沈阳市文安路地下过街通道施工降水方案.docx
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沈阳市文安路地下过街通道施工降水方案
沈阳市文安路地下过街通道施工降水方案
王立川袁星星赵岗领
北京中铁隧建筑有限公司
一、概况
1．工程概况
文安路地下过街通道位于沈阳市青年大街与文安路交叉口处，南距浑河约500m，周围高楼大厦林立，路面交通繁忙。
通道全长106m，净宽4m，装修后净高大于2.65m，为无盖敞口出入口设计，出入口梯道坡度为1：
2，梯道中间设置0.4m的自行车坡道；主通道暗挖长50.02m，覆土厚3.96m，断面为直墙拱形断面，开挖断面为4.54（h）×5.54（b）m，出入口为箱形结构采用明挖法施工。
该工程施工期为2004年3月12日～2004年8月11日。
2．水文地质概况
工程场区处于浑河北岸的冲洪积阶地上，勘察报告表明从上至下依次为杂填土、圆砾、砾砂、圆砾层。
⑴水位埋深h0=5.5～5.7m，该地下水类型为潜水，受大气降水影响，丰水期时水位有所抬升，抬升幅度约为1～2m。
⑵地层土渗透系数如表1。
地层土渗透性表表1
岩土名称
渗透系数K（m/d）
透水性类别
圆砾
100
强透水
砾砂
100
强透水
圆砾
150
强透水
⑶水平基床系数垂直基床系数，静止侧压力系数各指标参考值详见表2。
静止侧压力系数表表2
岩土名称
水平基床系数（Mpa/m）
垂直基床系数Kv
静止侧压力系数K0及泊松比μ
经验值
经验值
经验值K0
经验值μ
圆砾
45
50
0.39
0.28
砾砂
45
50
0.39
0.28
圆砾
50
60
0.37
0.27
3．静水位、工程结构、动水位之间的关系如图1。
4．设计降水方案
设计采用辐射井降水，在暗挖通道东西两端，距离通道结构外4.0m共施工四口φ2.5m辐射井；然后在辐射井内，暗挖通道底板下1.5m标高处沿通道方向施作两层渗水钢管，渗水钢管内径为10cm，钢管上开孔3.0mm，间距10cm，梅花型布置。
原设计方案见图2。
图1静水位、工程结构、动水位关系图
图2辐射井降水图
二、施工降水方案的摸索、试验与确定
1．对设计方案的缺点与风险的看法
从揭露的水文地质资料可知，地下水位较高，且地层为强透水层，地下水补给较快。
而辐射井下部约7m位于地下水位之下，其下部的施作必然是带水作业，势必增加排水设备等其它的投入，同时流砂现象的发生概率高，对控制周围建筑物的沉降可能造成极大的困难，而且井下施作渗水钢管难度极大。
在这种情况下辐射井基本不可能成功实施，对工期也造成一定影响。
而辐射井适合的地层为粘性土、砂土、砾砂，渗透系数为0.1～20m/d，但该处地层渗水系数为100～150m/天，可见本工程的地质条件不适合。
本工程水文地质适宜管井降水。
在第一次工地会议上，项目部就提出了原设计降水方案的施工风险乃至不可实施性，但考虑业主和设计单位不可能立即认同常规的管井降水，于是陈述了类似工程“负压真空降水”的成功经验（但项目部对此仍存有疑义），真空降水适合粘性土、粉质粘土、砂土、渗透系数为0.1～20m/d的地层。
经过多次协商及会议，项目部建议采取管井降水，并明确提出结合施工方法逐步取得试验数据后再确定最终方案，得到与会各方的初步认可。
2．试验井及其初步数据
竖井施工和暗挖通道上半断面开挖初支的同时，2004年4月4日在暗挖通道东西两侧竖井附近施做了两眼试验井，井深16m，井径500mm，管径300mm，井管由钢筋笼竹片骨架构成，外缠裹尼龙网两层，滤料为中粗砂卵石。
两井间距42m，位于通道中线南侧，距离结构线2m。
成井过程中未发现粘土（即隔水层）。
试验井洗井后，在东西竖井、暗挖通道上半断面中部分别布置了观察孔，观察孔采用L=3.0mφ42的钢导管，管壁上开孔，孔径5mm，间距10cm，梅花型布置。
2004年4月24日～26日，采用80m3/h的水泵进行降水试验，整个降水试验历时37h，大致分为三个阶段：
第一阶段：
开始的7h，水位持续下降阶段，水位降15cm；
第二阶段：
第7h～第29h（23h）,水位维持平衡阶段，水位降0cm；该阶段第16h曾出现间歇性停水，停泵20分钟后，继续降水，未再出现间歇性停水；
第三阶段：
最后8h，水位反弹阶段，水位恢复到初始值。
降水试验表明：
采用80m3/h的水泵进行降水不能满足施工要求，同时得到水力坡度约为3.6‰，水的流向为从西南向东北方向流动。
2005年我司在附近的沈阳国贸过街道的施工中，因附近50～200m内有高层建筑基坑降水而幸免降水两次得到印证（过街道开挖底板与高层建筑底板标高相差约1.5m）。
3．第三方方案
第一次降水失败后，4月27日～4月29日，业主和沈阳地铁公司的领导非常关注并给予很大的帮助。
此后邀请某专业公司到现场进行了调研，在了解有关水文地质参数后，该公司提出管井降水方案：
共布置8眼井，间距45m，距离结构边线5m，井深22～25m，井径800mm，管径500mm。
必须至少在青年大街中间施作2眼降水井（见图3）。
该方案侧重于探索沈阳地铁降水参数，实际施作受供电和青年大街交通因素多，因而不具可实施性被否定。
4．经咨询而确定的最终方案
在认真整理降水试验的资料和参考第三方降水方案后，于5月2日向业主驻地工程师和监理工程师作专题汇报时提出了项目部酝酿已久的“大管井群降，小管井辅助”的降水方案，具体参数尚不能完全确定。
认真研讨最终同意群井降水方案，原则上设6眼，井深23～26m，井径800mm，管径500mm。
图3第三方降水方案
①根据《建筑施工手册》（缩印第二版）中无压非完整井的降水出水量计算公式可知：
Q=1.366K（2H-S）S/（lgR-lgr0）
R=1.95S
式中：
K——垂直渗透系数m/d，取150m/d；
S——基坑设计水位降深（通道基坑处）（m）,取2.33m；
r0——基坑范围内的引用半径（m），取30m；
R——影响半径（m）；
L——过滤管进水部分长度（m），取11.m；
H——潜水含水层有效带厚度（m），系经验数值，由于S/（S+l）值为0.17，故：
H=1.3×（S+L）=1.3×（2.33+11.35）=17.78m
R=1.95×2.33×=235m
Q=[1.366×150×（2×17.33-2.33）×2.33]÷（lg235-lg30）=17747m3/d
②降水井出水能力按下式计算，
q=65πdl
式中:
q——管井出水能力（m3/d）；
d——过滤器外径（m），取0.5m；
l——过滤器长度（m），取11m。
q=65×π×500×11.35=6156m3/d
需管井个数n＝17747÷6156≈3,井点备用系数取1.1，则理论需要4眼井。
③因该层地层渗透系数大，降水漏斗坡度小，半径大，管井布置理论上较自由。
根据水泵外型尺寸和功率因素未必匹配，故按井眼数不小于3，每天总抽水量不小于17747mm3进行井位布置和水泵选型。
根据供电和水泵外型尺寸选用250QJ210-21/（产地：
山西运城解州）；其单台泵每天排水量为
210（m3/H）×24（H）×0.78=3931m3/d
所需泵（井）数量为：
1.1×17747÷3931=1.1×4.5≈5（台）
由此知，该方案无整机备用，风险很大。
但我们惧重研究了以下因素后决定执行此方案。
a．供电负荷不富余；
b．由于水泵扬程富余近50%，经多方案询厂家和专家知水泵效率应在0.85～0.95之间,故单泵排水量约为4500m3/d；
c．必要时可启动原试验井甚至在基坑内明排辅助降水。
④实施方案
考虑东侧泵房的降水需要和场地因素后，决定在东、西侧分别设置3眼、2眼，井径800mm、管径500mm的井，并配置250QJ210-21/1水泵，抽排降水分别入城市排污系统，另在主通道轴线上基本均布设三个观察孔，以便于观测和动态调整降水过程。
（图4）
5．实施方案的效果预测
⑴鉴于该地层为强透水，降水漏斗坡率很小，则在一定范围内降水井位的布置对降水效果影响不大，即三个观测孔在降水稳定时高程差异不大。
⑵由于水泵扬程富余而转换的流量影响可能比较大，若出水效率为90%，则单泵流量达4500m3/d以上，估计4台泵即可满足降水要求。
⑶位于东出入口的泵房结构均底于通道底板1.3m，若降水能满足无水施工则按常规方法施工，从降水试验而知的漏斗半径和水力坡度预测，应早做泵房进行水下砼施工的研究与预案。
6．总体施工顺序（方法）的调整
应因降水方案的摸索过程和可能遇到困难，结合地下静水位高程，我们自主将上下半断面平行施工方法调整为全通道上半断面先通法，上半断面底板高程与静水位基本持平。
这样既创造了摸索降水方案的时间和空间，又最大限度地缩短持续降水时间和降水总量。
图4实施降水方案
三、相关记录与实施效果
2004年5月2日～19日，相继施工并安装了5眼降水井并陆续投入使用，自5月8日第一台投入使用至7月12日停止降水其历时66天。
1．主要记录及其统计整理资料
⑴降水观察统计表（摘要）
序号
观测时间
观测孔累计水位降（cm）
设备运行情况
备注
1
2
3
1
5月8日8：
00
50
52
50
1＃井运行。
水位下降明显
2
5月9日8：
00
51
53
51
1＃井运行
水位下降不明显
3
5月16日8：
00
112
107
109
1＃井运行
水位下降不明显
4
5月16日16：
00
131
107
109
1＃、2＃井运行
水位下降明显
5
5月17日8：
30
131
119
121
1＃、2＃井运行
水位下降明显
6
5月17日20：
00
152
140
144
1＃、2＃、4＃井运行
7
5月18日14：
30
192
163
149
1＃、2＃、4＃井运行
8
5月19日8：
30
165
185
168
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
9
5月19日19：
30
173
194
184
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
10
5月20日18：
30
172
211
164
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
11
5月21日1：
30
197
215
164
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
13
5月21日17：
00
187
222
164
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
14
5月22日13：
10
162
191
154
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
11:
30～12:
40停电。
15
5月22日19：
30
188
211
159
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
16
5月23日19：
30
195
211
164
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
17
5月24日7：
30
195
210
170
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
水位基本稳定
18
5月24日23：
00
201
216
172
1＃、2＃、3＃、4＃井运行
水位基本稳定
此后水位稳定，只进行观测，至7月12日停止降水。
1号观测孔初始水位标高为35.79m，2号观测孔初始水位标高为36.08m，3号观测孔初始水位标高为35.87m。
⑵各观测孔水位变化拟合曲线
1号观测孔水位变化曲线图
2号观测孔水位变化曲线图
3号观测孔水位变化曲线图
⑶地下水位与结构底板与降水的相互关系
通道初始水位线
1＃泵运行24h通道纵向水位线
1#、2#泵运行24h通道纵向水位线
1＃、2＃泵运行同时，稳定后水位线
1＃、2＃、3＃、4＃泵同时运行24h后水位线
４台泵同时运行稳定后的水位线
2．相关说明
⑴由于竖井底板低于通道底板，5月17日、19日两竖井封底施工时，分别增设两台80m3/h的潜水泵进行不连续的基坑明排辅助降水，基本保证了竖井封底的无水施工。
⑵经同时运行5台泵降水，发现水位降低并不明显，施工时放弃了东侧竖井内的泵房无水施工，采用了水下砼施工方式完成了泵房圬工施作，但砼自防水效果并不理想，随后进行了两次堵漏，才达到防水要求。
⑶4台泵已基本满足降水要求，考虑水泵可能发生故障以及市政排水管路是否畅通和供电负荷的因素，仍然按5眼井施工，并将5#井为备用和4#井的切换井。
拟进行泵房施工时，曾同时运行5#井，但由于无明显效果而关闭，因此降水期间4#、5#井一直切换使用。
当然也很庆幸，降水期间5台泵均未发生故障。
3．效果描述和浅析
⑴从统计数据知水泵运行从一台逐渐增至四台，水位降至通道开挖底最大值39cm，最小值18cm。
虽然未达到规范50cm要求，但由于圆砾地层中水的毛细现象不明显，还是满足了通道下半断面开挖支护无水化作业要求；
⑵最终水位表明：
3＃测点水位降最大、1＃测点水位降最小，水位线为向3＃测点减大的近似直线，证明3＃测点一侧的排水量大于1＃测点一侧的排水量；
⑶基坑（竖井）内明排，对水位降有一定的影响；
⑷降水期间通道中心线的水位线为凹抛物线形，并非一般的凸抛物线形，表明降水过程中个别区域的水量补给不是一致的；
⑸管井数量富余，布置不合理，整个降水期间5管井同时运行极短；1＃、2＃管井间距较小，4＃、5#管井利用率为50％；
⑹停电对水位降影响较大，恢复通电72h后的降水水位与停电前的水位基本一致，表明地下水丰富、补给快。
4．降水施工管理介绍
⑴降水井水泵电路按东西两个区独立供电，东工区3眼井采用同一电路，西工区2眼井为同一电路；
⑵沿通道中部施做一组三个观测孔，观测孔采用φ42L=3.0m钢管，并在钢管上开φ10孔，孔间距10cm；并在降水前统一观测常水位，降水过程中按时观测三个孔内水位；
⑶降水过程中做好地表建筑物的沉降观测；
⑷在水位未达到设计降水水位以前，每天观测2次水位、水量；
⑸排水：
1#、2#井从东竖井西侧污水井排走，3#井直接从东侧围挡雨水井处排放；4#井通过水箱排放至污水井，5#井从水井排放，排放前必须检查管路的畅通；
⑹降水期间对抽水设备和运转状况进行维护检查，每天检查不少于2次，并观测记录水泵的工作压力、电流、电压、出水等情况，发现问题及时处理，使抽水设备始终处在正常运行状态。
同时注意保护井口，防止杂物掉入井内，经常检查排水管（沟）的入水口，防止渗漏和堵塞。
5．缺陷
⑴1＃、2＃两井间距布置不合理，对水位降影响不够，同时不能影响漏斗半径；
⑵密集的管井降水对周围的建筑影响较大；降水期间，曾出现局部地面骤降达51mm的现象。
6．成本介绍
该次降水（不含试验阶段）的主要成本投入如下：
①降水井建井费（委外）19000元×5=95000元；
②管线配置费（3800+2000+800）×5=33000元；
③泵管安装15个工日，兼职管理66×2=132个工日，合计工费为147×80=11760元；
④电费74200×0.75=55650元。
合计成本19.5万元
四、小结
1．在无隔水层而引起的滞水存赋的强透水地层中，浅埋结构在降水深度和水位降深不大的情况下，集中管井降水基本可以满足施工需要；但由于降水漏斗半径大，随着水位降深的加大，降水出水量会大幅度增加，且有地面沉降不易控制的缺陷。
2．水泵的出水量并非标定值与扬程富余程度关联。
五、借鉴与建议
1．由于样本代表性的局限，本工程的降水方案对沈阳地铁的施工降水不具备普遍参考性，但由此对沈阳地铁降水应具有一定的借鉴作用。
2．由于地铁结构底板一般位于地面下14～25m之间，而沈阳城区地下静水位多在3.5～5.0m之间，同时离浑河越远隔水层存赋的概率会骤然增加，承压水存赋的概率随之增加，承压水的降水难度和风险更大；另外，局部滞水对施工的负面影响更大。
若采用类似的管井群降水，一是降水出水量非常巨大，其经济性值得推敲；二是大量大面积抽排地下水对日益严重的城市地下水环境的影响应充分评估；三是可能引起地表沉降和对建筑物的影响应予科学、全面的研究和预测。
3．鉴于以上因素对沈阳地铁施工降水提出如下建议
①单一管井降水可能可行但不可取，至少不宜全面采用，仅适应超浅埋地段；
②对一般浅埋地段根据地下水情况，可采取深管井与自渗井联合降水，深管井与盲管联合降水，浅管井与洞内水平、垂直井点结合降水进行试验；
③区间隧道以无需降水的盾构施工为上策，不宜采用须降、堵水的浅埋暗挖法；
④车站施工则应探索采用桩和（或）帷幕并结合结构下方的首层隔水层形成相对封闭的降水区域。
⑤由于地铁建设规模大，施工降排水量可观，在适宜增加投资情况下，采取降排水与回灌结合的方案，可达到：
保护水资源，减少水资源浪费；防止地面沉降，保护地下管线安全、地面建筑物稳定。
六、结论
本文通过粗浅探索过街道降水方案进而联想到沈阳地铁的降水困难和风险并非杞人忧天。
衷心恳请沈阳地铁的决策者以科学和求实为原则，抱着对环境、社会负责的宗旨，为沈阳地下水资源的可持续与利用，为子孙后代留下宝贵的地下水资源。
参考文献
1.中华人民共和国行业标准，JQJ/T111-98，建筑与市政降水工程技术规范，北京：
中国建筑工业出版社，1999
2.建筑施工手册（缩印第二版）。
北京：
中国建筑工业出版社，2002
3.铁道第三勘察设计院，沈阳市文安路地下过街道工程施工图，天津，2004
作者简介：
王立川，（1965年9月生，河南孟州市人，1988年毕业于长沙铁道学院）北京中铁隧建筑有限公司总工程师，高级工程师，长期从事铁路、公路、水利、市政的隧道和地下工程及地质灾害防治工作的技术、技术管理、项目管理工作。
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