王范区间盾构接收降水施工方案.docx
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王范区间盾构接收降水施工方案
武汉市轨道交通三号线土建工程第十标段
王～范区间盾构接收降水施工方案
编制：
日期：
审核：
日期：
批准：
日期：
中铁一局集团有限公司
武汉市轨道交通三号线土建工程第十标段项目经理部
二0一二年十二月
王～范区间盾构接收降水施工方案
一、编制依据
1.1武汉市轨道交通三号线土建工程第十标段施工承包合同、招标文件及招标图纸及地质勘查报告、业主提供的各参考资料及补遗书等
1.2国家标准《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）；
1.3国家标准《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）；
1.4国家标准《供水管井技术规范》（GB50296-99）；
1.5行业标准《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98）；
1.6湖北省地方标准《深基坑工程技术规定》（DB42/159-2004）；
1.7《基坑降水手册》
二、工程概况
王～范区间里程范围为右DK16+550.461～右DK17+256.00，右线全长705.539m；隧道埋深8.8～18.8m，线间距14～15.5m，区间共设2个半径R=400m的曲线，最大纵坡为15.79‰，最小坡度为2‰。
区间在右DK16+900.00里程处设置一个联络通道。
王～范区间盾构机由王家墩北站始发向范湖站掘进，在范湖站到达接收。
图2.1-1王～范区间平面布置示意图
三、工程地质及水文地质
3.1地质条件
王～范区间隧道穿越的地层为（3-4）粉质粘土夹粉土、（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂互层、（4-1）粉细砂层；底板位于（4-1）层，局部位于（3-5）层，地层比例见图3.1-1。
同时根据现有招标资料来看（3-4）、（3-5）地层有可能含有可燃的有害气体（瓦斯）。
图3.1-1王～范区间盾构穿越土层比例图
本场地内所涉及的地层特征及分布见表3.1-1，场地土层的物理力学性质见表3.1-2～3。
表3.1-1地层特征及分布表
土层层号
土层名称
土层描述
（1-1）
杂填土
杂色，湿～饱和，高压缩性，由粘性土与砖块、碎石、块石、片石、炉渣等建筑及生活垃圾混合而成（局部地表有15～30cm厚的砼地坪）。
该层土结构不均、土质松散，层厚0.40～7.1m，I区普遍分布。
（3-2）
粘土
褐黄色，稍湿，可塑状态，中压缩性，含氧化铁，铁锰质结核及少量高岭土，无摇振反应，光滑，干强度高，韧性高。
其厚度1.1～5.9m，埋深0.4～6.8m。
（3-3）
淤泥质粉质粘土
灰～褐灰色，饱和，流塑状态，高压缩性，含有机质、腐植物及少量云母片，无摇振反应，稍有光滑，干强度中等，韧性高。
该层在一、二级阶地过渡区（井南路以南一带）厚度较大，最大厚度达27.9m。
其一般厚度1.5～7.5m，埋深2.2～10.0m。
（3-4）
粉质粘土夹粉土
灰～褐灰色，饱和，软塑状态，中~高压缩性，粉土呈稍密状态，厚0.1～0.5m，含有机质，腐植物。
其厚度0.7～8.6m，埋深5.0～12.0m。
此地层可能含有可燃的有害气体（瓦斯）。
（3-5）
粉质粘土与粉土、粉砂互层
灰～灰褐色，湿~饱和，稍密状态、粉质粘土呈软塑状态，中~高压缩性。
互层单层厚度0.1～0.5m，局部达1.0~2.0m，厚度2.3～9.5m，埋深6.7～17.0m。
此地层可能含有可燃的有害气体（瓦斯）。
（4-1）
粉细砂
灰色～青灰色，饱和，稍密~中密状态，中压缩性，含云母片、长石、石英等矿物，夹薄层粉质粘土（呈软塑状态）透镱体。
其厚度3.5~14.3m，埋深10.8~22.8m。
（4-2）
细砂
灰～青灰色，饱和，中密状态，中~低压缩性，含云母、长石、石英等矿物，夹粉土、粉质粘土（局部呈透镜体分布）。
厚度6.2~31.7m，埋深21.0~32.6m。
表3.1-2岩土物理力学性质表
（一）
地层
代号
岩土名称
标贯或动探试验
静力触探
综合取值
基本承载力
（kPa）
（击）
（kPa）
（MPa）
Ps
（MPa）
（kPa）
（MPa）
（kPa）
（MPa）
（3-1）
粘土
0.7
80
4.0
93
4.0
140
（3-2）
粘土
4.9
118
7.5
1.1
110
5.5
115
6.0
160
（3-3）
淤泥质粉质粘土
1.9
50
3.5
0.45
55
3.0
55
3.0
80
（3-4）
粉质粘土夹粉土
5.9
（3.7）
85
（95）
5.0
（5.0）
1.6
（0.7）
102
（80）
7.0
（4.0）
85
4.5
105
（3-5）
粉砂夹粉土
9.9
140
12.5
3.7
（2.2）
124
（118）
11.0
（8.5）
120
8.5
160
（4-1）
粉细砂
16.7
187
16.0
5.1
152
13.0
155
14.0
150
（4-1a）
粉质粘土
0.75
85
4.0
85
4.0
105
（4-2）
粉细砂
27.1
238
22.0
7.9
208
19.0
210
20.0
200
表3.1-3岩土物理力学性质表
（二）
地层代号
及名称
天然重度
r（kN/m3）
粘聚力
C（kPa）
内摩擦角
φ（度）
水平渗透系数
K（cm/s）
（3-1）粘土
18.4
16
7
5.7×10-7
（3-2）粘土
18.6
22
12
5.7×10-7
（3-3）淤泥质粉质粘土
17.7
11
5
4.4×10-7
（3-4）粉质粘土夹粉土
17.9
14
12
4.2×10-5
（3-5）粉砂夹粉土
17.9
10
22
6.5×10-4
（4-1）粉细砂
18.9
0
30
1.8×10-2
（4-1a）粉质粘土
18.5
15
7
7.2×10-6
（4-2）细砂
19.1
0
33
9.6×10-3
3.2水文地质条件
本标段沿线地下水主要类型有上层滞水、潜水及承压水，上述几类地下水中，以长江和汉江两岸I级阶地覆盖层中孔隙承压水对拟建工程的影响最为突出。
1、上部滞水主要分布于沿线人工填土层中或浅部暗埋原沟塘处，主要接受地表排水与大气降水的补给，另外老城区中较早的污水管渠及供水管的渗漏亦是其重要的补给源，上层滞水因其含水层物质成份、密实度、透水性、厚度等不均一性而导致水量大小不一，水位不连续，无统一自由水面等特征，勘察期间测得上层滞水水位埋深0.8～3.2m。
2、潜水主要分为两类：
一类为长江、汉江两岸漫滩或一级阶地上浅部的粉土、砂土层中，主要接受地表排水与大气降水补给，其次接受地表水体的侧向补给，另一类为地表水系周边杂填土层中的潜水，当河流湖泊周围有较厚的杂填土时，而上述水系常年水位高于填土层底板时，填土层潜水有充足的补给源，其水位一般情况下随河湖涨落而变化。
3、承压水在主要赋存于本标段全新统粉质粘土、粉土、粉砂互层、砂土及砂卵石层中，含水层厚度一般为20～40m，含水层渗透性一般随深度递增，承压水测压水位绝对标高一般为15.0～20.0m（黄海高程），与长江、汉江水有密切水力联系，呈压力传导互补关系，勘察测得I级阶地承压水水位标高为18.2～18.5m。
3.3工程及水文地质条件评价
（1）场地内（3-3）层和（3-4）层易发生软土剪切破坏而产生深层滑动，抗剪强度低，区间隧道位于软土中，隧道底板为软基，工程运营过程中车辆震动有可能产生震陷，隧道施工时易发生塑性破坏增加隧道衬砌的难度，区间隧道顶板有较厚软土可能使地表沉陷值增大。
（2）区间隧道穿越（3-5）粉土、粉砂互层、（4-1）粉细砂层时，因透水性强，在一定的动水压力作用下易产生坍塌、管涌等现象，可能导致掘进面的不稳定；且上述土层推进阻力较大、具有承压性，在掘进过程中易发生承压水突涌。
（3）盾构穿越的（3-4）层粉质粘土以及（3-5）层砂土互层可能含有可燃的有害气体（瓦斯），盾构施工过程中需要采取必要的预防措施来保证施工的安全。
（4）根据初勘进行了水质分析成果：
工程沿线场地地下水对混凝土结构大部分地段呈微腐蚀性、局部具有弱～中等腐蚀性；在长期浸水状态下对钢筋混凝土结构中钢筋呈微腐蚀性，在干湿交替状态下对钢筋混凝土结构中钢筋大部分呈微腐蚀性、局部具有弱腐蚀性。
四、设计思路及方案比选
4.1设计思路
武汉市轨道交通三号线盾构到达范湖站时，洞底深度在24.7m，洞门破除时，为避免流水、涌砂险情，需将水头降低至洞底以下1m（即水头需降低至25.7m），设计方案设置降水管井进行疏干降水。
4.2完整井降水与非完整井降水技术的比选
针对基坑坑底下部含水层中的承压水，可采取深井管井降水或中深井降水技术抽排地下水以降低地下水压力水头。
根据我公司类似地层进行的深井完整井抽水试验结果可知，若采用深井完整井，单井抽排水量虽大，但单井的降深能力小，水位降深难以达到设计要求且降水运行不经济，结合我公司在武汉地区、长江沿岸地区超深基坑工程的施工降水经验，本次基坑降水设计拟采用中深井降水技术进行降水。
五、基坑涌水量预测及降水设计
5.1基坑涌水量预测
5.1.1基坑抗突涌分析
武汉市轨道交通三号线盾构到达范湖站需将水头分别低至自然地面以下25.7m（场地标高在21.5m左右），本次设计时忽略坑底各土层的粘聚力及其抗剪强度对抗渗透有利的影响，将其作为安全储备。
需要布置中深降水井进行疏干降水。
5.1.2基坑涌水量计算
中深井降水基坑出水量计算可根据地下水类型、补给条件，降水井的完整性以及基坑面积、形状、降水深度、布井方式等因素，综合选择计算公式来进行计算。
本次降水设计采用疏干降水思路进行降水设计，承压水初始水头取11.5m（根据目前现场实测水位，自然地面以下12.5m），设计目标动水位标高分别取-4.2m，出水量计算采用每点均能降至设计深度的方式进行计算。
出水量按“大井”法承压完整井公式计算：
Q=2.73kMS
（lgR0-lg
）
式
-
降水出水量（
）；
—
导水系数，按降水经验，取k=20m/d；
M
—
含水层厚度，取M=35m；
—
基坑中心水位降，按上述抗突涌验算，取S=15.7m；
—
降水期间影响半径，取R=250m；
—
大井园概化半径，取
=22m。
计算结果：
Q=26318
5.1.3降水井数量计算及布置
根据水文地质勘察结果，取干扰井群单井出水量q=1920m3/d，则需降水井数量为：
根据水文地质勘察结果，取干扰井群单井出水量根据公式计算
q=
式中q—管井出水能力（m3/d）；
d—过滤器外径（mm）；
α′—与含水层渗透系数有关经验系数；
′—过滤器淹没段长度（m）；
（d=300mm；α′=50；
′=14.0m）
q=2016m3/d，单井实际出水量取1920m3/d是合理可靠的，则需降水井数量为：
N=Q/q*1.1（安全系数）15口
经优化布置，天汉降水软件模拟计算后，实际只需要13口降水井就能将场地承压水降低至自然地面以下25.7m（标高为-4.2m）本次未专门设置水位观测井，部分降水井兼作观测井。
降水井布置时应避开地下构筑物，在正式施工前应对井位进行核对，井位可在一定范围内调整，降水井具体布置见降水井平面布置图。
5.2降水井结构设计
降水井井身结构系依据降水地段地质岩性构成、水文地质条件、钻孔工艺、施工要求及有关规范规定设计。
管井深度与过滤管安装深度以开采含水层（段）的埋深、厚度、渗透性、富水性及其出水能力等因素来综合确定，经场地岩土工程和水文地质专门勘察表明：
埋藏基坑坑底下面的下部承压含水层，以下部砂层为主要取水层，井底不宜揭穿该层。
其孔径和井管管径则按反滤层厚度，排水含砂量要求及安泵深度，泵型决定，综合考虑上述因素，降水井结构设计如下：
5.2.1钻孔
井深可根据以下公式确定：
式中Hw—降水井深度（m）；
Hw1——基坑深度（m）；
Hw2—降水水位距离基坑底要求的深度（m）；
Hw3—
为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10~1/15；
=为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的1/2（m）；
Hw4—降水期间的地下水位变幅（m）；
Hw5—降水井过滤器工作长度；
Hw6—沉砂管长度（m）。
（Hw1=24.7m；Hw2=1.0m；Hw3=可忽略不计；Hw4=3m；Hw5=15.0m；Hw6=未取）
经计算降水井深度为43.7m，综合考虑其它因素，降水井实际深度为40.0m。
降水井钻探井径600mm。
5.2.2井管
降水井管全部采用钢质焊管，其中井壁管长度为25m，壁厚3mm，过滤管长度为15m，壁厚3mm，管径300mm。
井口根据现场实际情况高于或低于自然地面0.3m。
5.2.3填砾与管外封闭
自井底至井深15.0m的承压含水层深度段环填硅质圆砾，以形成良好的人工反滤层，在井口至井深15.0m段环填粘土球以进行管外封填。
降水井结构详见附图。
六、降水预测及降水动态控制
6.1降水水位预测
降水期间，坑内外任意点处的水位降可视为群井在该点水位降叠加，并以此预测降水水位。
水位降预测采用公式为：
：
—
基坑内、外任意距离处水位降（m）；
—
渗透系数，（m/d）；
—
含水层概化厚度（m）
—
基坑排水量，
；
—
降水期间影响半径，（m）；
—
任意点距抽水井的距离（m）。
其计算结果详见水位降幅等值线图，满足设计水位降25.7m要求。
6.2降水动态控制
根据公式
，的计算结果来确定是否启动降水井以及启动降水井的数量，根据施工进度和施工期间长江水位及场地地下水渗流情况，对降水井运行情况进行动态控制，需开启的降水井编号及降水井数量由设计代表会同现场技术负责人计算确定，以确保降水经济运行且有助于保护周边环境。
6.3基坑降水对周边环境影响的预测及评价
从理论讲，基坑降水时，抽降水引起地面沉降影响范围就是抽水水位下降漏斗的范围，并具有离基坑愈近水位降愈大，影响地面沉降愈大的特点。
抽降地下水引起地面沉降原因是：
由于降低承压水水位使上覆盖层浮托力降低，产生自重排水固结压密引起地面沉降；在上部弱透水层中，因地下水水位下降或被疏干，也产生土体自重排水固结压密而引起地面沉降；另外，承压水水位降低后，土体产生的附加有效应力，扣除含水层中水压降低引起的减压后而对其下卧层固结压密引起沉降。
根据武汉地区基坑降水引起基坑周边地面沉降的监测数据表明，在距基坑周边10倍于水位下降值范围处，其沉降量仅为最大沉降量的45%，而相当于30倍水位下降值范围处，其沉降量仅为最大沉降量的12%左右，根据地面沉降等值线图，其最大沉降约48mm，其不均匀沉降率＜1‰，因此对于基坑开挖附近的桩基础建筑物，降水所产生的沉降对其影响较小；但对于浅基础的建（构）筑物来说，降水会对其产生不同程度的影响，但只要降水井的出水含沙量控制好，抽排水量的顺序组织合理，亦不致危害这些建（构）筑物的安全使用。
为安全起见，在降水运行前，应在地面和建（构）筑物布置沉降观测点，在降水运行期间加强沉降监测，及时反馈沉降信息，采取预防应急措施，以确保建（构）筑物的安全。
6.4地面沉降计算预测值
本工程降水属于减压降水，承压水位下降引起的地面沉降可由以下数学公式计算预测。
—
水位下降引起的地面沉降（mm）；
—
经验系数（与水压力的减压回弹和压缩模量取值有关），取0.2～0.5。
—
水位下降引起的各计算分层有效应力增量（kPa）;
—
受降水影响地层的分层厚度（cm）;
—
计算分层数；
—
各分层的压缩模量（kPa）。
经天汉软件对地面沉降模拟计算，其地面沉降预测值详见地面沉降等值线图；
七、降水井施工
7.1降水井施工要求
按《供水管井技术规范》（GB50296—99）规定及设计要求进行施工；
7.2钻探
钻机安装平稳，确保钻孔圆正、垂直、孔斜不得超过1.5°。
为提高钻探进尺和成孔质量，钻探采用清水冲击钻探成孔工艺，并应符合下列要求：
保证孔壁的稳定；
减少对含水层渗透性和水质的影响；
提高钻进效率，减少孔底沉渣厚度。
7.3井（孔）管安装
井（孔）管安装前，应做好下列准备工作：
根据井（孔）管的结构设计，进行配管；
检查井（孔）管质量，并应符合设计要求；
下管前，测量孔深，使井（孔）管安装符合设计要求。
为减少井（孔）管安装时间，应先在附近地面将每节井（孔）过滤器包扎好，，然后用吊车吊装，在孔口再次焊接入孔。
为确保井（孔）管在入孔后位于钻孔中心，使井（孔）管与孔壁间的环形间距厚度均匀，在过滤器与花管部分，每间隔5m，在上部无孔管部分每间隔10m设置扶中器。
7.4填砾与管外封闭
井（孔）管安装并符合设计要求后，及时进行填砾，填砾前应做好下列准备工作：
向井管内送入清水，使孔内泥浆稀释；
砾料粒径规格符合设计要求，砾料应纯净，不含泥土和杂物；
备足砾料和粘土，使之能一次填筑完成。
备好填料运输工具，尽可能缩短填筑时间。
填砾时，砾料应沿井（孔）管四周均匀连续填入，随填随测。
当发现填入量及深度与计算有较大出入时，应及时找出原因并排除。
砾料填筑到设计深度后，再填入粘土球（填入高度5.0m左右），最后填粘土至孔口，并将孔口粘土夯实。
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