富水固结黏土层浅埋暗挖隧道工程实例浅析

作者；张毅                 

   正在修建的北京地铁昌平线二期工程昌平新区站一南邵站区间暗挖段，由于地下水丰富并且穿越裂隙发育地层（水平渗透系数和纵向渗透系数相差25倍以上），无法实现无水作业。经过多次专家论证，按要求采取相应技术措施后，暗挖区间在带水作业环境下，安全、顺利地完成了隧道贯通，二衬封闭后进行注浆，500多m的隧道没有出现渗漏点。

1  工程概况

1.1  隧道结构形式及开挖方法

  隧道为单洞单线马蹄形断面，开挖断面面积约为35. 36m2，隧道单线长度557. 8m，采用浅埋暗挖法施工，隧道平均埋深11.4~17. 6m。隧道竖向以0.  64%坡度自区间风井向南邵站爬升，南邵站处为暗挖段高程最高点，区间风井为暗挖段最低点，区间风井与废水泵房合建。

  隧道结构采用复合式衬砌（初期支护+二次衬砌）。初期支护由喷射混凝土、钢筋网及钢格栅（纵向间距0. 5m）组成，二次衬砌为模筑钢筋混凝土，初期支护与二次衬砌之间铺设EVA防水层。超前支护采用直径32mm、壁厚3.25 mm、长度2.5m的超前小导管(环向间距0. 3m，纵向间距1m，纵向搭接1. 5m)并预注浆，采用水泥单浆液。初期支护背后采用无收缩水泥浆液注浆回填。隧道采用正台阶预留核心土法开挖。隧道剖面如图1所示。

1.2  工程地质及水文地质条件

  隧道段属于山前冲积平原，其间分布东沙河一级阶地、河床及河漫滩，表层主要以黏性土、砂土及碎石类土交互土层为主，其下伏基岩为侏罗纪凝灰岩。

  隧道顶板大部分区段穿过的土层为⑥粉质黏土层、⑥2黏土层、⑤卵石层和⑤1中粗砂层，上部的卵石和粉土均为含水层，围岩等级为VI级。

  边墙围岩主要为⑥粉质黏土层、⑥2粉土层、⑦卵石层、⑦1中粗砂层和强风化凝灰质砾岩层，围岩等级为VI级。

  结构底板围岩主要为⑥粉质黏土层、⑥2粉土层、⑧粉质黏土层和强风化凝灰质砾岩层，围岩等级为VI级。

  暗挖隧道穿越的⑥，⑧层主要为硬塑~坚硬状态固结土层，竖向孔洞及裂隙发育，竖向渗透性好，且局部夹有较多卵石；竖向渗透系数1. 01 m/d，水平渗透系数0. 04m/d。

  根据地质勘察报告，存在2层地下水，地下水类型为潜水（二）和承压水（三）。潜水（二）水头埋深9. 62~15. 30m，位于隧道拱顶上3.3m至拱顶下0. 9m。承压水（三）水头埋深11. 70~12. 80m，位于隧道仰拱以上约1. 8m。开挖后，隧道仰拱2m以上无明流水，但土质潮湿，隧道仰拱2. 8m以下有较大明流水。

1.3原降水设计

  根据隧道埋深及地下水情况，里程K9+600. 100-K10+0.000段布置降水井101眼，井深

26. 0m，井间距7.0~8.0m；里程K10 +0. 000-K10+150. 373段布置降水井42眼，井深23. 0m，一般井间距为8. 0m。井底距隧道开挖面2.3~7.2m。

2施工中遇到的问题

  1)下台阶绝大部分位于⑧粉质黏土层，小部分位于⑥粉质黏土层及强风化凝灰质砾岩层。⑧粉质黏土层土体强风化，孔隙多，竖向裂隙明显。竖向渗透系数1. 01m/d，水平渗透系数0.04m/d。水平、竖向渗透系数相差25倍以上，土体中竖向裂隙发育、横向裂隙较少，上层潜水通过竖向裂隙进入开挖掌子面处。而由于横向裂隙少，降水井周边地下水不能通过横向裂隙汇入降水井内，降水井影响半径小、降水效果差。仅靠井点降水无法疏干土层内的地下水，在隧道底以上2. 8m范围内，渗水、涌水明显，掌子面附近大量积水，严重影响隧道仰拱初支喷射混凝土质量，且施工效率极低。

  2)渗水点位于仰拱以上2. 8m范围内，仰拱锚喷料中的胶凝材料（水泥）因地下水冲刷流失，造成仰拱部位锚喷料不能快速凝固，在出渣、进料车辆的碾压下很快呈离散状态，仰拱部位格栅外露，不能起到初期支护封闭成环作用，施工风险极大。

  3)上台阶开挖下来的土体和掌子面下部的积水混在一起，如果用挖掘机装运，由于挖掘机的碾压、搅合，装运后剩余大量淤泥，很难清理，每开挖一榀需要3~ 4h，费时费力，且淤泥运输困难、效率低。

  4)二衬施工时如不采取排水措施，EVA防水层施工后会在防水面后形成空鼓的水囊、拱底EVA防水板上浮，二衬施工时水流窜动扰动混凝土初凝过程、使其结构松散，强度和耐久性降低，并且空鼓的防水层容易被混凝土挤破，起不到防水效果。

3  计划采取的地下水控制措施及经济技术比较

  根据工程地质、水文地质情况并结合现场实际，施工单位主要采取5种措施防治地下水的危害。

  1)增加临时仰拱+洞内降水在上、下台阶交界处设置临时仰拱，并由临时仰拱向下打设降水井、降低地下水位，保证下台阶无水作业。该方法工期影响大、造价高，因此未采取此措施。

  2)洞内真空泵降水在下台阶范围内、隧道两侧打设斜向超前抽水管并用真空泵抽排水。该方法真空泵达到额定抽水能力，开挖面渗水有所减少但效果达不到预期，且真空泵降水影响工期、掌子面封闭推迟增加风险。

  3)掌子面注浆止水在下台阶范围内、隧道两侧超前打设注浆管、注水泥单液浆。该方法注浆量小，注浆压力增大时浆液窜出，不能注入土体。

  4)降水井加深、加密  在原设计降水井中间增加1口降水井并增加降水井深度。该方法掌子面渗水高度降低、渗水量减少，但仍不能达到无水施工。

  5)洞内排水施工①土方开挖过程中，增加仰拱初支喷射混凝土厚度，在隧道两侧设置明排水沟并设集水坑、用污水泵接力排水。②开挖完成后，凿除临时仰拱、对仰拱进行初衬背后注浆，减少初衬渗水。③在仰拱中间设置排水沟、铺设钢板并预留注浆管，保证EVA防水板背后无水囊，待二衬施工完成后通过注浆管将排水沟回填。

  效果如下：①由于开挖土体密实，虽然带水作业但掌子面稳定、无坍塌现象。增加仰拱初支喷射厚度，保证了仰拱初支质量、施工安全及文明施工要求。②仰拱初衬背后注浆填充了喷射混凝土间隙、减小渗水量，为防水及二衬施工打好基础。③仰拱中间设置排水沟，将渗水排走，保证防水顺利施工。在EVA防水板封闭后，渗水由排水沟流走，不会因水压过大在放水后形成水囊，保证隧道净空和二衬混凝土顺利施工。④二衬施工完成后，注浆封闭防水后排水沟，减少二衬渗水。⑤此措施对工期影响小、造价低，经实际检验，土方开挖时未发生坍塌、初支质量未降低、防水施工顺利，隧道完成后渗水少，达到预期效果。

3.1计划增加临时仰拱、洞内降水

  隧道上台阶施工可保证无水作业，下台阶渗水量大、施工风险大。因此，计划在上、下台阶交界面处增加临时仰拱，并在隧道两侧增加洞内降水井。上台阶先行开挖，定时观测下台阶水位，待降水井疏干掌子面层间水后，再开挖下台阶。

  此措施可最大程度保证施工安全及洞内无水作业，但对工期影响大、造价高，因此未采取此措施。

3.2洞内真空泵降水

  为满足洞内无水作业要求，增加了洞内辅助真空降水措施。掌子面超前真空降水采用真空泵抽水，采用便携式钻机成孔，钻杆直径40mm，成孔深度6m，外插角度为150。插入土层的PVC水管直径25 mm，真空泵排水管直径600mm，正线隧道内两侧墙各放置1台。

  横通道马头门破除时即发现掌子面下台阶渗水严重，因此隧道正线开挖时立即采取真空泵降水。真空泵降水总流量1.5 m3／h，达到真空泵额定抽水能力，由于降水周期只有3d左右，掌子面渗水还是很严重，效果不显著。而且真空泵降水影响正常开挖，造成掌子面不能及时封闭，加大施工难度和风险。

3.3掌子面注浆止水

  开挖面共计进行3次注浆试验，浆液扩散半径小，窜孔现象明显，浆液沿相邻注浆管回流，无法达到注浆止水效果。在下台阶范围内、隧道两侧各打3个注浆孔，注浆孔竖向间距1m、打设深度5m、外插角度100，注入1:1水泥浆液。成孔后缓慢加压，压力<0. 5MPa时，浆液注入量非常小，每孔不到0.5 m3。压力在0.5~ 1MPa时，浆液从注浆孔和相邻注浆孔窜出，不能注入土体。

3.4降水井加密、加深

  初步分析，降水井设计间距过大、深度不够可能是造成隧道内渗、涌水的主要原因。因此，决定在试验段进行降水井加密、加深，观察降水效果。

  第1次试验段长度约40m（里程左K9 +877-左K9+912、右K9+891-右K9+918），于设计降水井中间加设l口降水井，降水井加深到隧道底板下8m（井深30m）。隧道开挖至加密区后，掌子面下台阶渗水区域降低约1m（渗水点由仰拱以上2. 3m处降至1.3m处），且渗水量减小。

  根据第1次试验结果，经讨论及改进，进行第2次降水井加密、加深试验段。试验段长度约80m(里程左K9+772-左K9+856、右K9+762-右K9 +846)，于隧道两侧设计降水井中间加设1口降水井，降水井加深到隧道底板下12m（井深34m）。成井后且刚开始抽水时，左线（平均日抽水70m3/口）日抽水量比右线（平均日抽水30m3/口）大；正常抽水40d后，出水量逐渐减少，最终稳定在平均日抽水10m3／口以内。隧道开挖进入第2次降水井加密、加深（井深34m）试验段后仅掌子面仰拱底以上0. 6m范围内存在渗水现象且渗水明显减少，掌子面东侧（靠近降水井侧）土体渗水明显小于西侧。

  通过降水井加深、加密到30，34m两次试验段内掌子面的渗水情况分析，区间暗挖通过第1次试验段时掌子面渗水高度由仰拱以上2. 3m降低到仰拱以上1. 3m范围，渗水量减小。进入第2次试验段降水井加深到34m后，掌子面渗水高度由仰拱以上1. 3m降低到仰拱以上0.6m范围内，渗水量明显减小，但渗水仍然存在，无法达到隧道内的无水作业要求。

3.5  洞内排水施工

  在洞内真空泵降水、掌子面注浆止水、降水井加密、加深效果不佳的情况下，隧道土方开挖及初衬施工只能带水作业。为了达到安全、质量、文明施工的要求，需对仰拱锚喷采取技术保证措施，并在洞内采取排水措施。

  喷射混凝土中的水泥浆成分大部分被土体中渗出的明流水带走，造成仰拱部位锚喷混凝土质量差，初支混凝土不能封闭。对仰拱锚喷层厚度由300mm增加至600mm。待初期支护全部完成后，将仰拱锚喷混凝土分段凿除、分段复喷，可以保证仰拱混凝土质量，并为防水施工创造条件。

  仰拱两侧设置排水沟（见图2），排水沟排水坡度与隧道设计坡度(6. 4%)相同，自横通道向北区段每50m设置1个集水坑，每个集水坑放置1台1. 5kW潜水泵，采用逐级接力抽水方式汇水至竖井集水坑，然后从设在竖井内的集水坑抽出经沉淀并达到市政排污标准后排入市政管网，抽排水量达3. 2m3／h。横通道向南区段，在掌子面设置水泵将掌子面底部的积水抽排至明排水沟，自流至施工竖井。

4综合控制措施

  经过多次方案、措施试验、比选，最终决定采用地面井点降水+隧道洞内明排、隧道仰拱部位增加初支保护层等综合措施。

  1)因竖井横通道处出渣、进料车辆进出频繁，只喷射C20的混凝土料强度太低，且难以清理，故对横通道进行了C25混凝土地面硬化。在横通道两侧预留排水沟，隧道内渗水通过排水沟汇人竖井内的集水坑，再用污水泵排入地面市政管道。

  2)在正线隧道开挖过程中，掌子面下台阶渗水较大，仰拱部位积水严重影响初支喷射混凝土质量和初支安全，且施工效率极低，为了保证仰拱初支喷射混凝土质量，防止拱顶下沉，施工过程中在仰拱部位喷射60cm厚C20喷射混凝土料初支保护层，隧道两侧设置明排水沟，同时在隧道掌子面使用排水泵将仰拱部位积水交替接力排出洞外。

  3)由于地下水的冲刷造成喷射混凝土中的胶凝材料流失，喷射混凝土松散、孔隙率大。当60cm厚的喷射混凝土料初支保护层凿除后，地下水仍会在仰拱及拱腰处渗出，影响下道工序施工。因此在初支仰拱内预埋注浆管，注浆管长0. 8m、环向间距1m、纵向间距1m，注1:1水泥单液浆，注浆压力0.2~0. 5MPa。由隧道上游向下游依次注浆，将渗水通道封闭。为保证注浆效果，实行单孔多次注浆。

  4)仰拱注浆减少了渗水量，但不能杜绝渗水。因此，防水层施工前，在仰拱中部增设深10cm、宽50cm的排水盲沟，盲沟内回填碎石排水，盲沟上方覆盖宽80cm、厚5mm钢板，防止盲沟内碎石破坏防水层，保证二衬防水的正常施工。二衬施工时由南邵站向昌平新区站方向浇筑，自坡度最高点向坡度低点施工，使渗出的水向坡度低的方向流。在防水施工时，埋设带法兰的注浆管（见图3），二衬结构施工后对盲沟回填注浆。浆液为水泥一水玻璃双液浆，实际注浆压力为0. 15MPa，注浆量为0.7m3／m。

  5)初支开挖过程中，由正常开挖6人／班组增加至11人／班组，加快施工工序衔接，做到“及时封闭、及时成环”，做好文明施工。

  6)加强监控量测密度及频率，以数据指导施工。初支拱顶下沉、初支净空收敛由设计的监测频率2次/d增加至4次/d。初支拱顶下沉值<20mm，地表沉降值<15mm。

  从隧道正线土方开挖至初支全部完成，仰拱部位一直带水作业，仰拱部位土体虽存在渗、涌水，但是未发生过滑坡、坍塌现象，隧道内拱顶收敛、地面沉降等监测数据在规范允许范围内，带水作业环境下隧道施工安全可控。

5  结语

  1)在裂隙发育、孔隙多的富水固结状黏土地层，降水井加深加密、洞内超前真空泵排水、掌子面注浆止水均不能达到无水施工条件，并且效率低，费用高。

2)综合考虑施工安全、费用、工期等因素，在裂隙发育、孔隙多的富水固结状黏土地层中进行暗挖隧道施工，地面井点降水+隧道洞内明排、隧道仰拱部位增加初支保护层等综合措施，暗挖带水作业也可以满足相关的安全、质量要求。

6[摘要]北京地区浅埋暗挖法隧道通常采用普通管井降水，但是对于裂隙发育的富水固结状黏土地层，由于地层中裂隙的存在，垂直渗透系数和水平渗透系数差异巨大，普通管井降水半径小、形不成漏斗效应，效果极差。需采取地面井点降水结合隧道内明排的方式，才能保证隧道开挖及初期支护的质量、安全和施工效率。