地铁工程竖井及横通道区间降水施工方法及施工工艺
1.1地下水风险分析
由于本区间范围内的地下水赋存于圆砾、砾砂等土层中,按埋藏条件划分,属第四系孔隙潜水。稳定水位埋深约为14.00m~16.60m,相当于水位标高31.40m~34.00m,含水层厚度约21.0m,主要补给来源为浑河侧向补给及大气降水垂直入渗补给,场地地下水径流条件良好,除③-1-0粉质粘土外,含水层渗透性强,渗透系数K一般在30~100m/d之间,水力坡度1.0‰~2.0‰,随着竖井开挖深度的不断加大,上覆土层对含水层的压力逐渐减小,在动水压力作用下容易引发流水、流砂作用,竖井及横通道开挖面存在突涌的可能性,影响竖井及横通道的稳定。因此,竖井及横通道土方开挖前必须采取连续降水措施,将地下水水位降至开挖面以下1.0m,最终降至竖井及横通道底板以下1.0m,保证开挖面无水作业。
1.2降水井设计
1、涌水量计算
由于本区间地下水类型主要为潜水,为简化计算,采用潜水完整井公式来估算区间的涌水量。涌水量计算模型如下:
式中:Q —基坑降水的总涌水量(m 3/d );
k —渗透系数(m/d );
H —潜水含水层厚度(m ):
s 0—基坑水位降深(m );
R —降水影响半径(m );
r 0—沿基坑周边均匀布置的降水井群所围面积等
效圆的半径(m );对不规则形状的基坑,其等效半径按下式计算:
πA
r =0 (2)
式中:r 0—基坑等效半径(m );
A —降水井群连线所围的面积。
依据勘察报告和基坑降水经验,本工程采取基坑外侧深井管井降水,本工程场地潜水含水层渗透系数K 取108m/d ,在正式降水前须做抽水试验,对降水方案进行优化。设计考虑自然水位为-11.5m ,含水层厚度取21m 。
区间纵断采用V 字坡,盾构井埋深最深,根据区间结构、盾构井埋深情况,将降水区域分成两段进行计算,以竖井南侧双线单洞断面与大跨度断面为分界点,降水面积分别取A 1=9500㎡、A 2=4220㎡,区间暗挖段底板埋深按27.03m 计算,盾构井底板埋深按27.79m 计算,区间暗挖段最深水位(1)
以降至-28.03m计算,盾构井处最深水位以降至-28.79m计算,水位降深S1=12.53m和S2=13.29m,涌水量计算参数及结果见表1.2-1。
涌水量计算参数及结果表表1.2-1
2、降水井数量及井深验算
竖井及横通道设计降水井数为37口,井深36m;盾构井段设计降水井数为20口,井深38m。
区间暗挖隧道段降水井单井最大涌水量qmax=1.1×41813.54/37=1243.11m3/d,单井稳定涌水量qmin=1.1×37817.63/37=1124.31m3/d;
盾构井段降水井单井最大涌水量
qmax=1.1×37308.92/20=2051.99m3/d,单井稳定涌水量qmin=1.1×35023.37 /20=1926.29m3/d。
井管的出水量可按下列经验公式确定:
3
qπ
=(3)
rl
120K
式中:q—井管的出水量(m3/d);
r—过滤器半径(m);
l—过滤器进水部分长度(m)。
区间暗挖隧道段降水井有效过滤器长度l1=36-11.5-11.28-1.5(沉淀器长度)=3.72m,盾构井段降水井有效过滤器长度l2=38-11.5-11.12-1.5(沉淀器长度)=1.88m,过滤器半径r=0.4/2=0.2m,代入公式(3)得知:
区间暗挖隧道段降水井单井的出水量q=1331.88m3/d,盾构井段降水井单井的出水量q=2110.37 m3/d。
区间暗挖隧道段降水井单井的出水量q=1331.88m3/d >qmax=1243.11m3/d,盾构井段降水井单井的出水量q=2110.37 m3/d> qmax=2051.99m3/d,经验算,区间降水井数量及井深满足降水要求。
3、降水井结构设计及要求
降水井结构主要设计技术参数见表1.2-2。
降水井设计主要技术参数表表1.2-2
4、水泵选用
水泵均选用潜水水泵。
区间暗挖隧道段降水井单井最大排水量qmax=1243.11/24=51.80m3/h,单井稳定排水量
qmin=1124.31/24=46.85m3/h,选用泵量50 m3/h,泵量调整范围40~80 m3/h,扬程40m的潜水泵满足降水要求;
盾构井段降水井单井最大排水量qmax=2051.99 /24=81.50m3/h,单井稳定排水量qmin=
1926.29/24=80.26m3/h,选用泵量80 m3/h,泵量调整范围50~100 m3/h,扬程40m的潜水泵满足降水要求。
降水井内安装水泵见表1.2-3。
降水井内安装水泵一览表
表1.2-3
5、降水井的布置
本暗挖区间及盾构井降水井布置方案如下:
(1)降水管井宜布置与区间两侧结构线外3.5m范围外,以免暗挖施工时注浆对降水井产生影响。
(2)井位应优先布置在人行道两侧空地,尽量避免在机动车道上布井。同时避开地下管线位置,减小对地下管线的干扰。
(3)暗挖区间及盾构井单独形成封闭。
(4)暗挖区间降水井间距为15~17m,盾构井降水井间距为14~15m。
降水井平面位置见附图一“降水井平面布置图”。
6、排水管线设计
依据有关规范标准和本工程特点,以下述原则和技术要求设计排水管线:
(1)主排水管尺寸和类型应满足顺畅排水和抗压要求,排水管线铺设的纵向坡度应不小于2‰。
(2)拟排入的市政排水管线(网)应在地下室结构之外,以避免增加地下结构施工的风险,对其造成安全隐患。
(3)拟排入的市政排水管线(网)的尺寸应满足现状城市排水和计划施工排水量要求,目前管线状态应完好,无重大破损现象。
(4)对交通及结构施工有影响的排水管线应暗埋于地下,其它位置的排水管线可采取在地面明铺的方式。
(5)出水管、支管和主管之间应采取措施(如单向阀连接),防止停泵时发生水倒灌现象。
(6)排水口应选择拟建结构范围外的市政雨污管线井口,如直接接入就近的雨污管线,应设置排水口工作井(检查井)。
为了保证降水井中抽出的地下水能顺利畅通的排出,同时还应保证在雨季不至因降水排水造成内涝,应进行集水管和排水管的铺设。在不影响交通和施工的前提下,采用地表明铺管线,不具备明铺条件的进行暗埋铺设,集水管为4寸尼龙管,共需600m左右,水泵泵管为4寸钢管,共需1800m 左右。
7、配电线路设计
降水配电系统采用三级配电,一级柜由项目部提供,二级柜8台,三级柜16台,由施工队配备,主电路采用185mm2和95mm2的铝电缆,水泵电缆采用6mm2水泵电缆。
本区间降水井平面布设、排水管线的布设、配电线路的布设详见附图十一,降水井井身结构详见附图十二。
1.3降水井成井施工工艺
采用冲击成孔、泥浆循环钻进、机械吊装下管成井施工工艺。成井施工工艺流程如图1.4-1所示。
图1.4-1 成井施工工艺流程图
1、测放井位
根据降水井布置图的井位测放井位,井位测放完毕后应做好井位标记,方便后期施工。井位偏差≤50mm,若布设
井位无法正常施工,应及时与技术员沟通、处理,必要时适当调整井位。若遇特殊情况(比如地下障碍、地面或空中障碍)需调整井位时,应及时通知技术人员在现场调整。为保证安全,定井位后应挖探坑以查明井位处有无地下管线等地下障碍物,挖探坑的平面尺寸应比钢护筒稍大一点,深度必须以挖(或钎探)到地层原状土为准。
2、埋设护口管
为避免钻进过程中循环水流将孔口回填土冲塌,钻孔前必须埋设钢护筒。护筒外径1.0m,深度视地层情况而定。在护筒上口设进水口,并用粘土将护筒外侧填实,防止施工时管外返浆。护筒必须安放平整,护筒中心即为降水井中心点。
埋设护口管时,护口管底口应插入原状土层中,护口管上部应高出地面0.1m~0.3m。
3、钻机就位、调整
安装钻机时,为了保证孔的垂直度,机台应安装稳固水平,立好钻架,对准孔中心,拉好缆风绳,开始钻进,钻具选用重型冲击钻头和捞渣筒配合使用。钻机就位时需调整钻机的平整度和钻塔的垂直度,对位后用机台木垫实,以保证钻机安放平稳。钻机对位偏差应小于20mm,钻孔垂直度偏差1%。
4、钻进成孔