地铁工程竖井及横通道开挖遇含水地层施工处理

秦峰

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

0 引言

北京地铁16号线16标段地质水文条件复杂，对竖井施工质量的要求比较高，横通道开挖中容易受到积水和渗水的影响，不利于保证施工进度和质量。传统降排水施工技术的应用条件有限，难以将积水全部清除，不利于保证施工质量和安全性。因此，在竖井开挖中采取边开挖边支护的方法，可保障各道工序能够安全、有序地进行。在横通道施工中采取台阶开挖法，对卵石层与黏土层界面水的处置主要采用真空降水和超前小导管注浆的方法。基坑侧壁渗水采用包有过滤纱布的DN40PVC管插入基坑侧壁60 cm(PVC管壁开有渗水孔，外侧缠绕两层滤纱布，防止泥砂进入)将清水导出的方法，可为横通道施工营造一个无水环境，以最大限度保证施工质量。

1 工程概况

北京地铁16号线16标段，线路全长1.023 km，包括“一站一区间”，分别为：甘家口站、二里沟站—甘家口站区间。二里沟站—甘家口站区间北起二里沟站，沿三里河路向南至甘家口站止，起止里程为右K6+045.383—右K6+821.200。区间全长约为775.817 m。其线间距为5.2～17.2 m。区间隧道拱顶覆土厚度约为12～24 m。拟建场地主要为绿地和道路，根据现有资料，施工竖井及横通道范围内主要有电信、电力和一根直径为1 000 mm的上水管、一根直径为1 550 mm污水管、1 630 mm×1 400 mm雨水管、D300上水管。区间设一座风井，风井位于三里河路东侧绿地内，风道中心里程为右K6+763.845，风井兼作施工竖井用于区间隧道的施工。工程地质条件如图1所示。

图1 本工程地质条件图

本次勘察共观测到1层地下水，主要为层间水。水位埋深32.18～23.82 m，水位标高19.60～26.79 m，含水层主要为9号卵石层、9号中粗砂1层、9号粉细砂2层，含水层底板主要为13号砾岩层和13号泥岩1层。主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开采的方式排泄。该层水受水源三厂开采和基岩面起伏的影响，由北向南水位标高逐步升高。

2 施工的重难点

案例工程地质水文条件比较复杂，竖井基坑侧壁围岩分级为Ⅵ级，强度相对比较差，竖井开挖和支护的难度都比较大，是本工程施工的主要重难点之一。为解决这一问题，在竖井开挖之前，需要提前搭设竖井提升系统，然后边开挖边采用250 mm厚C20挂网喷射混凝土进行临时封底，内外双层钢筋网φ6@150 mm×150 mm，以保证竖井施工的安全性和质量，在竖井施工作业中主要存在对周边建筑物的环境风险以及竖井渗漏涌砂、失稳、坍塌等自身风险。竖井开挖施工过程中应提前作出相应的预防及应急措施进行风险防治，这对有效加强施工质量及安全性具有非常重要的意义[1]。

在横通道基坑开挖中可能会发生施工界面水无法疏干的情况，进而影响施工进度和安全性。为解决这一问题，采用真空降水和超前小导管注浆的方法将界面水及时排出，而基坑侧壁渗水则通过管道明排的方法排出，为横通道施工营造一个无水环境。在地铁工程越来越多的背景下，地铁工程深基坑开挖围护结构受到了广泛关注,施工部门要积极建立健全科学化施工管理方案,建立健全完整的管控体系,有效实现施工管理水平的全面进步[2]。

3 地铁工程竖井施工要点

3.1 竖井开挖

在开挖竖井前需要先搭设起竖井提升系统，并对锁口圈梁混凝土的强度进行检验，确认达标后再进行竖井开挖，竖井开挖要严格遵循“从上到下”的原则，开挖到1号导洞底板以下1.5 m的位置时，及时跟进250 mm厚C20挂网喷射混凝土进行临时封底，内外双层钢筋网φ6@150 mm×150 mm，然后从1号导洞开始进行上下台阶开挖，相互之间需要错开3～5 m，等开挖长度达到6 m时，及时挂网封闭掌子面，继续开挖到2号导洞底板以下1.5 m时进行临时封底施工。再按照上述步骤开挖3～10号导洞。

土方开挖先分段开挖四周井壁，再开挖竖井中部，开挖时应对角开挖，留置中间土。第一步对角喷混凝土支护后，方能在另一个对角开挖，渣土由抓斗提升至地面渣场。具体开挖步序示意图如图2所示。

图2 二甘区间风井(兼施工竖井)开挖步序示意图

3.2 竖井支护

从锁口圈下方7.2 m开始，竖井格栅需选择B型格栅，衬砌混凝土的厚度控制在350 mm左右，竖井支护可采取架立格栅钢架的方法，当横通道开挖到6.1 m后，6.1 m以上的部分及时喷射厚度不小于30 cm的C20混凝土，6.1 m以下的部分喷射厚度不小于35 cm的C20混凝土，形成联合支护体系。“竖井-横通并行”施工时,马头门横向收敛位移和竖井靠近马头门一侧井壁的支护结构应力较“先竖井后横通”施工方案小约14%以上[3]。如果在竖井开挖中，遇到砂层，为保证施工安全，需要及时在井壁上搭设超前小导管注浆，控制超前小导管的长度在2.0 m左右，水平间距控制在300 mm左右，竖向间距应为两榀钢格栅的间距，并呈现出梅花桩布置，搭设角度和水平面的夹角控制在50°～60°。竖井的断面形式及支护参数应根据其地质条件不同，结合地质条件下结构受力、使用功能进行综合比选进行确定[4]。本工程竖井支护结构参数如表1所示。

表1 二甘区间风井及通道支护结构参数

表1(续)

在整个支护过程中，必须严格控制进尺深度，边支护，边封闭，每开挖一榀，及时封闭一榀。支护时需要先清理表面杂物，并进行平整处理；再安装格栅钢架；接着喷射混凝土，等混凝土强度达标后；最后架设斜撑和横向支撑，厚度设置为1.3 m，深度为38.5 m，混凝土强度等级不应低于C40[5]。保证支护结构体系稳定后，才能进行下一个循环开挖和支护。

3.3 喷射混凝土

本工程喷射混凝土时，选择了潮喷混凝土施工技术，具体做法为先按设计要求配制混凝土，控制灰骨比在1∶4左右，水灰比为0.40，含砂率控制在50%左右，水泥用量不超过400 kg/m3。结合此要求及试验确定，施工竖井及通道喷锚理论配合比为m水泥∶m水∶m砂∶m石∶m减小剂=393∶169∶861∶861∶157，然后送入到潮喷混凝土机的料斗中，接着启动潮喷混凝土机，通过活塞将混凝土送入到混合室，和压缩空气充分混合后，送入到喷射管中，最后在喷嘴位置加入液态速凝剂，将混凝土从喷射嘴喷出，具体的施工工艺如图3所示。

图3 潮喷混凝土施工示意图

在潮喷混凝土前，需要用高压风机对受喷面进行吹扫，去除表面的杂物。人工紧紧握住喷头，按照从上到下的顺序进行“S”形喷射，喷头要连续做圆周运行，且保证后一圈能够压前一圈至少三分之一。整个喷射过程中，需要将风压控制在0.3～0.5 MPa，喷头到受喷面的距离控制在0.6～1.0 m。将喷头向上倾斜10°～20°，分层喷射，每层喷射厚度控制在10 cm左右。

3.4 竖井封底

本工程竖井封底采取了格栅钢架封底的方法，当竖井开挖到设计深度后，及时跟进钢格栅架设，通过连接板将封底格栅和竖井钢格栅连接成一个整体[6]，可采取焊接连接方法。然后在其上铺设绑扎钢筋网片。再进行混凝土喷射，采取从四边向中间喷射的方法，进行分层喷射。此外，竖井封底还布设双层φ22 mm,需每层间距500 mm的钢筋作为连接筋，通过点焊的方法和格栅主筋焊接成一个整体，且保证钢筋能够插入到竖井最后一榀格栅架中，具体情况如图4所示。

图4 竖井封底图(单位：mm)

4 横通道开挖遇含水地层施工处理

4.1 横通道开挖

在横通道开挖中可采取台阶开挖法，分步进行。

第一步，开挖到第二次导洞上台阶高度以下约1.5 m的位置，进行第二次导洞超前支护加固马头门位置的拱顶地层，再继续向下开挖到第二次导洞以下约1.5 m的位置进行封底处理。再进行第二层导洞上台阶范围中的马头门出井壁格栅施工。导洞第一榀格栅布设在井壁平面内，并和被割断的竖井钢格栅和竖向连接筋焊接，形成一个稳定的整体。再进行第二层导洞内上台阶的土体开挖。

第二步，等上台阶先开挖出3～5 m后，分段破除第二层导洞下台阶中门马头门位置的井壁格栅。第一榀钢架格栅架设在井壁平面中，和被隔断的竖井格栅以及连接筋焊接成一个整体，然后继续向下开挖。当第一层和第二层横通道施工完成后，及时在横通道中开展中桩和边桩试桩。

第三步，继续向下开挖竖井，但需要保证上下相邻导洞前后相邻的导洞能够错开5 m作业，及时开展挂网和架立格栅钢架操作，锁脚锚管施工，连接筋施工，喷射混凝土施工等。当横通道施工完成后，及时对初支背后进行回填浇筑。

在施工正线时，破口位置正好处于起拱线位置，该位置受力比较复杂，施工难度比较大，为最大限度保证施工质量和安全性，侧土压力沿拱径方向的力最大，在破口位置投影的水平方向的剪力比较大。在开洞上1.2 m处将格栅加密为0.4 m一榀，且打设超前小导管注浆进行土体固结。小导管注浆量可按照式(1)计算。

Q=π·R2·L·n·K

(1)

式中：Q为注浆量(m3)；R为浆液扩散的半径(m)，本工程取值为0.3 m；L为小导管的长度(m)；n为岩体孔隙率；K为充填系数，按照地质条件的不同，取值也不相同，取值在0.3～0.5。

架设正线段格栅时，沿隧道外轮廓线凿除混凝土，留下格栅钢筋，用与主筋同型号的钢筋沿开挖槽将格栅钢筋焊接，连接成整体，喷射混凝土，形成开挖位置的暗梁加强环。横通道拱脚处打设锁脚锚杆，长度L=2 m，水平倾角30°～40°，一榀一打，且锁脚锚杆与格栅主筋要可靠焊接，并进行注浆加固拱角，注浆浆液为单液水泥浆液。

4.2 开挖界面水无法疏干处理

在横通道开挖施工需要辅助降水井来降低地下水水位，但在具体开挖中存在界面水无法疏干的问题，主要原因是垂直井点降水难以阻断待疏干区内外地下水的水力联系，存在区外水持续补给区内水的问题，这会导致支护失效，引起安全事故，必须采取有效措施进行处理。同时，地下水位过高会导致地面过度沉降,开挖面涌水,甚至威胁施工周围其他既有构筑物安全[7]。本工程对卵石层与黏土层界面水的处置主要采用真空降水和超前小导管注浆的方法。超前小导管施工示意图如图5所示。

图5 超前小导管施工示意图

超前注浆采取双液浆堵水，适当加大注浆量，水玻璃和水泥浆液相互作用，可提升支护结构的稳定性。在搭设小导管时，要做好控制措施，尽量降低对土体的扰动。在真空降水时，需要利用常规大口径辅助井管，在地面上安装真空泵，促使管道内部形成负压，加速地下水的渗流流动速度，促使地下水快速下降，以疏干界面水。通过横通道进行正线暗挖隧道施工,横通道暗挖隧道处于富水黄土地层，受正线暗挖隧道断面的影响，横通道暗挖隧道截面需完成小断面与大断面的断面转化[8]。

4.3 基坑侧壁渗水处理措施

在横通道开挖中，开挖深度远远超过区域地下水位的深度，水压会随着开挖深度的增加而增加。富水砂卵石地质条件下的地铁暗挖工程，在施工中采用深孔注浆对土体进行超前预加固以及固结止水是行之有效的[9]。降水井辅助降水的方法，难以达到理想的降水效果，再加上基坑侧壁渗水的影响，会对施工质量和进度造成不利影响。为解决该问题，本工程采取了将包有过滤纱布的DN40PVC管插入基坑侧壁60 cm(PVC管壁开有渗水孔，外侧缠绕两层滤纱布，防止泥砂进入)将清水导出的方法，收效良好。DN40PVC导流过滤管插入基坑侧壁的数量根据现场渗水情况而定，确保导流明排效果。2#井水位标高为25.70 m，结构底板标高为16.039 m，渗透系数为280 m/d。竖井及横通道施工前首先进行降水井施工，将竖井及横通道处地层水位降至竖井底板1.0 m以下。2#竖井的降水井为管井，井径273 mm，U-PVC管直径200 mm、壁厚7.7 mm，井深38 m，井距5 m，共25眼井。降水井井位布置如图6所示。

图6 降水井井位布置

降水井井身结构误差要求：井径误差±20 mm；垂直度≤1%。含水层段砾料宜具有一定磨圆度，不应选用片状、针状石材，砾料含泥量(含石粉)≤3%。应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，应及时补充滤料。通过采用漏水引流，降水井降水，隧道内超前注浆等处理措施，确保了该隧道及联络通道开挖面的安全[10]。

5 结语

综上，通过分析北京地铁16号线16标段地铁工程竖井及横通道开挖遇含水地层施工处理得到以下结论。

1) 竖井施工深度比较大，受到地质水文条件的影响，施工难度大，为保证施工质量，需要结合实际情况，选择合适的施工技术，控制好开挖、支护、混凝土喷射、封底等每道工序的质量。

2) 横通道开挖中容易受到地下水和壁渗水的影响，在开挖时要尽量选择台阶开挖方法，控制好进尺深度，边开挖，边支护。

3) 界面水处理时可采取真空降水和超前小导管注浆的方法，以便将界面水及时排出。侧壁渗水则可以选择包有过滤纱布的DN40PVC管插入基坑侧壁60 cm(PVC管壁开有渗水孔)的方法，将渗水及时排出，为横通道开挖施工营造一个无水环境，更好的保障施工质量。