[工作]辐射井降水在东直门地铁深基坑中的应用

[工作]辐射井降水在东直门地铁深基坑中的应用 辐射井降水在首都机场快轨东直门车站施工中的应用 摘 要:结合首都机场快轨东直门车站的工程水文地质条件和场区周边环境,选择了降水方案～优化了参数～介绍了辐射井的施工方法～同时分析了降水对周边环境的影响程度并提出防治措施。 关键词:首都机场快轨,东直门,辐射井,水平井 地铁暗挖隧道和深基坑施工常遇到地下水的问题，地铁事故调查分析显示，由于设计和施工的原因而导致的事故所占比例分别为46%和41%，而这些事故中70%以上是因为水害引发的。因此，降水工程虽是一项临时性工程，但设计与施工不当易产生流砂、管涌、坑底隆起、边坡失稳、坑壁坍塌等事故，已成为工程建设的重要组成部分。认真分析影响降水工程质量的因素，总结降水工程中的经验教训，探索降水工程质量管理方法，都具有重要的意义。 1 工程概况 首都机场快轨东直门车站位于北京市东二环路东侧东直门外大街路北侧，东西走向。 车站西侧为东二环路，其中车站暗挖部分位于二环辅路正下方;车站南侧为东直门外大街;车站北侧及东侧为正在施工中的机场航空服务楼和东华广场;车站周边环境复杂极其复杂。 图1 首都机场快轨东直门站地理位置平面示意图 东直门车站施工范围包括东直门站及站后安全线隧道，车站为四层、三跨侧式站台车站总长188米、宽22.4米、高25.36米，顶板覆土约2.5米，车站埋深28.4米。按照施工工艺由西向东分为安全线、A、B、C、D段;其中安全线长33.6m，A段暗挖段长37.4m，B段明挖段长57.5m，C段上明下暗段长30.2m，D段明挖段长29.7m。围护结构采用围护桩疏排型式，桩间设网喷砼的结构形式，支撑体系采用壁厚12mm，φ600mm钢管支撑的内支撑体系。 图2 东直门车站结构及周边环境平面示意图 2 车站工程地质、水文地质条件 本工程所处地区属永定河冲击洪积扇中部，地形平坦，地层自上而下可分为人工填土层、第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层三大类，主要地层如1所示。 图3 东直门车站暗挖段水文地质剖面图 本场区范围内存在四层地下水,由上至下分别为: 上层滞水、潜水、第一层承压水和第二层承压水，主要分部情况如表2所示。 表1 主要地层一览表 层序 工程地质层 层底标高(m) 层厚(m) )含水性评述 ? 人工填土 35.52,38.06 2.50,6.80 ? 粉土、粉质粘土 30.15,31.80 4.50,7.60 相对隔水层 ? 粉细砂、中粗砂 26.56,28.75 1.30,3.80 上部含水层 ? 圆砾、中粗砂、细砂 20.86,22.40 4.80,5.60 上部含水层 ? 粉质粘土、粉土 19.79,20.55 0.80,2.70 相对隔水层 ? 中粗砂、粉细砂 11.36,15.29 4.50,8.70 中部含水层 ? 粉质粘土、粉土 8.06,8.49 3.30,5.50 相对隔水层 ? 卵石、中粗砂、粉细砂 -2.44 10.40 下部含水层 ? 粉质粘土 相对隔水层 表2 地下水分部情况一览表 地下水类型 水位埋深(m) 水位标高(m) 含水层 水文特点 上层滞水 勘察未发现 ? 管线渗漏 潜水 14.40,14.80 26.31,26.65 ? 主要接受侧向径流补给，以 承压水 23.10,23.90 17.13,17.5 ? 侧向径流、向下越流补给承 承压水 27.9,28.6 12.0,12.57 ? 压水及人工开采方式排泄 3 降水设计 降水在不同的工程项目中有着不同的应用形式，根据不同的情况，也会采取不同的降水工艺;降水施工工艺主要有:集水明排、轻型井点、多级轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井、砂砾渗井、辐射井等。 3.1 降水方案 本工程开挖面位于第二层承压水位以上，施工将受到上层滞水、潜水和第一层承压水影响，但不受第二层承压水影响。本次降水的主要目的疏干上层滞水，降低埋藏于砂层中的潜水及第一层承压水。针对本工程水文地质条件和开挖与支护方案及场地周围的建筑物和地下管线情况，从而确定了“深基坑以管井井点降水为主，渗井井点及明排水为辅;暗挖车站以辐射井降水为主，管井降水为辅”的降水方案。 辐射井顾名思义，是由不同深度上若干水平辐射管和一个竖直大井所组成的辐射形抽水装置的组合。水平井是用来汇集附近含水层中的地下水至竖井的，往往是自流人井。竖井一般有两个作用:一是通为水平井设置施工平台;二是汇集 由水平井流人的地下水，并设置潜水泵将这水排至地表。其最大的优点是占用施工场地较小，但施工费用高。在施工场地受到限制，难以布置降水管井时，可以选择应用辐射井。 安全线、A段暗挖段及施工竖井以暗挖为主，由于地下管线、构筑物非常多，而且地面交通非常繁忙，不具备布置降水管井的条件，因而采取辐射井降水。为使辐射井竖井安全顺利施工，在每个辐射井周围布置数眼辅助管井。 辐射井降水围挡降 水 井 图4 东直门站暗挖段降水井平面布置图 3.2辐射井设计 3.2.1单井涌水量计算 计算公式: Q,,nq 22mh,q1.36,其中， Rlg0.75l 3式中: Q----辐射井总出水量(m/d); n----辐射管根数; a----折减系数; 3 q----单管出水量(m/d); l----辐射管长度(m); K----渗透系数(m/d); m----含水层厚度(m); h----动水位以下含水层厚度(m); R----降水影响半径(m)。 3.2.2辐射井布置 辐射井的布置间距，应视地质条件而定，一般认为在60,100m为宜，即单根辐射管为30,50m长。如果布井间距过远，则由于单根辐射管长度所限而影响降水效果，如果布井间距过近，则不够经济。根据东直门车站周边情况，共计布设三眼辐射井，其中F1布设于东二环东直门环岛东侧绿地内、F2与车站竖井并用、F3布设于二号线东直门站东北出入口，2号线与13号线换乘方厅，换成通道之间的空隙内。辐射井布设见下图。 图 5 东直门暗挖车站辐射井平面布置图 3.2.3 辐射井结构 辐射井:竖井井深35m，孔径3m，采用锚喷护壁或沉管法成井。水平井钻孔直径φ114mm，放入φ50mm缠丝钢管(花管)，长度根据需要而定，采用水平钻 3机反循环成孔，布置在承压含水层底部，如遇潜水，增设一层。井内安装25m/h潜水泵抽水。 图 6 辐射井结构图 4 降水施工 集水井钢筋砼 施工准备 现场踏勘 井管预制 集水井位施放 围挡 切割竖井井位路面 人工挖探井 工作台、砼护壁制作 钻机就位、安装 测量孔深 清运渣土 钻孔 吊车就位 钻机移位 下钢筋砼井管 清运渣土、泥浆 抽干集水井内积水 吊装工作平台 量测水平管敷设 钻进点位 吊装水平钻机 抽排集水井中积水 第二层水平管敷设钻进安装滤水管 布设标高 调整工作平台 施工 第一层水平管敷设钻进安装滤水管 进 抽排集水井中积水 吊出机械设备 下泵抽水 集水井井口制作 注:如施工中发现潜水存在，则在 潜水地板处增加一层水平井。 恢复路面,地面, 拆除围挡 4.1辐射井施工 4.1.1、 井管预制 井管预制必须在集水井凿井开始前制作完毕并检验合格运到现场、堆放有序。砼管在郊外加工厂预制，每节管外径φ3400mm，内径3000mm，长1m，壁厚150mm;底节管座的底板厚200mm。砼标号C20。要求井管圆度好，上下口平整，不露钢筋，井管迭上后内外壁光滑平整。 4.1.2、 人工探井施工 施工前采用正三角形布置三个探井，探明地下障碍物，控制范围为直径4米以内。探井直径为1米，根据现场的实际情况，电力、热力管沟分布密集，城铁13号线围护结构的锚索埋深在12米左右，故人工挖孔深度为10~14米。为了挖井安全，先挖成第一个探井，挖第二个时用挖出的土填满第一个，挖第三个时填满第二个。 4.1.3、制作井口“井”字梁及钢砼护壁 “井”字梁主筋上为φ14、下为φ16，箍筋φ@200。“井”字梁与护壁用混凝土浇成一体，浇注前，在“井”字梁的四个内角安装四根钢管(φ150mm，壁厚大于5mm，长5米)。钢管上缘与梁上主筋连结，其作用是在漂浮法下管时四根兜底钢丝反力架。 钢筋砼护壁，喷砼厚度为150mm，强度C15。主筋φ12@250，箍筋φ8@150。 4.1.4、 挖围泥浆池及泥浆循环槽 泥浆池尽可能远离孔口，砂石泵安放距孔口不小于5m。用编织袋装土砌筑高1.2米围堰，单个沉淀池不小于100m3。循环导流槽宽不小于1米。池底及内周边铺一层塑料布。沉淀池与循环导流槽连接处砌筑高0.7m围埂。 4.1.5、钻机安装 先将钻头悬吊于孔内，然后安装钻机，转盘中心要严格对准钻孔中心，可采用十字标线铅锤对正的方法。 4.1.6、 钻孔 钻机转速一般应保持在10,20r/min，钻进速度每小时不大于0.5m。在设计水平管敷设点上下3.0m范围内，每进尺0.1m排水管口采取一次砂样并用塑料袋包装保存(用于判断含水层位置)。对于钻孔产生的渣土和泥浆，为保证现场的环境和文明施工，需要及时进行处理，运送到市外郊区，运距大约20km。 4.1.7、下管 凿孔达设计孔深后，经检测确认孔壁完好后方可下管作业，下管过程必须保证连续作业，严禁无故终断，下管速度要均匀、平稳。 将钻机挪离孔位，安装井管固定支架。 将井座(带底板的井管)吊装到井孔中，在井座入水前，在四个方向上用钢丝固定底座，并缠绕在固定支架上。 吊车起吊井管，与井座对接，此时，四个方向上的钢丝绳应绑紧，以防下沉。 接管时，先在井座上口抹一层厚约5cm的水泥砂浆，再吊下一节井管对接，外缝用掺水玻璃的素水泥浆勾抹严实;然后在上下接口的部位需压防水橡胶，并用砂浆压缝。上下焊接性沥青防水卷材包裹并用喷灯烤粘三层，以防接口处漏水涌砂。 均匀放松四根钢丝绳，使井管下沉，然后吊起下一节井管，重复上述操作。下管过程中严禁浮力过大，造成井管不能正常下沉，出现井管歪斜现象。必须做到边下管边往管内注水，注水量以有利于下入下一节井管为准。全部井管下完后，向井管内注满水，使井管充分下沉(约一天时间)，然后将井管外围空隙用3-7mm石料回填。 辐射井竖井钻井法施工质量验收 允许值或允许偏差 序号 检查项目 检查方法 单位 数值 检查试件记录 预制井管满足设计要求～每1 砼井管 节管长度?1.0m。 主控项目 或抽样送检 2 井径 ?设计值 钢尺量测 3 深度 cm ?50 量测孔深 4 垂直度 % 1 下管时目测 5 砼管节间防水 密封不透水 现场观察 钢筋、对接钢检查出厂质保书 6 筋、水泥、骨符合设计要求 或抽样送检 料等原 一般项目 砼井管 无裂缝、无蜂窝、无空洞～7 结构外观 目测 不露钢筋 4.2辐射井水平井施工 水平井成孔采用PD-50型水平钻机: 4.2.1、 将泥浆泵放入集水井内，抽干集水井内的泥水。抽水时要时刻观察集水井管壁是否有漏水等异常情况，若有则必须及时处理;同时要监测井管壁是否上浮移动，如上浮移动，必须立即停止抽水，待处理后再行抽排。 4.2.2、将工作平台吊放至集水井内设计下层水平井标高，并固定。 按设计角度对准孔位，并固定牢靠，4.2.3、将水平钻机吊放至工作平台上， 进行试机。 4.2.4、钻孔对于砂层、砂砾卵石层，采用水力双壁钻杆反循环法施工;对于粘质粉土,细砂地层，还可以采用钻杆顶进正循环法施工。 4.2.5、水力双壁钻杆反循环法施工(主选施工方法) 该法是采用双壁钻杆钻进，高压水从双壁钻杆的内外管之间进入，泥沙、砾卵石从钻杆的内管内排出，此法能保证成井质量，孔径不扩大，适应地层较广，但对粒径较大的卵石层钻进效率较低。其具体施工步骤如下: a(在水平钻机上安装合金钻头，在竖井井管壁上开孔。 b(开孔完成后，迅速卸掉开孔钻头，换上双壁钻杆及钻头钻进，此间速度一定要快，否则容易流砂，酿成事故。 c(打开高压水，开动钻机旋转钻杆，利用钻机的推力、扭力和高压水力将第一根钻杆钻进含水层，再接上下一根钻杆，如此循环操作，直至达到设计孔深。 d(将滤水管从钻杆中插进，一直插到钻头部位，滤水管接口部位要连接平整牢固，避免刮蹭钻杆。 e(从滤水管中间插入顶杆，将滤水管顶住，以防拔钻杆时将滤水管带出。 f(用油缸逐段拔出钻杆，将滤水管留在含水层中。 g(钻杆拨出后，必须迅速用蛇皮袋、棕树皮等材料封住滤管外的空隙，让水从滤水管中自动流出，防止砂子从未封严的孔壁流出。 h(水平孔钻进必须连续施工，如发生故障需停钻时，则把钻杆全部拔出，以免埋钻。同时必须封孔，避免造成管涌。 4.2.6、顶进水力正循环法施工 该法用于粘质粉土,粉细砂地层中效率较高，可作为备用施工方法。 该法是将钻杆用液压水平钻机边旋转边推进，并配合高压水泵一根接一根， 2根套管护住孔口壁，顶进过程钻进含水层。为保证孔口不扩大坍塌，可下入1, 中含水层中的粉粒从钻杆外排出，钻至设计深度后，再从钻杆中插进滤水管，然后顶脱钻头，拔出钻杆，把滤水管留在含水层中。其施工方法及步骤同上。 4.2.7、下泵抽水 辐射井施工结束后，根据水平管敷设钻进施工中单管排水情况，计算总进 水量，下入合适泵量的泵进行抽水。 辐射井水平井施工质量验收标准 序号 检查项目 允许值或允许偏差 检查方法 符合设计要求～并位于相应1 井位 检查施工记录 的含水层中 主控项目 钢尺量测或检2 孔径 不小于设计值 查钻头尺寸 3 深度 不小于设计值 检查施工记录 4 井数、层数 不少于设计量 检查施工记录 5 出水含砂量 符合设计要求 实验测定 水平井孔方位6 不影响降水范围及结构施工 检查施工记录 角 一般项目 ?通长滤水管, 检查出厂质保7 井管 ?管材满足施工工艺要求。 书 4.3 排水管线铺设 为便于观察单井抽水水量变化及含砂量的检测，排水方式为单井直排，即每个抽水井埋设单根排水管就近与雨污水井相接，主管(集水管)采用φ219mm的钢管，支管采用φ89mm的钢管排水，大部分暗埋于地面以下约800mm(超过冻土深度)，根据现场的实际情况，降水井位距离市政雨水管口距离较远，约为18~20米。局部位于土建基坑内侧的降水井采用明排方式，明排管应做防锈处理和采取冬季保温措施。根据与市政管线管理部门协商，对于排水口附近没有雨水井，可在雨水箅子附近做一沉淀池，然后排入雨水口。 施工准备 测量放线 管沟开挖 排水管下入沟内 施做与雨污水检查井 相接的排水口工作井 试水试压 合槽埋设电缆 分步回填夯实 图8 排水管线施工工艺流程图 4.4 降水维护管理及动态监测 降水工程施工结束后，是较长时间的维持降排水阶段，延续降排水要到二衬施工结束， 降排水维护与动态观测是该阶段的工作重点。在降排水过程中也可能会出现诸如外来水涌出、潜水和层间水不能完全疏干等问题，需采取必要的处理措施。 4.4.1、定时巡视降排水系统的运行情况，及时发现和处理系统运行的故障和隐患，如水泵抽水出水情况，是否需要检修换泵;供电线路是否正常;排放水的含砂情况及排水联络管道是否畅通。 4.4.2、在更换水泵时应先量测井深，掌握水泵安全合理的下入深度，以防埋泵。 4.4.3、注意对井口的防护、检查，防止杂物、行人掉入井内。 4.4.4、当发生停电时，应及时更换电源，尽量缩短因断电而停止抽水的时间间隔，备用发电机保持良好，要随时处于准备发动状态。 4.4.5、随时到土建结构施工的掌子面，了解掘进遇到的水情和土建施工单位对降水的意见，对管理和服务加以改进，发现隧道出水、涌砂，应立即查明原因，协同施工单位及时处理。 4.4.6、降水动态观测 a、按设计要求建立地下水动态监测网，确定监测井的位置及数量，一般应选定降水井总数的20%作为观测井，其位置平均分布于降水区域内。 b、降水井施工完毕，抽水开始后，水位未达到设计降深之前(一般为前15天)，每天观测1次水位、水量;当水位达到设计降深后，每5天观测1次。 c、对监测记录应及时整理，绘制Q,t与s,t的过程曲线，分析水位下降趋势，预测掘进掌子面的地下水位，并根据水位变化情况调整开泵地段和开泵数量，在保证掌子面无水掘进的同时，减少地下水资源无谓排放。 d、根据观测记录，及时分析降水过程中不正常状况及产生原因，提出调整及补充措施，确保达到设计降水深度。 5 降水对周围环境的影响与防治 随着降水工程不断抽取地下水，周围含水层的水不断流向滤管，土层中的粘 土颗粒、粉土颗粒、细砂也会随地下水一同排走，经过一段时间后在井点周围形成降水漏斗，这样会产生地面不均匀的沉降，对邻近构筑物及基坑本身的安全构成威胁。在降水期间，降水面以下的土层通常不可能产生较明显的固结沉降量，而降水面至原地下水位面之间的土层因排水固结，会在所增加的自重应力条件下产生较大沉降。因此通常降水所引起的地面沉降即以这一部分沉降量为主，可采取如下预防措施: (1)防止抽水带走土层中的细颗粒。降水辅助管井施工所用的滤料必须认真按级配配制，在正常抽水过程中如有混浊现象立即停止抽水，采取相应措施予以补救。 (2)适当放缓降水漏斗线的坡度。把滤水管布置在水平连续的砂性土中可获得较平缓的降水漏斗曲线，从而减少对周围环境的影响。 (3)保持抽水过程的连续性。尽量避免间歇性和反复性的不连续抽水。 (4)在基坑外边线稍远处布设回灌井。即距降水井外侧8m以外适当位置设一排回灌井，规格与降水井一致，但其滤水管的长度应大于降水井的滤水管2,3m，井管和井壁之间回填中粗砂作为过滤层。将基坑边降水井内排出的水通过专门的注水系统送人回灌井，多余的水另用沟管排出。 (5)辐射井中打设的水平井尽量采用波纹管，并且缠绕细目纱网，确保地层中的沙粒不随着地下水流失。 6 结语 隧道和基坑开挖表明，降水效果良好，基本达到无水作业要求，降水对周边构筑物及环境没有造成不良影响。 降水工程的设计与施工，要在充分掌握和分析工程结构特征和水文地质条件的前提下，参照本地区类似工程经验，合理选择降水方案，优化设计参数;在降水井施工中，要不断收集、积累成井资料，依现场实际条件解决工程中所出现的问题，这样才能取得好的降水效果。 参考文献: [1]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1998. [2]刘惠珊，徐枚在.地基基础工程283问[M].北京:中国出版社，2002. [3]江正荣.地基与基础施工手册〔M].北京:中国建筑工业出版社，1999. [4]苑连菊.工程渗流力学及应用[M]1北京:中国建筑工业出版社,20011 [5]张永波,孙新忠.基坑降水工程[M]1北京:地震出版社,20001 [6]吴平春,周国章.高水位砂质土地区基坑降水及支护技术[J]建筑技术,2003,34(2):122-1231