暗挖隧道施工很难完全做到无水作业, 尤其是在疏干含水层降水条件下经常遇到采取管井降水措施, 或隧道内全断面注浆止水措施, 仍达不到预期效果等现实问题。已经投入运行的北京地铁昌平线二期工程昌平新区站—南邵站暗挖区段, 穿越裂隙、孔洞发育的固结状黏土层, 地下水丰富, 局部具有微承压性, 土体水平渗透系数与纵向渗透系数相差25倍以上。施工中通过管井降水和洞内疏排的综合措施保证了初支开挖安全质量、工期及造价;并通过预埋注浆管多次、多点、多次补注浆、调整二衬浇筑顺序、增设排水盲沟等一系列措施保证了二衬结构的质量, 近600m的隧道没有渗漏点, 二衬混凝土密实、光亮。

北京地铁昌平线昌平新区站—南邵站暗挖区段为双线单洞隧道, 马蹄形断面, 开挖面积35.4m², 长度557.8m, 埋深11.4~17.6m, 台阶法开挖。隧道自南邵站最高点向区间风井向下敷设, 纵向坡度为6.4‰, 区间风井与废水泵房合建, 区间隧道中部设1座暗挖施工竖井, 向两端开挖。

隧道结构为复合式衬砌, 初衬支护为25cm厚C20喷射混凝土、钢格栅 (间距0.5m) , 二次衬砌为模筑30cm厚C40P10抗渗混凝土, 防水层为EVA防水板。超前小导管为直径32mm、壁厚3.25mm、长度2.5m的无缝钢管 (环向间距0.3m, 每2榀格栅打设, 搭接长度1.5m) , 初期支护背后采用无收缩水泥浆液注浆回填 (见图1) 。

隧道所在地区属于山前洪冲积平原, 表层地层分布为东沙河一级阶地、古河道及漫滩, 表层为黏性土、砂土及碎石类土交互地层, 侏罗纪凝灰岩基岩。受钻孔取芯地质勘察方式工艺自身限制, 实际开挖揭示地层情况与地质勘察资料描述情况差异较大, 其原因可能是钻孔取出的土体裂隙被泥浆封堵、覆盖, 无法辨识。

根据地质勘察资料描述, 隧道穿越的地层主要为粉质黏土 (6) 层、粉质黏土 (8) 层, 渗透系数0.04m/d, 局部穿越细中砂 (6) ₃层和强风化凝灰质砾岩 (14) ₁层, 围岩等级为VI级, 主要物理参数如表1所示。存在2层地下水, 潜水 (二) 水头位于地表下9.62~15.30m, 在隧道开挖线上3.3m至开挖面下0.9m;承压水 (三) 水头位于地表下11.70~12.80m, 高于隧道开挖面底部约1.8m。

隧道开挖后, 现场取样显示隧道穿越的地层主要为“硬塑”~“坚硬”状态固结黏土, 自稳定性较好, 但是土体中竖向裂隙、孔洞发育, 横向裂隙较少, 且局部有卵石交互层。经土工试验检测, 土体垂直方向上渗透系数1.01m/d, 水平方向上渗透系数0.04m/d, 水平向与垂直向渗透系数相差25倍以上, 各向异性问题十分突出, 地面管井降水难以形成较大范围的降水漏斗。隧道开挖后, 底部开挖线以上约2.8m范围内有大量明流水从土体中不规则分布的孔洞、裂隙中涌出, 渗漏水严重。

根据隧道开挖前的地质勘察资料, 在施工竖井向北, 里程K9+593—K9+943区段, 共设降水井101口, 井深26.0m, 间距7.0~8.0m;在施工竖井向南, 里程K9+943—K10+150区段, 共设降水井42口, 井深23.0m, 间距8.0m;井底低于隧道开挖下线2.3~7.2m。

1) 隧道初支开始过程中, 下台阶大部分为粉质黏土 (8) 层, 局部为粉质黏土 (6) 层;粉质黏土 (8) 层土体强风化, 孔隙多, 竖向裂隙发育, 横向裂隙较少。隧道开挖后, 粉质黏土 (8) 层中的潜水和微承压水通过裂隙渗入掌子面, 隧道开挖下线以上2.8m范围内的掌子面上渗水、涌水量2~3m³/h, 开挖面附近大量积水, 隧道仰拱初衬混凝土无法达到设计强度, 较为松散。

2) 隧道初衬混凝土封闭成环后, 隧道仰拱和仰拱以上2.5m左右范围侧壁上有大量不规则分布的明流水渗水点。初衬中的水泥颗粒被土层中渗出明流水冲刷流失, 强度大幅降低, 呈松散状态, 隧道内的运输车辆碾压后很快剥落, 仰拱部位格栅钢筋外露, 仰拱受力状况严重受损, 施工风险增高。

2013年12月10日现场统计数据显示, 施工竖井内汇集抽排水量高达39.4m³/h。隧道初衬完成长度与横通道内4个马头门处汇集渗水量与统计分别是, 左线向北隧道初支开挖完成212m, 开挖面及初衬上的渗水量合计28.9m³/h;左线向南隧道初衬开挖完成175m, 开挖面及初衬上的渗水量合计5.6m³/h;右线向北隧道初支开挖完成167m, 开挖面及初衬上的渗水量合计3.7m³/h;右线向南隧道初衬开挖完成193m, 掌子面及初衬上的渗水量合计1.2m³/h。

3) 隧道开挖时, 开挖下来的渣土与开挖面底部的积水混在一起, 只能用人工装渣。起初使用小型挖掘机装渣, 因土体与泥水混合, 碾压、搅合不可避免, 装渣后, 隧道仰拱上残留大量淤泥, 人工清理, 费时费力, 工效很低, 后改为人工装渣。

4) 二衬施工前必须采取初衬止水、排水措施, 否则, 直接铺设EVA防水层, 防水层后会形成大量水囊空鼓, 仰拱部位防水板上浮。二衬混凝土浇筑时, 水囊空鼓处的防水层很容易被挤破, 失去防水效果。透过防水层渗入二衬混凝土中的水会稀释混凝土, 改变混凝土配合比, 使二衬混凝土结构强度和耐久性降低。

根据暗挖施工竖井和横通道开挖后揭示的工程地质情况, 结合建设、设计、监理、勘察、施工五方现场会及多次专家咨询会意见, 在开挖掌子面上先后进行了渗水断面注浆止水试验、超前真空降水试验和地表降水井加深、加密试验等, 力求达到无水开挖, 但是效果不甚理想, 试验情况大致如下。

在掌子面下台阶隧道两侧各打设3~4个超前注浆孔, 环向间距1m, 打设深度6m, 外插角度8°~10°, 插入注浆花管, 封闭孔口后, 注入水泥浆, 浆液水灰质量比1∶1。注浆压力<0.5MPa时, 浆液注入率较低, 每孔进浆量0.5m³左右;注浆压力>0.5MPa时, 注入的浆液从相邻注浆孔及孔口窜出, 而没有渗入土体内将裂隙、孔洞封死, 起不到止水效果。先后进行了3个循环的掌子面超前注浆止水试验, 浆液注入率较低, 串孔、回流明显, 止水效果较差;并且每个注浆循环需要1~2个工作日, 周期较长。

正线隧道开挖时采取了开挖面下台阶超前真空降水试验, 利用真空泵形成负压抽水。坑道钻机成孔, 孔径40mm, 孔深6m, 环向间距1m, 外插角10°~15°, 内置直径25mm的PVC抽水花管, 隧道初衬两侧墙各放置1台真空泵。单台真空泵额定排水流量30m³/h, 额定功率5.5k W, 工作液流量8.3L/min。由于超前真空抽水花管每个循环成孔深6m, 交叉2m, 正常开挖情况下, 排水时间约3个工作日, 开挖面下台阶依然存在大量渗水点, 疏水效果较差。另外, 开挖面附近布设的真空泵和超前抽水花管影响初衬喷射混凝土施工, 造成初衬不能快速封闭成环, 加大了施工风险, 降低了施工效率。

根据现场开挖情况, 隧道上台阶基本无残留地下水, 下台阶渗水量大, 可在上下台阶交界面处增加临时仰拱, 上台阶先行开挖, 用作真空泵超前降水施工导洞, 在导洞两侧增加洞内降水井, 如图2所示, 待下台阶土层内的地下水疏干后再进行开挖。此措施保证开挖面无水作业, 但是, 由于增加了临时仰拱, 二衬施工前需要破除, 造价高, 工期长;并且, 初衬封闭成环后, 真空泵停止抽排, 地下水位回升, 初衬渗水问题依然存在, 因此未采取此种措施。

根据五方会议和专家咨询意见, 降水井间距过大、深度不够也可能造成隧道内渗水。结合现场条件, 选取试验段进行了地面降水井加密、加深试验。通过降水井加深到30m (隧道底板以下约8m) 、深度34m (隧道底板以下约12m) , 井距加密到3~4m两个区段。通过开挖面及隧道初衬的渗水状况观察、分析, 开挖到井深30m试验段, 开挖面渗水线高度从仰拱以上2.3m降低到1.2m;进入井深34m试验段, 开挖面渗水线高度从仰拱以上1.3m降低到0.6~0.8m, 开挖面渗水量减小, 但仍存在明流渗水, 达不到无水作业条件, 并且已经封闭成环的初衬上仍有大量明流渗水点。

通过现场试验情况和沉降观测数据分析, 尽管开挖面注浆止水、超前真空降水、降水井加密、加深试验均未达到预期效果, 初衬施工带水作业, 但是拱顶下沉及地表沉降数值安全可控, 只是带水作业工效低、环境差。为了达到安全、质量可控、施工高效、成本较低的目的, 经分析比较, 最终决定采用地面降水井继续抽排, 增加隧道洞内明排、隧道初衬仰拱部位增加保护层、增加仰拱及拱腰初衬壁后注浆措施、自高点向低点依次浇筑隧道二衬、隧道初衬底部增设排水盲沟、二衬施工完成后注浆回填盲沟、增加初衬开挖工效、增加监控量测频率等综合措施, 具体如下。

1) 地面降水井继续抽排, 隧道内仰拱部位增加初衬保护层, 保护初衬, 利于隧道内施工车辆行走;沿初衬保护层两侧留设临时明排水沟 (见图3) , 排水沟坡度与隧道坡度一致。施工竖井向北, 里程K9+593—K9+943区段为反向坡, 开挖面低, 横通道高, 隧道内的积水无法自流至横通道;每50m设置1个积水坑, 放置1台1.5k W水泵, 采用逐级接力抽水方式将开挖面和初衬上渗出的地下水抽排至竖井内的集水坑, 临时明排水沟平面布置如图4所示。施工竖井向南, 里程K9+943—K10+150区段, 为顺坡, 开挖面高, 横通道低, 隧道内积水可以自流至施工竖井内的集水坑;然后集中抽排至地面沉淀池, 沉淀达标后排入市政管网。

在区间正线隧道开挖过程中, 开挖面下台阶渗水较大, 隧道仰拱部位喷射混凝土中的水泥胶凝材料部分被土体中渗出的明流水带走, 配合比改变, 凝固后呈松散离散状态, 在出渣、进料车辆的碾压下很容易剥落, 造成仰拱部位格栅钢筋外露, 仰拱受力状况较差, 存在拱顶沉降的风险;并且外露的格栅钢筋很容易扎破运输车辆轮胎。在隧道仰拱部位增加初支保护层, 既可改善仰拱受力状况, 又可避免格栅外露, 改善出渣、进料车辆行车条件。增加初支保护层后, 仰拱喷射混凝土层厚度由300mm增加至600mm, 分2次喷射完成。第1次喷射仍为设计初衬厚度, 快速封闭成环;第2次喷射在第1次喷射混凝土凝固, 滞后开挖面5m左右, 清理干净隧道仰拱部浮渣之后进行。二衬施工前, 将仰拱部位初支保护层喷射混凝土分段凿除、分段复喷、抹面, 留设排水盲沟, 为防水层铺设创造条件。

2) 因横通道处出渣、进料车辆集中, 喷射混凝土表面不平整, 泥土遗撒后难以清理, 故用C30混凝土硬化横通道路面, 两侧留设排水明沟, 横通道排水明沟断面如图5所示。隧道内积水通过排水沟汇入竖井内的集水坑, 再集中抽排至地面沉淀池, 沉淀达标后排入市政管道。

3) 仰拱及拱腰初衬壁后注浆措施。隧道二衬结构施工时, 隧道仰拱及拱腰部位初衬上渗出的明流水严重影响防水层铺设施工, 因此, 将仰拱部位初衬保护层喷射混凝土分段凿除、分段复喷, 抹面, 并在初衬仰拱渗水范围内埋设注浆管 (埋设方式与拱顶初衬壁厚回填注浆管类似) , 注浆管长0.8m、环向间距1~1.5m、纵向间距1m, 梅花状布置, 注入1∶1水泥单液浆 (局部渗水严重部位注入水泥-水玻璃双液浆或聚氨酯) , 注浆控制压力0.2MPa, 多点多次注浆, 保证注浆效果, 隧道初支仰拱堵水注浆管位置横断面如图6所示。二衬防水层铺设前由隧道最高点向最低点依次分段注浆, 将地下水挤出、疏排。由于浆液四处窜流, 并从初衬混凝土中渗出, 注浆压力不能太高, 以阻断初衬上的明流渗流水通道为主要目的。

4) 凿除仰拱部位初衬保护层后, 隧道底部增设10cm (深) ×50cm (宽) 的排水盲沟 (见图7) 。仰拱及拱腰初衬壁后注浆可以阻断大部分明流漏水点, 但是初衬洇湿渗水无法避免;因此, 凿除仰拱部位初衬保护层后, 隧道底部增设排水盲沟。盲沟内回填碎石, 之后覆盖宽80cm、厚5mm钢板, 避免浇筑二衬混凝土时挤破防水板。

5) 二衬浇筑自南邵站向区间风井方向依次分段进行, 自坡度最高点向坡度低点施工, 利于隧道初衬上渗出的水挤出疏排。在隧道二衬底部增加埋设带法兰的注浆管, 二衬结构达到强度后, 自坡度最高点向坡度低点对盲沟分段回填注浆, 回填注浆多点多次补注, 确保饱满。首次注浆为水泥-水玻璃双液浆, 补注浆采用单液水泥浆。施工中, 注浆压力参考二衬壁后注浆参数, 控制压力为0.2MPa, 多点多次补注浆。经统计, 盲沟回填注浆量平均为每延米隧道0.7m³。

6) 初支开挖过程中, 不使用挖掘机装渣, 增加人工, 缩短装渣、清理及其他工序衔接时间, 做到“初衬早成环”, 开挖面整洁。增加初衬拱顶下沉、净空收敛监测频率, 信息化施工。

通过上述系列综合控制措施, 保证了隧道初支开挖安全、工期、成本和二衬结构质量。隧道初衬开挖过程中, 开挖面下台阶一直带水作业;封闭成环后的初衬仰拱及侧壁下半部分存在大量不规则分布明流渗水点, 但是未发生过开挖面失稳现象。隧道初衬拱顶下沉量<20mm, 地表沉降值<15mm, 开挖过程安全可控。隧道二衬结构质量良好, 混凝土密实、光亮, 近600m的隧道基本没有渗漏点。

工程造价控制良好, 一系列综合措施增加的费用较隧道内全断面注浆止水的费用每延米低约2 400元, 该暗挖区间费用约220万元。

1) 在竖向裂隙、孔洞发育的富水固结状黏土地层进行暗挖施工, 因含水土层渗透系数各向异性严重, 地表降水井降水、隧道内真空泵超前疏水、开挖面超前注浆止水等措施疏水、止水效果均达不到预期效果, 仍需带水作业, 且工效较低、成本较高。

2) 在竖向裂隙、孔洞发育的富水固结状黏土地层进行暗挖施工, 通过采取地面井点降水+隧道内明排疏水、隧道初衬仰拱部位增加保护层及壁后注浆止水、增设排水盲沟、盲沟回填注浆等综合措施, 能够满足施工安全、质量、成本和工效要求。