地铁暗挖隧道洞内大口径降水井施工方法与流程
本发明属于地铁施工领域，具体涉及一种地铁暗挖隧道洞内大口径降水井施工方法。
背景技术：
城市地铁建设，往往需穿越政治敏感区、经济繁华区等特殊区域，在此类区域内修建地铁，为减小施工对政治、经济活动的影响，多采用暗挖法施工。地铁暗挖工程施工要求无水作业，因此，施工前采用降水井对地下水进行疏干。现有降水井施工方法，自地表向下钻孔成井，在一些特殊区域，受地面环境影响，无条件在地表进行降水井施工。
例如甘家口站～玉渊潭东门站区间全长705.6米，采用矿山法施工。隧道穿越地层主要为砂卵石、砾岩、粉细砂，开挖范围内存在一层层间水。设计采用管井降水，在隧道两侧各设置一排井径273mm，管径200mm的管井进行降水，降水井间距6m。隧道开挖后，l1竖井、横通道及两侧范围掌子面地下水大，虽采取了明排、注浆、真空泵抽水等措施，但得不到有效治理，开挖过程中多次出现涌水涌砂，甚至在2015年4月4日造成一定险情，经抢险处理后，对该范围暗挖工程进行了停工并制定地下水治理方案。针对该范围地下水，进行了全断面帷幕注浆止水试验及洞内水平旋喷桩试验，均未成功。
技术实现要素：
本发明为了解决城市地铁开挖过程中，因地面环境制约，无条件在地表进行降水井施工，导致开挖掌子面渗水，影响暗挖工程施工的问题，进而提供了一种地铁暗挖隧道洞内大口径降水井施工方法。
本发明采用如下技术方案：
一种地铁暗挖隧道洞内大口径降水井施工方法，通过先开挖一条平行于暗挖隧道的降水导洞，并在导洞内施工大口径降水井，然后利用排水管路、洞内集水箱、地面集水坑将降水井内的积水最终排至雨水管，实现掌子面无渗水的隧道暗挖施工。
具体施工过程如下：
施工新增横通道：破除地铁原横通道端头的封端墙，朝地下水来源方向开挖新增横通道；
施工降水导洞：在新增横通道内向两侧开挖降水导洞，所述降水导洞平行地铁隧道正线设置并位于地下水来源方向；
施工降水井：采用反循环成井工艺在降水导洞内施工若干口降水井；
排水：在降水导洞内设置集水箱，集水箱内设置水泵，各降水井连接至集水箱，集水箱内的水依次通过新增横通道、原横通道、竖井最终排至地面集水坑，并通过集水坑排至雨水管。
开挖新增横通道之前，对拱顶进行深孔注浆，破除原横通道封端墙后采用台阶法开挖；竖井内搭设用于吊运钻机的中转平台，并采用碗扣脚手架加固原横通道的横隔板，所述中转平台采用扣件脚手架。
所述降水导洞与地铁隧道正线之间的距离（即图1中的l1）由地下水位和新增横通道的坡度综合确定，降水导洞设于地下水位1.5米以上，同时新增横通道的坡度不超过16°，实际施工时还应综合考虑周边环境等限制条件，一般新增横通道的优选坡度不超过13°。
所述降水井沿降水导洞纵向方向均布设置，降水井之间的间距不小于4m，降水井直径不小于800mm，井深至少伸入至基岩面以下5m。
所述降水导洞的拱顶净高不小于4.6m，净宽不小于4m，以满足钻机施工作业净空要求。
所述降水井的施工地层为大粒径砂卵石、砾岩时，采用适用于该地层的kyz10-150型反循环钻机。
本发明是针对地下水产生原因进行分析后，采用以降为主的施工方案，即在暗挖洞内打设大口径降水井的方案。通过对钻机合理选型（采用kyz10-150型反循环钻机）、结合钻机及相关条件对导洞进行设置、利用竖井、通道空间制定钻机吊运方案、最后进行洞内降水井施工并抽水，抽水后暗挖封闭掌子面预留泄水管水量减少极其明显，大部分泄水管由原来满管水变为无水，少量泄水管有少量流水，最终降水效果良好，使得该范围暗挖工程得以正常进行。开挖过程中，掌子面除了少量渗水外，地下水对暗挖工程基本无影响。同时，利用降水导洞和降水井对暗挖工程降水，可避免在地面开挖垂直降水井，能适用于城市等特殊区域的暗挖施工。
附图说明
图1、为导洞降水方案示意图；
图2、为原竖井横通道及新增横通道的相对位置关系；
图3、4为新增横通道平面图、纵剖面图；
图5、6分别为新增横通道的a7-a7、a8-a8断面图；
图7导洞平面位置示意图；
图8、9为降水导洞横剖面示意图；
图10为钻机吊装验算示意图（吊装状态一）；
图11为钻机吊装验算示意图（吊装状态二）；
图12为降水井施工工艺流程图；
图中：1-左线隧道、2-右线隧道、3-原降水井、4-降水导洞、5-降水井、6-雨水管、7-竖井、8-原横通道、10-新增横通道、11-封端墙、l1-降水导洞与地铁正线之间的距离、l2-原横通道长度段、l3-新增横通道长度段。
具体实施方式
以甘家口站～玉渊潭东门站区间地铁施工为例，对本发明的具体实施方式作进一步说明：
1、工程简介
甘家口站～玉渊潭东门站区间全长705.6米，区间左线标准断面为单洞双线断面，右线标准断面为单洞单线断面，在区间两端各设有一段交叉渡线，共9种断面形式，分别采用台阶法、crd法、双侧壁导坑法开挖。区间隧道穿越地层主要为砂卵石、砾岩、粉细砂，开挖范围内存在一层层间水。设计采用管井降水，在隧道两侧各设置一排井径273mm，管径200mm的管井进行降水，降水井间距6m。
2、施工存在问题及分析
区间开挖后，在各暗挖掌子面均出现地下水，对施工造成极大影响，尤其以区间l1竖井、横通道及两侧范围严重。针对暗挖掌子面地下水，采取了明排、注浆、真空泵抽水、洞内疏干井等措施，有效解决了部分掌子面地下水，但区间l1竖井两侧范围地下水量大，以上措施均得不到有效治理，开挖过程中多次出现涌水涌砂，甚至在2015年4月4日造成一定险情，经抢险处理后，对该范围暗挖工程进行了停工并制定地下水治理方案。针对该范围地下水，进行了全断面帷幕注浆止水试验及洞内水平旋喷桩试验，均未成功。
结合周边环境、地质条件、降水井设计及施工情况、开挖过程中水量方向等，对l1竖井两侧范围内地下水进行分析如下：
3、解决方案
针对该范围地下水大原因及以往采取措施效果，制定以降为主的思路。最终提出，开挖一条降水导洞，并在导洞内施工大口径降水井的方案。
洞内降水方案
1、方案整体思路
根据地下水流方向，在区间隧道西侧开挖一条平行正线的降水导洞，在降水导洞内施工大口径降水井，进行抽水。方案示意见图1。
2、降水导洞
降水导洞尺寸需结合钻机作业空间进行确定，经多方考察，最终选择适合在大粒径砂卵石、砾岩地层作业的kyz10-150型反循环钻机。结合该钻机作业时尺寸，确定降水导洞净宽4m，拱顶高度4.6m。降水导洞平面位置结合区间隧道、原降水井及地表环境进行确定，最终将导洞设置在原降水井以外，并避开雨水方管，设置于银杏大道下方。导洞开挖长度结合正线隧道地下水水量大范围，并适当延长外包。
在原横通道端头破除封端墙，向西开挖新增横通道，横通道底板进行挑高，避开含水地层。通道净宽4m，拱顶高度3.5～6.42mm，通道总长24.544m，埋深16.1m，拱顶采用深孔注浆。新增通道与原横通道相对位置关系见图2，新增通道平面图及纵剖面图见图3、4，横剖面见图5、6。
在新增通道内向南北两侧开挖降水导洞，降水导洞净宽4m，拱顶高度4.6m，北侧导洞总长143.8m，南侧导洞总长71.8m，埋深17.6m，导洞拱顶采用小导管注浆，其中下穿钓鱼台国宾馆门口段采用深孔注浆。新增通道与原横通道相对位置关系见图2。导洞平面位置及其与现有降水井、区间正线平面位置关系见图7，导洞横剖面见图8、9。
在新增通道内向南北两侧开挖降水导洞，降水导洞净宽4m，拱顶高度4.6m，北侧导洞总长143.8m，南侧导洞总长71.8m，埋深17.6m，导洞拱顶采用小导管注浆，其中下穿钓鱼台国宾馆门口段采用深孔注浆。
3、洞内降水井
在新增降水导洞内施工降水井，降水井成井采用反循环工艺成井。
管井技术参数见表一，管井结构图见图8，抽水井泵型见表二。
表一管井技术参数表
方案实施
1、导洞开挖
先开挖新增横通道，开挖前对拱顶进行深孔注浆，破除原横通道封端墙并采用台阶法开挖。新增通道开挖完成后，破除一侧导洞马头门并开挖，成环15m后开挖另一侧。
2、钻机吊运
由于钻机在横通道第一层导洞内进洞，因此需在竖井内搭设中转平台，便于钻机吊运，同时，考虑钻机重量大，在通道横隔板行走时荷载大，因此对通道横隔板进行加固。中转平台采用扣件脚手架搭设，通道横隔板采用碗扣脚手架加固。
中转平台支架采用扣件脚手架，脚手架立杆间距分别为600mm、900mm，横杆步距600mm，脚手架四面设置竖向剪刀撑、底层和顶层水平杆设置水平剪刀撑，水平杆端头设置顶托，在竖井侧壁处顶紧。脚手架顶部u型顶托上放置i18工字钢背楞，间距600mm，背楞上满铺50mm厚木板，及10mm厚钢板，钢板表面与通道横隔板表面位于同一平面。
通道横隔板采用碗扣脚手架加固，脚手架立杆纵向间距900mm，横向间距600mm，横杆步距600mm，顶部采用u型顶托及方木顶紧横隔板下表面。通道支架与竖井支架利用通道水平杆纵向连接，通道支架底板不同标高处增加纵向水平杆采用扣件连接。
kyz10-150型钻机是由1行走链轨底盘、2固定机架、3活动机架、4主架翻转油缸、5主架、6、泥浆泵马达、7减速箱、8钻杆马达、9泥浆泵、10机油冷却器、11水环真空泵、12液压油箱、13柱塞液压泵、14电机、15双联齿轮液压泵、16钻杆液压升降机构等主要部件组成。钻机运输状态尺寸为5930（长）×2300（宽）×2740（高）mm，工作状态尺寸为5930×2300×4350mm，总重14t。
吊运前对钻机进行拆解，拆解分为4个部分，主要系统为底盘系统及动力头系统，拆解后各部件参数见表三。
表三钻机拆解部件参数表
钻机吊运采用现有竖井桥式起重机，按照拆解后各部件分别吊运至竖井内，通过横通道运输至组装部位。结合拆解部件参数，主要为底盘系统及动力头系统吊运。底盘吊装利用钻机底盘自带吊钩，前端吊钩采用龙门吊5t钩，后端吊钩采用龙门吊10t钩，5t吊钩和10t吊钩配合吊装，钻机在吊装过程中处于倾斜状态，见图10吊装状态一。动力头及其他构件采用10t吊钩进行吊装。
底盘吊运至横通道部位时，利用吊钩将底盘调整至水平，见图11吊装状态二。钻机接通电源，移动至横通道内。动力头系统吊装前，将预先制作好的简易平板车吊运至平台，并将动力头部分吊运至竖井底部的平板车上。利用钻机动力将竖井内平板车及动力头部分拖拽至横通道与降水导洞交叉洞口处。在吊运过程中，不得对吊在空中的物体拖拉斜吊。
钻机组装前将双层通道横降水导洞马头门范围内隔板破除，并在拱脚设置工字钢对撑代替，满足钻机组装空间需求。
钻机底盘开至通道端头处时，拐入降水导洞内，并将装在动力头的平板车拖至通道端头。采用工字钢门架提升动力头，门架设置吊环并安装4个3t导链，利用导链将动力头系统提升，然后将底盘开到动力头系统下方。利用导链下放动力头系统，完成钻机骨架组装。其他构件同样采用导链组装。
钻机组装完成后，开动至降水导洞内，进行降水井施工。
降水井施工完成后，将钻机开至横通道端头，利用吊环、导链将钻机拆解，然后运至中转平台，利用桥式起重机将钻机吊出。具体方法同上述内容。
a、吊装过程受力验算
根据钻机自身特点，钻机重心基本位于中心位置，因此按照重心位于中心位置进行验算。后端10t钩钢丝绳受力为f1，竖向分力为f1-1，水平分力为f1-2，钢丝绳竖向夹角为α；前端5t钩钢丝绳受力为f2，竖向分力为f2-1，水平分力为f2-2，钢丝绳竖向夹角为β；钻机自重为g。
钻机在竖井内吊装基本处于状态一姿态，当到达中转平台处时，由姿态一（图10）逐渐调整到姿态二（图11）位置，其中姿态二基本为最不利状态。验算只考了吊钩下主钢丝绳受力，不考虑吊点与主钢丝绳之间钢丝绳分支受力。
钻机吊装时钻机重力主要由钢丝绳竖向分力抵消，即：f1-1+f2-1=g。
另，钻机处于平衡状态竖直下放时，重心位置不动，以重心为轴心，前后端钢丝绳力矩相等，即：f1-1*l1=f2-1*l2
根据钢丝绳竖向分力可计算出钢丝绳受力，从而判断是否安全。
1、姿态一受力验算
f1*cos6.3+f2*cos3=8.9
f1*cos6.3*779=f2*cos3*1697
计算得：f1=6.13t，f2=2.80t。
b、姿态二受力验算
f1*cos6.3+f2*cos3=8.9
f1*cos6.3*779=f2*cos3*1697
计算得：f1=5.00t，f2=3.97t。
10t钩钢丝绳受力f1最大5t，5t钩钢丝绳受力最大3.97t，因此吊装过程受力符合要求。
3、降水井施工
降水井施工工艺流程见图12。
洞内降水井开口段利用人工挖孔护壁做为钻进护筒，护壁的厚度15cm,深度1.8m，开口段直径0.9m，高度与导洞底板平齐。孔位经测量放样后做好保护，施工过程中加强保护。按照测量点位用风镐以降水井中心为圆心破除导洞底板初支结构混凝土，破除半径为650mm。不影响钻孔的格栅纵筋尽量保留不切断，采用4根的φ25环形钢筋（分为上下两层）搭接焊成环，与底板格栅纵筋点焊牢固，环形钢筋焊接牢固后采用c20混凝土浇筑。
待混凝土强度达到设计要求后开始人工开挖。深度为1.8m的护壁分两节开挖，每节深度0.9m，护壁每挖完一段后要立即采用人工浇筑、人工捣实浇筑混凝土。护壁混凝土采用c20混凝土，厚度15cm，上下两段护壁之间搭接5cm，确保孔壁的稳定性。
反循环钻机成孔时先向孔内输入一定数量的泥浆后，启动砂石泵，待反循环正常后，才能开动钻机慢速回转下放钻头：开始钻进时，应轻压慢转，待钻头正常工作后，可逐渐加大转速，调整钻压，使钻头吸口不产生堵水。开始钻进时，进尺应适当控制，在护筒刃脚处，应低档慢速钻进，使刃脚处有坚固的泥浆扩壁。钻至刃脚下1米后可按土质情况以正常速度钻进。
钻进时认真仔细观察进尺和砂石泵排除渣的情况；排量减少或出水中含渣量较多时，应控制钻进速度，防止因循环液比重太大而中断反循环。
加接钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底20cm左右，维持冲洗液循环1～2分钟，以清洗孔底并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆。钻杆连接应拧紧上牢，防止螺栓、螺母、拧卸工具等掉入孔内。
钻进时如孔内出现坍孔、涌砂等异常情况，应立即将钻具提离孔底，控制泵量，保持冲洗液循环，吸除坍落物和涌砂；同时向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以抵制继续涌砂和坍孔，恢复钻进后，泵排量不宜过大以防吸坍孔壁。
在钻进过程中，要作好泥浆的维护管理，每半小时测一次泥浆的粘度和相对密度，根据泥浆成分的变化作出相应的处理措施。
a、降水井成孔采用泥浆扩壁施工。根据本工程地质情况，选用优质粘土造浆，必要时再掺入适量蒙脱石含量高的膨润土或naco3纯碱等外加剂。
b、泥浆的调制：泥浆制备在沉淀池内进行，制浆前先将粘土或膨润土块打碎，使其在搅拌中易于成浆，缩短搅拌时间，提高泥浆质量。制浆采用机械搅拌。搅拌时，先将定量的水加入沉淀池内，然后慢慢地加入与水量相应的粘土或膨润土，并开动机器搅拌，成浆后，将泥浆置于泥浆池内。
c、泥浆控制指标
表四泥浆控制指标
表五卵石地层泥浆配比
钻孔至设计深度以下0.5m左右，将钻具提出孔外，然后用清水继续操作替换泥浆，直到泥浆粘度小于20秒为止，泥浆置换时送水管要下入距离孔底0.5米左右，以保证将浓泥浆返出孔内，确保洗井质量和降水井的出水量。
降水井井管为φ325mm桥式滤水管，底部2m作为沉淀用。对于井管管身必须进行外包100目的密目网，且保证无遗漏部分。在混凝土预制托底上入置井管，四周栓10号铁丝，缓缓下放，当管口与井口相差200mm时，接上节井管，接头处用玻璃丝布密封，以免挤入混砂淤塞井管，竖向用4条30mm宽竹条固定井管。为防止上下节错位，在下管前将井管依方向立直。吊放井管要垂直，并保持在井孔中心，为防止泥砂或异物流入井中，井管要高出地面200mm，井口加盖。
井管下入后立即填入滤料。滤料采用有一定磨圆度的石子砾料，粒径为3～7mm，含泥量≤3%，滤料沿井孔四周均匀填入，宜保持连续，将泥浆挤出井孔。填滤料时，应随填随测滤料填入高度，当填入量与理论计算量不一致时，及时查找原因，不得用装载机直接填料，应用铁锹下料，以防不均匀或冲击井壁。
为防止泥浆及洞内污水流入井内，井口应高于导洞底板50cm左右，并将管外用粘性土夯实。
洗井应在下管填砾料后8h内进行，采用分段隔离塞和空压机联合洗井，含水层下半部重点洗井，洗井必须洗到水清砂净为止。
根据井出水量情况选用适合的潜水泵抽水，用绝缘尼龙绳或铁丝吊放至井底2.0m处，铺设电缆和电闸箱，安装漏电保护系统。
4、排水管布设及抽水
降水井施工完成后，在洞内焊接6m*3.5m*2m水箱，作为洞内集水箱。每个降水井排水管通过导洞侧壁敷设至集水箱内，并对出水口及井位进行编号，以便后期检查。集水箱内设置5台63方管道泵，将集水箱内水抽至地面集水坑，并排至雨水管。
联网抽降后应视水位变化情况，有效的合理的启动水泵。定期观测水位情况，用调整泵高度来控制降深，至达到降水要求。
抽水开始时要测定其出水的含沙量，确保满足设计及规范要求，当含沙量稳定后便不再进行测定。如果含沙量超出规范要求，要及时查明原因，采取相应措施进行处理。
四、实施效果
在洞内大口径降水井施工完成并抽水后，洞内集水箱4台63方水泵不间断抽水，日出水量达到6000方。暗挖封闭掌子面预留泄水管水量减少极其明显，大部分泄水管由原来满管水变为无水，少量泄水管有少量流水。结合此种情况，对该范围暗挖工程重新进行施工，开挖过程中，大部分掌子面可以达到无水作业，个别部位有少量渗水，效果极其明显。
该技术的应用，彻底根治了甘玉区间l1竖井两侧正线隧道范围内地下水。使得停工一年多的部位得以正常施工，开挖过程中除少量渗水外，地下水对暗挖工程基本无影响，确保了该段暗挖工程及周边环境的安全。得到了北京市重大项目办公室、质量监督总站、业主、设计、监理等参建单位的一致认可，取得了良好的社会效益。
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