（1）主排水管尺寸和類型應(yīng)滿足順暢排水和抗壓要求，排水管線鋪設(shè)的縱向坡度應(yīng)不小于2‰。（2）擬排入的市政排水管線（網(wǎng)）應(yīng)在地下室結(jié)構(gòu)之外，以避免增加地下結(jié)構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其造成安全隱患。（3）擬排入的市政排水管線（網(wǎng)）的尺寸應(yīng)滿足現(xiàn)狀城市排水和計(jì)劃施工排水量要求，目前管線狀態(tài)應(yīng)完好，無(wú)重大破損現(xiàn)象。（4）對(duì)交通及結(jié)構(gòu)施工有影響的排水管線應(yīng)暗埋于地下，其它位置的排水管線可采取在地面明鋪的方式。（5）出水管、支管和主管之間應(yīng)采取措施（如單向閥連接），防止停泵時(shí)發(fā)生水倒灌現(xiàn)象。（6）排水口應(yīng)選擇擬建結(jié)構(gòu)范圍外的市政雨污管線井口，如直接接入就近的雨污管線，應(yīng)設(shè)置排水口工作井（檢查井）。為了保證降水井中抽出的地下水能順利暢通的排出，同時(shí)還應(yīng)保證在雨季不至因降水排水造成內(nèi)澇，應(yīng)進(jìn)行集水管和排水管的鋪設(shè)。在不影響交通和施工的前提下，采用地表明鋪管線，不具備明鋪條件的進(jìn)行暗埋鋪設(shè)，集水管為4寸尼龍管，共需600m左右，水泵泵管為4寸鋼管，共需1800m左右。7、配電線路設(shè)計(jì)降水配電系統(tǒng)采用三級(jí)配電，一級(jí)柜由項(xiàng)目部提供，二級(jí)柜8臺(tái)，三級(jí)柜16臺(tái)，由施工隊(duì)配備，主電路采用185mm2和95mm2的鋁電纜，水泵電纜采用6mm2水泵電纜。本區(qū)間降水井平面布設(shè)、排水管線的布設(shè)、配電線路的布設(shè)詳見(jiàn)附圖十一，降水井井身結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)附圖十二。1.3降水井成井施工工藝采用沖擊成孔、泥漿循環(huán)鉆進(jìn)、機(jī)械吊裝下管成井施工工藝。成井施工工藝流程如圖1.4-1所示。圖1.4-1成井施工工藝流程圖1、測(cè)放井位根據(jù)降水井布置圖的井位測(cè)放井位，井位測(cè)放完畢后應(yīng)做好井位標(biāo)記，方便后期施工。井位偏差≤50mm，若布設(shè)井位無(wú)法正常施工，應(yīng)及時(shí)與技術(shù)員溝通、處理，必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整井位。若遇特殊情況（比如地下障礙、地面或空中障礙）需調(diào)整井位時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。為保證安全，定井位后應(yīng)挖探坑以查明井位處有無(wú)地下管線等地下障礙物，挖探坑的平面尺寸應(yīng)比鋼護(hù)筒稍大一點(diǎn)，深度必須以挖（或釬探）到地層原狀土為準(zhǔn)。2、埋設(shè)護(hù)口管為避免鉆進(jìn)過(guò)程中循環(huán)水流將孔口回填土沖塌，鉆孔前必須埋設(shè)鋼護(hù)筒。護(hù)筒外徑1.0m，深度視地層情況而定。在護(hù)筒上口設(shè)進(jìn)水口，并用粘土將護(hù)筒外側(cè)填實(shí)，防止施工時(shí)管外返漿。護(hù)筒必須安放平整，護(hù)筒中心即為降水井中心點(diǎn)。埋設(shè)護(hù)口管時(shí)，護(hù)口管底口應(yīng)插入原狀土層中，護(hù)口管上部應(yīng)高出地面0.1m~0.3m。3、鉆機(jī)就位、調(diào)整安裝鉆機(jī)時(shí)，為了保證孔的垂直度，機(jī)臺(tái)應(yīng)安裝穩(wěn)固水平，立好鉆架，對(duì)準(zhǔn)孔中心，拉好纜風(fēng)繩，開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆具選用重型沖擊鉆頭和撈渣筒配合使用。鉆機(jī)就位時(shí)需調(diào)整鉆機(jī)的平整度和鉆塔的垂直度，對(duì)位后用機(jī)臺(tái)木墊實(shí)，以保證鉆機(jī)安放平穩(wěn)。鉆機(jī)對(duì)位偏差應(yīng)小于20mm，鉆孔垂直度偏差1%。4、鉆進(jìn)成孔開(kāi)鉆時(shí)用鉆頭以小沖程反復(fù)沖擊造漿。護(hù)筒底腳以下1~2m范圍內(nèi)，采取小沖程、高頻率反復(fù)沖砸成孔，調(diào)整泥漿比重確?？妆诜€(wěn)定。鉆進(jìn)沖程根據(jù)地質(zhì)情況及巖石強(qiáng)度的變化分別確定，防止發(fā)生斜孔。鉆進(jìn)時(shí)還要注意均勻地松放鋼絲繩長(zhǎng)度，嚴(yán)禁“打空錘”現(xiàn)象發(fā)生，確保鉆機(jī)、鉆架和鋼絲繩不受損害。在鉆孔過(guò)程中，一般情況下不需要調(diào)制泥漿，采用清水水壓平衡法進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)成孔，用抽筒抽取巖芯鉆進(jìn)，施工時(shí)應(yīng)保證孔內(nèi)水面高度與孔口平，防止塌孔事故發(fā)生。若鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)易塌孔的流砂層或泥漿漏失嚴(yán)重的地層時(shí)，可采用少投粘土增大孔內(nèi)泥漿濃度，防止塌孔。沖擊成孔鉆進(jìn)施工工藝見(jiàn)沖擊成孔鉆進(jìn)工藝原理圖。當(dāng)遇有隔水粘土層時(shí)，為了防止沖擊成孔時(shí)在孔壁形成泥皮，影響水井出水量，在成孔后要進(jìn)行二次擴(kuò)孔，擴(kuò)孔直徑比設(shè)計(jì)直徑大50~100mm。5、掏渣破碎的鉆渣，經(jīng)泥漿懸浮后，用撈渣筒清除出孔外；一般每沖擊鉆進(jìn)2m左右，換撈渣筒清除孔底泥渣一次。6、下井管井管進(jìn)場(chǎng)后，應(yīng)檢查過(guò)濾器的縫隙是否符合設(shè)計(jì)要求。首先必須測(cè)量孔深，對(duì)井管濾水管逐根丈量、記錄，并封堵沉淀管底部。其次要檢查井管焊接，焊接焊牢、焊縫均勻，無(wú)砂眼，焊縫堆高不小于6mm。下管前應(yīng)檢查井管是否已按設(shè)計(jì)要求包纏尼龍紗網(wǎng)；鋼筋水泥管接口處要用尼龍紗網(wǎng)包嚴(yán)，鋼筋濾水管上下段焊接時(shí)，鋼管或袖頭連接處要設(shè)置連接定位鋼筋，以保證井管的垂直度并焊接嚴(yán)實(shí)。7、回填濾料填料采用從井四周均勻緩慢填入，避免造成孔內(nèi)架橋現(xiàn)象，洗井后若發(fā)現(xiàn)濾料下沉應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充濾料，填料高度必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。8、洗井成井結(jié)束后，接上空壓機(jī)進(jìn)行空壓機(jī)洗井，吹出管底沉淤，直到水清砂凈為止。空壓機(jī)洗井原理如圖6.5-1所示。圖6.5-1空壓機(jī)洗井原理示意圖洗井完成后，使用繩尺復(fù)測(cè)降水井深度，若降水井深度再洗凈后不滿足設(shè)計(jì)要求，井底沉砂量較大，采用撈砂泵對(duì)井底沉砂進(jìn)行清理，直到達(dá)到設(shè)計(jì)深度要求。1.4抽水試驗(yàn)抽水觀測(cè)時(shí)間按開(kāi)泵后規(guī)定的時(shí)間間隔進(jìn)行，水位觀測(cè)時(shí)間間隔為：1＇、2＇、3＇、4＇、6＇、8＇、10＇、15＇、20＇、25＇、30＇、40＇、50＇、60＇、90＇、120＇，以后每隔30min觀測(cè)一次，至480＇后每60min觀測(cè)一次，至1200＇后每2h觀測(cè)一次，直至抽水試驗(yàn)停止。停止后觀測(cè)恢復(fù)水位，時(shí)間間隔同抽水試驗(yàn)。抽水時(shí)同時(shí)進(jìn)行水量觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間間隔為30min，采用流量表讀數(shù)，精度應(yīng)讀到0.1m3。若發(fā)現(xiàn)水量過(guò)小而水位降低緩慢，可考慮改用流量較大的水泵，流量觀測(cè)次數(shù)與地下水位觀測(cè)同步。在整個(gè)抽水試驗(yàn)的過(guò)程中，抽水井的出水量應(yīng)保持常量，若前后兩次、觀測(cè)的流量變化超過(guò)±5%時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整。根據(jù)實(shí)際出水量為施工階段的井結(jié)構(gòu)、數(shù)量進(jìn)行合理調(diào)整。根據(jù)本區(qū)間及盾構(gòu)井降水設(shè)計(jì)方案布井平面位置，擬采取如下試驗(yàn)方式：抽水試驗(yàn)過(guò)程一覽表表5-1試驗(yàn)方式抽水井號(hào)觀測(cè)井號(hào)試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)周期單井抽水試驗(yàn)J1-14J1-13、J1-15、J1-17、J1-25確定單井抽水量、了解地層水位變化情況1d抽觀結(jié)合群井抽水試驗(yàn)J1-13、J1-14、J1-25、J1-26J1-12、J1-15、J1-17、J1-24檢驗(yàn)降水效果2d抽觀結(jié)合水位恢復(fù)試驗(yàn)——J1-14了解水位恢復(fù)速率1d觀測(cè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)結(jié)構(gòu)對(duì)降水井施工方案進(jìn)行優(yōu)化，若不滿足降水要求，采取調(diào)整水泵泵量或增設(shè)降水井?dāng)?shù)量等措施，確保本區(qū)間降水效果。1.5降水運(yùn)營(yíng)管理1、降水運(yùn)行原則（1）在正式開(kāi)始降水之前，進(jìn)行降水試運(yùn)行。（2）開(kāi)挖前應(yīng)提前進(jìn)行預(yù)降水，一般在開(kāi)挖前須保證有1周以上預(yù)降水時(shí)間。（3）應(yīng)避免抽出的地下水就地回滲，影響降水效果。（4）及時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位變化，并相應(yīng)調(diào)整開(kāi)泵數(shù)量或泵量應(yīng)，執(zhí)行“按需降水”的運(yùn)行原則，避免過(guò)量降低地下水位，造成浪費(fèi)。（5）在區(qū)間中間及兩側(cè)區(qū)域，均應(yīng)進(jìn)行地下水位監(jiān)控。2、降水運(yùn)行工況降水應(yīng)在基坑開(kāi)挖前一個(gè)周開(kāi)始運(yùn)行，含水層的水位應(yīng)降至當(dāng)前開(kāi)挖面以下1m，以保證開(kāi)挖范圍內(nèi)土方的干開(kāi)挖，最終降至底板以下1.0m。降水過(guò)程做到按需降水，通過(guò)控制動(dòng)水位控制地下水水位。一般情況下，降水井應(yīng)基本保持24小時(shí)連續(xù)抽水。出現(xiàn)降水異常時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。對(duì)滲透系數(shù)差異較大的土層，施工期間密切觀察流沙、流土或管涌等不良現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。3、降水運(yùn)行保證措施（1）用電保障對(duì)于工程降水，尤其是有減壓降水措施的工程降水，在正常的降水運(yùn)行過(guò)程中，必須有合理的用電保障以滿足降水運(yùn)行的需求。通常要求施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)有兩路供電系統(tǒng)，在原有工業(yè)用電供電系統(tǒng)上，配備發(fā)電機(jī)組作為第二路供電系統(tǒng)應(yīng)急備用電源，保證停電10分鐘內(nèi)能確保降水井正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免影響降水效果甚至危害基坑安全。（2）排水設(shè)施工程降水抽取地下水，減少開(kāi)挖范圍內(nèi)土體中含水量或降低承壓含水層承壓水壓力，這就要求施工現(xiàn)場(chǎng)必須有相適應(yīng)的排水設(shè)施以滿足工程降水排水的需求，確保降水運(yùn)行排水的順暢，保障降水效果。對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的排水設(shè)施，應(yīng)滿足以下要求：a、排水設(shè)施應(yīng)滿足工程降水最大出水量的需求，并保障排水的順暢。b、應(yīng)盡量縮短降水井與排水設(shè)施之間的距離，減少降水井排水的沿程水頭損失，降低抽水設(shè)備的揚(yáng)程消耗。4、降水運(yùn)營(yíng)管理措施（1）土方開(kāi)挖前要進(jìn)行降水試驗(yàn)，提前降水以固結(jié)開(kāi)挖土體，將試運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行記錄并備案。根據(jù)試運(yùn)行結(jié)果，對(duì)于無(wú)法滿足降水要求的進(jìn)行相應(yīng)整改。（2）降水應(yīng)在基坑開(kāi)挖前一周開(kāi)始運(yùn)行，并在基坑施工全過(guò)程中，采取不間斷的降水措施（配備獨(dú)立的電源及應(yīng)急電源），保證開(kāi)挖范圍內(nèi)土方的干開(kāi)挖，含水層的水位應(yīng)降至當(dāng)前開(kāi)挖面以下1m，最終水位