黄土地质地铁隧道施工降水与沉降控制

潘云鹏

摘 要： 地铁暗挖隧道施工降水的成功与否是决定隧道施工安全、优质、高效完成的保证，又是地层沉降控制的关键。针对西安特有的黄土地质条件下地铁深基坑施工，从土层地质、水文、降水方式、降水参数等各个方面进行分析和研究，对黄土地质条件下地铁深基坑降水与沉降控制的施工技术进行了阐述。

关键词： 黄土；地铁隧道；施工降水；与；沉降控制

1 前言

随着科学技术的进步，地铁隧道越来越多的采用盾构施工，但是，在一些特殊地段或地区，仍需采用浅埋暗挖法施工。要进行地下暗挖施工，必须对地下水进行处理后才能进行。地下水处理通常采用的方法是施工降水，通过采取不同的降水方式使地下水下降到要求的水位。在降水过程中，处于地下水位之下的土体，当地下水被疏干时，浮力消失，所消失的浮力转化为自重应力，其自重应力增加值相当于浮力消失值，并可视等同于原始状态下土体附加应力增加值，使土体压缩产生沉降。当沉降值过大时，易导致地面建筑物变形、地下管线破坏的危害。

2 工程概况

西安地铁一号线朝阳门站～康复路站区间隧道沿长乐西路下方布置；左右线隧道分别长774米、776米，采用喷锚法施工；左右线隧道线间距15米，拱顶埋深约14.8米（朝阳门端）～9.4米（康复路端），隧道按照地质地段不同分为A、B、C、D、E五种断面结构。

朝阳门-康复路地段为西北最大服装集散地，地面人流密集、交通繁忙，道路两侧建筑物密布，除个别建筑物为框架结构外，其余均为浅基砖混结构；隧道区域内地下管线复杂，分别为1.0m雨污水管道；直径0.6m自来水管道，直径0.31m天然气管道、电缆管沟各一道。

3 工程地质特征

3.1地形地貌

朝康区间隧道位于长乐西路下方，区间场地标高404.99～407.91m，全段东高西低，高差2.92m，地貌单元属黄土梁洼。

3.2工程地质

饱和软黄土层东厚西薄，隧道洞身穿越老黄土、粉质粘土、饱和软黄土、古土壤。

3.3水文地质

隧道区域地下水属潜水类型，赋存于上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土及冲击粉质粘土等黏性土层。

主要含水层为中更新统冲击粉质粘土中2到3层中砂透镜体夹层，分布不连续，该层透水性好，赋水性强。

潜水补给为地下径流补给。受兴庆湖渗漏抬升影响，主要流向NW。潜水排泄方式为径流、人工开采及蒸发消耗等。

朝阳门段降水前观测孔内稳定水位埋深7.5m，康复路段降水前观测孔内稳定水位埋深4.5m，东西两端自然水位高差3m。

4 施工降水

4.1 降水方式

由于西安地铁隧道埋深大于一般工民建工程，在西安城东区域没有类似降水实例，根据区间水文地质测试试验结果及地裂缝岩土工程勘察报告，参照本区域内相关深基坑降水经验，同时结合黄土地区降水经验综合分析，朝康区间采用开放式管井降水，降水井布置在区间左线隧道北侧和右线隧道南侧。降水井孔径为800mm。

4.1.1 确定井深

降水井的深度按《工程地质手册》（第四版）公式（9-5-3）确定

H/为轨底埋深；h=i*r0，i取0.1，r0取15m；sw为降水水位距结构底距离，取1m；hw为降水期间地下水位变幅，取2m；h/为沉砂管长度，取3m；L为降水井过滤器工作长度。

根据地层地质参数，区间隧道分3段分别进行计算，通过计算降水井深度如下。

根据计算结果及隧道降水特点确定朝阳门段井深45m，康复路段井深40m。

4.1.2 确定井数

根据隧道结构特征、周边建筑物情况、地层地质特点，周围水文地质条件及降深，同时结合地铁隧道施工降水的特点进行分析确定。

根据区间开挖深度范围内含水层的分布情况及地下水赋存特征，本区间涌水量计算采用模型为潜水完整井，基坑远离边界。按等代“大口井”以潜水完整井计算：

根据《规程》F.0.7 确定降水影响半径，

计算 ZDK22+519-ZDK22+750段降水影响半径：

计算 ZDK22+750-ZDK23+125段降水影响半径：

计算 ZDK23+125-ZDK23+295.2段降水影响半径：

根据《工程地质手册》（第三版）公式9-5-11 确定基坑等效半径，

计算ZDK22+750-ZDK22+125段基坑等效半徑： r0=0.25*1.04*（375.2+22）=103.23 m

计算ZDK22+519-ZDK22+750段基坑等效半径： r0=0.25*1.06*（231+22）=67.045 m

计算ZDK23+125-ZDK23+295.2段基坑等效半径：r0=0.25*1.08*（170+22）=51.84 m

计算涌水量

根据计算结果和相关施工降水经验，分别在ZDK22+519～ZDK22+750、 ZDK22+750～ZDK23+125、 ZDK23+125～ZDK23+295段布置降水井32口、50口、26口，井间距约15.0m。

4.2 降水效果

按照西安地区降水经验，一般在连续降水15天以后，地下水位即可降至设计降水水位。区间隧道康复路段在三阶段降水后，隧道开挖掌子面无渗水，土层内无滞留水，土体稳定，达到降水目标。但在区间隧道朝阳门段进行降水15天以上，隧道地下水位降到17.4m后就难以继续下降，在增加降水井、更换大功率水泵后未有明显变化。由于隧道内渗水严重，对开挖安全极为不利。

5 降水差异原因

通过竖井及横通道施工降水及区间隧道施工降水分析，饱和软黄土层及古土壤层地下水易于疏干，老黄土层及粉质粘土层地下水难以疏干。而区间场地潜水赋存上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土及冲积粉质粘土等黏性土层，根据老黄土、粉质粘土层赋水性强，渗透性差的特性，该土层地下水难以疏干，并且，降水漏斗远端地下水源源不断的补给到土层中，由此造成土层地下水维持在一个稳定水位。因此，朝阳门段隧道与康复路段隧道洞身穿越土层地质的不同是降水效果出现差异的根本原因。

6 沉降控制

根据规范建议降水沉降计算方法（分层总和法）进行沉降预测计算。根据地层特点和区间特点，沉降计算结果为：

ZDK22+519-ZDK22+750段各土层累积最大沉降值为21.2cm，ZDK22+750-ZDK2 3+125段各土层累积最大沉降值为22.7cm，ZDK23+125-ZDK23+295段各土层累积最大沉降值为20.1cm。

按照计算结果，沉降值明显偏大，当差异沉降超过3‰时，有可能造成建筑物、地下管线变形破坏，必须从多方面进行控制。

6.1 降水井处理

采用管井法井点降水，如果降水井反滤层效果不理想时或砂层部位没有处理好，将会使地层土颗粒随降水水流流动而流失，导致地面沉降，进而破坏邻近建筑物的基础，导致建筑物产生不均匀沉降。

根据相关工程实践经验，在黄土层中的降水，采取以下措施对此类影响加以有效控制：

在滤水管接头部位上下各50cm范围用60目网包封；控制降水井施工时的滤料质量，提高滤料的过滤作用；在抽水时，观测水中的含泥砂量，大于1/10000时应停止抽水，查找原因。

为防止涌砂，对穿越砂层的透水管段，砂层顶面以上竖向3.0m至底面以下竖向3.0m范围内采用60目网包封，滤水管底部用混凝土底座封闭，并填入0.5m厚砾石。

6.2 降水方法

为控制隧道范围地表建筑物沉降变形，采用分阶段降水，通过控制阶段沉降量控制水位降落曲线，使之平缓下降，控制总沉降量以减小不均匀沉降。

降水分三阶段进行控制：第一阶段水位降落5.0m，第二阶段水位降落5.0m，第三阶段降至设计要求水位。降至阶段控制水位时对周邻建筑进行沉降观测，在沉降基本稳定后再进行下阶段降水。

6.3 朝阳门段

本段在降水15天时，地面沉降最大值为1.0cm。

由于朝阳门段地下水未能完全疏干，造成隧道内渗漏水，给施工带来困难。增加降水井可起到降低水位的效果，但可能造成地面沉降加大，产生不可预料的风险。根据掌子面渗水现状，在保持既有降水条件下采用洞内注浆的方法将开挖轮廓内土层地下水从土体中排挤出去，为此在隧道下台阶轮廓线外侧，利用呈辐射状注浆方式交叉形成一道帷幕，经比选后采用双液化学注浆法进行加固处理。为确保隔绝外来水体、达到止水帷幕的止水的效果，采用WSS工法进行注浆，通过浆液扩散将浆液充填地层土体孔隙内、固结地层，且使其具有一定的强度，在隧道断面周围形成一道隔水帷幕，隔绝外来水体。在注浆结束后，根据洞内渗水情况，可适当减少工作降水井数量，以减小后期累加沉降值。

6.4康复路段

本段在三阶段降水完成时，地面沉降最大值为0.7cm。

在后续施工降水过程中，在按照三阶段降水的基础上，采取隔一口降水井停一口井的方法，降低群井效应，减小总出水量，使降水漏斗半径缩小，沉降影响范围随之减小。

减少降水井数量后，康复路段隧道内无渗水，掌子面土体无滞水。降水漏斗缩小后，降水影响范围减小，总出水量减少，即土层失水量减少，后期降水產生的土层累加沉降值随之减小。

7 效果

朝阳门段降水井按照15m间距布置，且局部进行加密，受地层地质影响，进行降水后水位存留在老黄土层内部，为保证施工安全，在继续保持既有降水条件的基础上，在洞内增加了注浆止水的措施，注浆止水加固后，掌子面土体无渗水，开挖后，浆液与土体固结为一体，浆脉延伸完整，土体基本挤密，达到了预期的止水、加固目的。由于朝阳门段降水条件未发生大的变化，后期地层累加沉降值较高，造成地面最大总沉降值达到9.3cm。地面临近建筑物差异沉降最大值为1.23‰，小于规范规定的标准3‰。

康复路段施工降水进行调整后，后期地层累加沉降值较低，地面最大总沉降值为4.4cm。地面临近建筑物差异沉降最大值为1.0‰，小于规范规定的标准3‰。

8 结束语

通过在朝阳门-康复路区间隧道施工降水证明，在降水参数合理的情况下，开放式管井降水在饱和软黄土层、古土壤层能够达到降水目标，且沉降量较小。在老黄土层及粉质粘土层中，在适当进行降水的前提下，需采取洞内注浆止水结合的方法进行隧道施工，避免由于采用单一降水方法造成地层沉降偏大，引起建筑物、地下管线破坏的缺点。