深圳地铁富水软弱地层浅埋暗挖法隧道洞外降水施工

深圳地铁富水软弱地层浅埋暗挖法隧道洞外降水施工张宏伟摘要：浅埋暗挖隧道施工辅助工法中，洞外降水具有干扰小，成本低，操作简单，适应性强的优点。

通过深圳地铁西大区间隧道施工中洞外降水的应用实例，阐述了该方法设计与施工的基本情况，总结了在该工程地质条件下施工工艺和施工注意事项，为类似工程积累了经验。

关键词：浅埋暗挖隧道；富水地层；洞外降水0 引言浅埋暗挖法作为目前地铁隧道施工的一种重要的工法，在地铁及其他市政隧道工程中有着广泛的应用，但在一些软弱地层富水地层，特别是在围岩遇水崩解软化地层中进行隧道开挖必须采取有效措对地下水进行封堵或抽排，才能保证施工的安全以及周边环境的安全。

深圳地铁5号线采用隧道外降水的工程实践，取得了良好的效果，为类似工程提供了有益的借鉴。

1 工程概况1.1 设计概况深圳地铁5号线西大区间矿山法暗挖隧道为西丽站至2、3号盾构吊出井之间范围，右线隧道长396.937m，左线隧道长420.957m。

在西丽车站东端出来75.9m后在左线北侧外设置一个西大区间永久风井(兼做矿山法施工坚井)。

具体见图1.图1 总平面图1.2 周边环境本区间沿留仙大道敷设，区间地形较为平坦，高程13.2～14.1m。

沿线周边主要建筑留仙大道两侧的西丽天虹商场、西丽南国丽城小区、众冠大厦等商业和民用建筑，房屋距离隧道边界约10～45m，基础基本为管沉桩，桩基深度12m到18m，基本位于隧道拱顶侧上方。

场地内密布电力、电信、燃气、上水、路灯、雨水、污水等地下管线，地下管线的走向大多平行留仙大道，西丽天虹商场附近有一条燃气过路管，中间绿化带下存在一地下箱水涵，规格8400×1600mm，涵顶埋深约1.9~2.6m；在沙河西路路口、里程DK11+520处有一条混凝土材质的Φ2200源水管垂直隧道并下穿箱涵，距开挖拱顶仅8m左右。

1.3 工程地质本区地质构造主要表现为加里东期的区域动热变质作用、震旦系区域变质作用和燕山期花岗岩岩浆侵入作用，混合花岗岩、花岗片麻岩在风化作用下形成残积层，上部主要为冲洪积沉积的粘性土、砂层和圆砾层，地表为人工填土层，道路表层有砼路面、沥青路面。

区间隧道所穿越地层主要为强风化花岗片麻岩和粉质粘土层，地质条件差，强度较低，遇水后软化，自稳性很差。

各地层的渗透系数参考值为：杂填土层K＝10.0m/d；粘土层K＝1.0m/d；砂层K＝40.0m/d；残积土层 2.5m/d；全风化层K=1.0m/d；强风化层K=3.0m/d；中风化层K=5.0m/d；微风化层K=0.1m/d。

1.4 水文地质本场地地下水按赋存条件主要分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。

孔隙水主要赋存在第四系粘性土、砂层、圆砾层及残积层中，砂层、圆砾层中地下水略具承压性。

基岩裂隙水主要赋存在花岗岩强～中风化层中，略具承压性。

地下水位埋深2.3～7.6m，水位高程5.46～11.06m，水位变幅0.5～2.0m。

地下水总的径流方向为由北东向南西。

地下水的排泄途径主要是蒸发和以径流方式流入河水。

补给来源主要为大气降水、河水及地表水的渗透。

地下水与河水互补，存在水力联系。

2、施工降水设计2.1 降水井设置根据现场的场地条件和管线情况，降水井沿右线隧道两侧，和左线隧道一侧布置3排，考虑到小口径降水井具有布置灵活，施工方便、成井速度快的特点，将降水井设置如下：开孔直径200mm，井管直径150mm（PVC 管，人工钻渗水孔，外包滤网），纵向间距为6m，其余参数同原设计。

图2 施工降水井布置图地面原地下水位原地下水位图3 隧道降水系统示意图2.2 降水计算以右线隧道一段（即泵房通道至3#盾构井段）为例进行计算（1）降水井深度根据设计，降水井深度为隧道底部7.5mh=23+7.5=30.5m（2）降水出水量计算1)影响半径的计算：降水曲面坡度为降水影响半径的0.1～0.067,水力i的可取最大值为0.1；因为水位需要降至仰拱下1m，即24m，而地下水位埋深平均为5m，算出水位降深S=24-5=19m。

所以，影响半径R=S/iR=19/0.1=190m2）出水量计算按照深井（管井）降水计算，按无压完整井管井涌水量计算，系统总涌水量。

按深井基坑外降水（窄长式基坑）不考虑承压水计算方法进行计算Q=πK（H2-h c2）/ln(R/A)Q——基坑出水量，m3/ dH——井深,取30.5m，h c——含水层厚度，取25.5mR——基坑影响半径（即井群中心至补给边界的距离）,R=A+R i，R i为单井影响半径。

A——基坑换算半径A=μ（a+b）/4μ——系数，取1a——基坑长度，取隧道长度210mb——基坑宽度，取隧道宽度6.2m计算得Q=1722 m3/ d3）单井管井进水量q=2πrl3K式中r为管井半径，取0.075m，l为滤管长度取25.5m.计算得q调整=14.9 m3/dq设计=59.76 m3/d4）需要降水井数量N调整=127N设计=323、降水井施工3.1施工工艺图4 降水井施工工艺流程图①施放井位降水井井位根据场区地下管线分布情况初步确定，然后人工挖探孔，确认无管线后方可安放钻机；当探孔内发现管线等障碍物后，降水井间距可作局部调整，一般小于2.0m，且降水井总量不得减少。

②降水井成孔为确保降水效果，减小洗井难度，采用普通地质钻机成孔，钻头直径200 mm。

井身结构误差要求：井径误差±20mm；垂直度误差≤1%；不小于设计井深。

③清孔及下管下管前注入清水置换全井孔内泥浆，砂石泵抽出沉渣并测定孔深。

替浆过程中，安排好泥浆及渣土的清运工作。

井管采用直径150mm的PVC管，加工时在管身上按间距20cm呈梅花型布置渗水孔（井底20m范围内的井管上布置），渗水孔径4～6cm，在包缠1层200目细目网后缓缓下放。

接头处连接牢固用尼龙网裹严，以免挤入泥砂淤塞井管。

井管要高出地面不小于200mm，并加盖或捆绑防水雨布临时保护。

④填滤料井管下入后立即填入滤料。

滤料应具有一定的磨圆度，滤料含泥量(包括含石粉)≤3%，粒径2～4mm。

填砾料时，滤料沿井管外四周均匀填入，宜保持连续。

要避免填料速度过快或不均造成滤管偏移及滤料在孔内架桥现象，洗井后滤料下沉及时补充滤料，要求实际填料量不小于95%理论计算量。

图5 孔径d=200mm井管制作示意图⑤洗井下管、填料完成后立即进行洗井，特殊情况如上路施工，成井-洗井间隔时间不能超过8小时；采用下泵试抽洗井，用潜水泵反复进行抽洗，直至水清砂净，上下含水层水串通，否则改用空压机由上而下分段洗井。

洗井过程中观测水位及出水量变化情况。

为防止因抽地下水带出地层细颗粒物质造成地面沉降，抽出的水含砂量必须保证：粗砂含量<1/50000；中砂含量<1/20000；细砂含量<1/10000。

当含砂量过大，可将水泵上提，如含砂量仍然较大，重新洗井。

⑥抽水采用的潜水泵型号为QJ3-5219（功率1.5KW），泵管采用40mmPVC管，水泵安装位置在隧道仰拱下2m左右；地面安装水泵控制器和水表，根据井底水位变化情况自动控制水泵的停止或启动，使水泵在无人看管的情况下，安全可靠地工作，节约用电，并通过水表实时记录降水井抽水量。

图6安设水泵3.2设备配置3.3 降水的管理降水期间设专人负责降水维护和数据采集，每天负责记录每口降水井的抽排水量，并测量水位观测井的水位。

工程技术人员根据观测资料，对地下水动态变化进行及时分析；当地下水位急剧变化及时分析原因(如水泵损坏、地下含水构筑物突然破裂漏水或区域地下水位上升等)，然后采取更换水泵、查找并修复漏水构筑物或更换大功率水泵等针对性技术措施。

根据水位监测、水泵开启时间和隧道内掌子面里程、开挖条件等相关资料，我区间隧道超前降水需提前掌子面60m或者提前掌子面开挖到达20天时间，在隧道开挖掌子面超过降水井位置60m后停止该口降水井的抽水工作。

4 降水引起沉降分析为了能够较为准确客观的分析降水引起的沉降，选取隧道开挖掌子面距离较远的降水井及相应位置的测点作为分析对象。

将沉降分为两个阶段，即开挖掌子面到达前（即掌子面距测点3倍洞径），单纯由降水所引起的沉降S1，降水和隧道开挖共同作用（从掌子面距测点3倍洞径到沉降稳定）引起沉降S2，考察S1占总沉降S1+S2的百分比。

同时对比同样地层条件，降水段和未降水段总沉降量。

选取右线DK11+756、左线DK11+791、右线DK11+520三个典型测点为研究对象，其中右线DK11+756、左线DK11+791两测点处于降水施工，右线DK11+520测点处于未降水施工段。

图8 YDK11+756地表沉降曲线图图9 ZDK11+791地表沉降曲线图图10 YDK11+520地表沉降曲线图通过对比降水地段隧道施工引起的总沉降量要远小于，未降水地段的总沉降量。

其主要原因是未降水地段围岩遇水迅速崩解软化，掌子面难以自稳，作业环境差，作业周期长，对地层扰动大，初期支护和围岩间存在较大的空隙，隧道通过前及隧道通过后的沉降均很大。

降水地段隧道施工的总沉降量基本可控制在70mm以内，单纯降水引起降水S1占总沉降量S1+S2的比值在20%到30%左右。

从本工程来看采取降水措施能够有效控制因隧道开挖所引起的沉降。

5 降水效果右线进洞的70m范围，由于大塌方地层扰动和降水欠缺，开挖非常困难，沉降难以控制，结构变形严重（一段20米隧道增加套拱），地表沉降个别地方也超过200mm。

随着降水井打设数量的逐渐增多，降水效果开始逐渐显现，先是拱顶范围内开挖时不再有明水，掌子面地层稳定逐渐提高，沉降得到初步控制；后来全断面基本无明水流出，基本实现了隧道内开挖的无水作业,总沉降量基本可控制在70mm(包括初期降水引起的沉降)以内。

图11 降水后掌子面本区间花岗片麻岩全风化层、粉质粘土、砂质粘性土、砾质粘性土遇水后，强度明显降低，成软塑状或流塑状，承载力低，自稳能力极差，需要花大量的时间和精力去注浆加固地层，且效果还不是非常明显，作业环境差，核心土保留困难，超挖严重，经常出现塌方，施工风险高，进度缓慢，月进度不到30m；降水后，上述地层自稳能力大大加强，需要用风镐开挖，施工环境大为改善，安全得到保证，进度快速，单线隧道月成洞可以达到70～80 m。

6 结论与体会该地铁区间地质条件差，地下水丰富，围岩遇水极易软化崩解，给隧道施工安全和环境安全带来了十分不利的影响。

通过隧道外降水施工，确保了施工安全，有效的控制了沉降的发生。

但目前城市施工，出于对环境的考虑，对降水均严格控制。

所以有必要进一步的研究，在不同地质条件下，由于降水所引起沉降的规律。

同时隧道外降水理论计算公式出自基坑的计算方法，还需要在实践中不断的总结、试验，确定属于隧道外降水经验的公式，避免凭经验布设井点而造成资源的浪费或达不到预期的降水效果。