[关键词]管井 降水 湿陷性黄土 隧道施工
湿陷性黄土作为中西部地区较为常见的一种地层构造，引起自身的工程特性给地铁施工带来不少的困扰。西安地铁作为国内工程界首个在湿陷性黄土地区修建地铁的城市，地下水位较高，无疑增大了施工难度，只有先进行降水，让土体排水后再次固结，为施工创造必要的条件，从而减少施工安全风险。选取何种降水措施方式实现地下水位的降低和施工区域内土体固结，控制好降水引起的土体排水固结带来地层沉降，导致不均匀沉降的产生，从而引起地表建（构）筑物产生裂（纹）缝，损伤结构功能等不良影响，关系到地铁施工成败。西安地铁3号线延兴门站-咸宁路站暗挖区间施工中，对湿陷性黄土区域地铁降水施工工艺进行研究，采取区间两侧管井井点降水工艺，进行分段降水、超前降水，实现了无水作业环境。
1、工程概况
西安地铁3号线延兴门站～咸宁路站区间沿西安市金花南路地下布设，隧道采用马蹄型断面，线路左线长545m，右线长544m。地面车流及人流密集，道路两旁建筑物林立，管线主要沿道路中部及两旁布设。地勘资料显示中间有159m、186m2段为地裂缝处理段，区间段地形总体平坦。根据详勘阶段钻探揭露，区间沿线地层自上而下依次为第四系全新统人工填土，上更新统风积新黄土、残积古土壤，中更新统风积老黄土及残积古土壤等地层，场地地下水位埋深介于3.0-7.5m。
2、降水方案选择
由于施工所在区域为城市道路及建筑物密集区，故排水过程中无法进行相应的堆载加速固结措施，且要控制土体沉降，也不允许过大的排水固结速度。结合该地区地形特征并参考往施工时排水固结方案，选择排水降低地下水位的方法加速土体固结。
从常规的降水方案来看，施工降水的方法主要有：轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水、管井井点降水、洞内全断面注浆止水。
根据不同的降水方案的特点，从进度、造价、降水效果等方面分析如下：
地下水处理方案比较表
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西安市地铁三号线延兴门站-咸宁路站暗挖区间，竖井开挖深度17.7m，横通道15.6m，地下水位埋深3.2m，水位降深为14～16m。一道地裂缝以南水位埋深约3.7～3.9m，水位降深平均13.5～13.9m；另一道地裂缝以北水位埋深约6.6m，水位降深平均12m。
区间所在的西安区域地下水丰富，地质主要为黄土层，根据工程地质条件、水文地质条件、施工方法及基坑周边建筑物环境条件并结合以往的施工经验，本区间降水拟采用坑外管井降水。主要选择原因有以下两点：
（1）管井深层井点降水具有降水深度大、效果好、井点数量少、设备简单等特点，适用于渗透系数大的黄土层。因此洞外管井群降水方案在理论上能够达到降低地下水位的目的，实现隧道无水作业的效果。
（2）结合机械工业勘察设计研究院多年在黄土地区的降水经验及相邻建筑物降水等综合分析，管井降水在西安立丰国际购物广场（东二环店）项目应用效果良好，西安立丰国际购物广场项目总建筑面积：28.6万平方米，地下三层结构，最大开挖深度13m。
在实施的过程中，通过对降水效果的观查，发现通过调整井深和井间距及降水时间，能达到预期的降水效果，经济性也比较优越。
3、降水参数设计
地勘报告提供的渗透系数为7m/d，结合多年在黄土地区的降水经验综合分析，考虑到本区间地质条件，该区间计算时采用的综合渗透系数可按5m/d考虑。
本工点隧道和站前配线采用浅埋暗挖法施工，施工竖井及横通道兼联络通道采用明挖法施工。
根据本区间结构特征、周边建筑物情况、地层地质特点，周围水文地质条件及降深，同时结合地铁施工降水的特点，涌水量计算公式依据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307—1999）表8.5.8-1中潜水完整井基坑远离边界的计算公式：
式中：
Q—涌水量（m3/d）；
r0—基坑等效半径（m），按该规范条文说明8.5.8计算；
k—渗透系数（m/d）；
H—含水层厚度（m）；
R—影响半径（m），计算中取经验值；
S—设计水位降深（m）；
L—基坑通过含水体的长度（m） ；
B—基坑宽度（m）；
η－概化系数 ；
n-降水井个数。
根基太沙基排水固结理论：.png)
其中t是固结时间，Tv是时间因数，Cv是固结系数，H是压缩土层最远排水距离；固结时间和排水距离的平方成正比，可以通过缩短排水距离的方式有效缩短固结时间。
根据计算结果并结合该区降水经验，拟在线路上共布置降水井78口，其中施工竖井及横通道周边布置降水井12口。
施工中，严格控制降水速度，延长降水时间，使水位降落速度减缓，减小因降水引起的不均匀沉降。除此之外施工过程中需加强对周边建构筑物及管线的沉降位移观测，及时发现异常。每阶段降至阶段控制水位后应加强对周邻建筑物及管线的沉降观测，待沉降基本稳定后再进行下阶段降水。如有异常，须立即停止降水并通知设计单位。
降水井与隧道结构的布置图如下图所示：
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降水井与隧道位置图
在井点降水的过程中，会随水流带出部分细微的土粒，再加上降水后的土层的含水量降低，孔隙水压力减小，土体内部应力重新分布，土体颗粒被挤密，土层固结，而这个过程也会引起周围地表的沉降。地表沉降大致可分为分为两部分，一部分是孔隙水减少及消失引起的沉降，另一部分是土体固结及次固结产生的沉降，根据以往的经验，采用简易估算法计算沉降量。计算公式如下：
S=△P△H/E0.1-0.2
式中:S----降水引起的地表沉降值（m）
△P----降水产生的自重附加应力（kpa）
△H----降水深度（m）
E0.1-0.2----降水深度范围内土层压缩模量（kpa）
P=△H*rw/4
式中：rw----水的容重（KN/m3）
取最不利值为：△H=9m，E0.1-0.2=10.63*103 kpa，计算得到降水引起的地表最大沉降值S=18.2mm，采用数值模拟法得到的开挖引起的沉降最大约在3mm左右。设计给出的最终沉降控制值为：
（1）地面沉降30mm；
（2）建（构）筑物沉降30~50mm；
（3）地下管线差异沉降小于2‰。
通过计算分析，故该排水固结方案是可以行的。
通过后续对降水过程的监测，得到实测地表最大沉降量为12.55mm，降水引起的沉降计算值偏保守。
4、降水方案实施
降水过程中处于地下水位之下的土体，当地下水被疏干时，孔隙水压力下降，土体发生固结，受力结构得到改善，同时由于孔隙水的消失，土体固结过程中产生压缩变形，其计算公式如下：
式中，S为最终沉降量（cm）；av为压缩系数（MPa-1）；e0为孔隙比；△P为附加应力（MPa）；H为压缩层厚度（cm）。
从公式中可以得出，沉降量与附加应力成正比，附加应力与水位下降深度有关。因此，降水时应分阶段进行，以控制水位降落曲线，使之平缓下降，从而减小土体不均匀沉降量。
根据降水深度要求和周边建筑物及管线情况，将本场地水位下降分三阶段控制，第一阶段降5m，第二阶段再降5m～6m，第三阶段降至设计要求水位。每阶段降至阶段控制水位后应加强对周邻建筑物及管线的沉降观测，待沉降基本稳定后再进行下阶段降水。
5、变形监测
监测目的：控制延兴门站～咸宁路站区间水位降落引起的地面附加沉降。
监测内容：降水井周围100m范围内的建筑及构筑物，在建筑及构筑物角点设置沉降观测点，每个建筑物不少于4各点。沉降监测基准点应放在影响半径R以外。
监测频次：监测项目在抽水前应测得初始值，且不应少于两次。水位下降至设计深度期间每天观测一次，此后至停止降水前每周观测两次。
监测预警值：地面沉降变形最大值30mm，预警值20mm；建筑物不均匀沉降控制值为0.2%；管线沉降变形控制值为10～30mm。
变形监测由有监测资质的监测单位独立进行，每次监测完毕提交中间资料。有异常情况（沉降加速）或监测达到预警值时立即上报各单位，停止降水，加强监测，待沉降稳定且无异常后方可继续降水。监测完毕提供完整的变形监测报告。
6、降水效果
通过管井井点降水方案的实施，现场降水效果良好，降水井内动水位及施工范围内的土体固结情况均达到预期要求，实现了黄土地区地铁隧道无水作用。
降水后的隧道黄土样本
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正洞上台阶施工实现无水作业
管井井点降水方案，最终达到了预期的降水及排水固结的目的，也满足了工期的要求，费用方面较轻型井点、电渗井点及洞内全断面注浆均有较为明显的优势，在饱和软黄土地基的排水固结中发挥了较好的作用，
7、结语
黄土地质下的浅埋暗挖隧道施工成功与否的关键在于地下水的处理，延咸区间隧道施工降水证明，在降水参数合理的情况下，开放式的管井降水在饱和软黄土层、古土壤层能够达到很好的降水效果，使土体较快实现排水固结。同时通过对降水速度的控制可以实现对地表不均匀沉降的减弱，从而保证临近构筑物的安全。为类似地质条件下的地铁隧道施工提供了良好的参考和借鉴。
参考文献
1.陕西省建设厅主管，陕西省建筑科学研究院主办《陕西建筑》。
2.刘国彬，王卫东《基坑工程手册》；中国建筑工业出版社，2009。
3.姚天强，石振华《基坑工程手册》；中国建筑工业出版社，2013。
4.国家质量技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307—1999）。
5.GB50205—2001,钢结构工程施工质量验收规范[S]
论文作者:丁超
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年3期
论文发表时间:2020/4/3
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