何帅 李扬 赵雪松 郭德勇 王彦波
北京市市政三建设工程有限责任公司 北京 100022
摘要：随着城市高速发展，地面建筑物、构筑物逐渐增多，以及地下管线日渐增加，埋深较浅电力、电信管线，热力、煤气管线，给水、雨、污水管线等占据大部分较浅地层，因此往后城市较深竖井施工逐渐成为主流趋势。但大部分较深竖井都会遇到地下水情况，所以如何在较深竖井施工过程中保障井壁的稳定性以及地下水处理的问题，是以后较深竖井施工的重难点。竖井施工中常采用的工法俗称倒挂井壁法，也叫逆做法，也属于浅埋暗挖法。
关键词：较深竖井；浅埋暗挖；钢格栅锚喷支护；锚杆支护；地下水
1 工程概况
本工程为新建电力隧道，其中竖井采用倒挂井壁法进行施工，竖井净空尺寸为Φ5.2m，竖井较深达到24m且所处地层地下水较丰富。
2 地质情况
对于普遍的电力隧道竖井基本深度在5m～15m期间，而本工程竖井设计深度达到24.15m，属于较深竖井，结构尺寸为直径5.2m的圆形竖井，竖井地层为第四纪沉积层，自上而下为杂填土、粉土、黏土、中砂、黏土、粉土。其中细砂、中砂、黏土、粉土占据一半竖井地层且含水丰富，导致围岩稳定性较差，地下水类型为层间潜水，竖井穿过地下水层，稳定水位标高为16.49～19.46(埋深12.70～16.30m),主要含水层为细砂层、中砂层和圆砾层。
3 工程特点
（1）本竖井属于较深竖井，地下水较多，穿越砂层，施工难度较大；
（2）井内净空较小，工作面狭窄，施工机具及材料设备布置紧凑；
（3）历经夏季高温酷暑及暴雨，工期紧，强度高。
4 施工方法
4.1竖井施工工艺
竖井井口设现浇钢筋混凝土锁口圈梁，采用倒挂井壁法施工，自上而下随开挖随井壁打设锚杆、挂设钢筋网片、架设格栅钢架、喷射混凝土，锁口圈梁起保护井口不坍塌。
对于城市较深竖井，井壁打设锚杆是很重要的一步，既有保证井壁上部分结构不会下沉，也有使井壁结构与竖井后背土有较好的整体性。打设锚杆一定要严格按要求控制锚杆的间距和深度，竖井环向设加固锚杆，竖直方向两榀一打，上下错开，角度15~20度，锚杆为DN32-3.25mm，长度为2.5m（锚杆插入井壁内至少2.0m，使格栅与竖井一体），水平间距1米，锚杆支护过程中，随时注意观察围岩情况，在锚杆的基础上，竖井相邻两榀格栅之间采用连接筋与格栅主筋焊接牢固，沿格栅内外主筋环向布置，连接筋从锁口圈梁一直到竖井井底，保证竖井井壁稳定，上下连接筋之间采用焊接，焊接长度不得小于10d（d为连接筋直径），焊接牢固，平顺，无孔洞，焊渣清理干净。
竖井土方开挖应遵循“自上而下、分层、分布、紧随土方开挖和连续作业进行支护”原则。开挖时应提前打设环向锚杆，注浆封闭、固化土层。竖直方向两榀一打，水平间距1m，上下错开，向下倾角15~20度，锚杆直径32mm钢管，长度2.5~3m，根据土质具体情况，保证井壁的竖向稳定性。通过锚杆向土层压注改性水玻璃，以达到加固地层的作用，以求固砂体单轴抗压强度达到0.3~0.5Mpa。
4.2马头门施工工艺
按照设计施工土质说明、地勘报告以及本工程实际土质特点，开马头门之前在竖井侧壁沿开洞断面顶部边缘施做超前小导管并注浆加固开洞范围顶部土体及控制地下水，具体注浆液采用改性水玻璃浆液，注浆过程中应控制注浆压力，防止压力过大，造成地面或井壁隆起。为保证施工安全，同一竖井内的马头门不能同时开门，此须严格遵守要求，先开的马头门进尺15m且封闭成环后再开下一个马头门。
由于破马头门时，自上而下用风镐破除拱顶部位井壁格栅及锚喷混凝土，将井壁环向格栅切割，破坏了整个竖井的受力结构，使得在洞口处出现应力重新分布，在马头门位置处出现了剪应力集中，容易使该处土体失稳，造成坍塌的情况。施工前应在洞门位置处进行换撑等措施处理。
竖井开马头门前预先采取加固措施。在竖井施工过程中，在拟施做马头门两侧增加4Φ20钢筋暗柱，开马头门时，增加预制好的明柱，以便起到马头门区域加固作用圆竖井明柱与明梁、明柱与格栅间用拐子筋单面焊接，焊接长度不小于10d，马头门处隧道格栅前三榀密排，破除洞口范围剩余初衬结构，再按正常步序向前开挖隧道并施做初衬结构。
5 竖井地下水处理
本竖井开挖位置存在大量地下水，在开挖过程中容易造成井壁间水土严重流失，无法喷射砼等情况，造成井壁坍塌，且根据地勘报告竖井范围内存在中砂、粉土、黏土，所以在竖井穿越有水土层采用注浆止水，在穿越砂层采用真空降水方法进行。
5.1注浆止水
采用全断面放射型双重管无收缩双液注浆工法，超前预注对井壁周围土体进行隔水、加固处理。对井壁外侧加固采用倾斜钻杆，对竖井地层采用垂直钻杆法注浆施工（即钻杆回抽法），具有一定强度和止水效果的地下连续止水防护壳，以达到止水、加固的预期目的。
5.1.1注浆孔的布置
根据注浆扩散半径计算，检查室底层土注浆孔距为东西向1.1m，南北向1米。侧墙注浆孔间距为环向1米。注浆孔直径Φ46mm，梅花形布置。
5.1.2主要注浆参数
①浆液扩散半径：0.8m；浆液凝结时间：20s～30min；注浆压力0.3～0.5Mpa。
②注浆材料配比、注浆压力、流量、扩散半径等参数需通过前期试验确定，并按所处砂层和实际止水质量进行调整。
5.1.3注浆材料
①选用化学浆和双液浆
浆液材料特点：
其特性固结硬化时间容易调整，对地下水而言，不易溶解。
渗透性良好，特别是对微细砂层、卵石层渗透性优异、
对含砂层能控制渗透距离；地层中有流动水时，也有很强的固结性能。
浆材强度、硬化时间和渗透性可以根据现场实际调整。
浆材不流失、固结后不收缩，硬化剂无毒，不会污染地下水。
②化学浆液材料配比表：
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注浆时，可根据现场实际情况调整配合比，并适当添加特殊材料，以增加可灌性和堵水性能，提高止水效果。
5.1.4注浆压力的计算
P=K*H
P=注浆处的静水压力
K=由注浆深度确定的压力系数
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5.1.5注浆量的计算
Q=3.14R2*L*N*α*β
Q=单管注浆量
R=浆液扩散半径（0.8米）
L=注浆管长
N=地层孔隙率（0.45）
α=地层填充系数（0.7）
β=浆液消耗系数（1.25）
底层土方注浆止水每根管的注浆量为：
3.14*0.8*0.8*8.5*0.45*0.7*1.25=6.7立方米。
侧墙土方注浆止水每根注浆管的注浆量计算：
①一根管长5米，注浆量为
3.14*0.8*0.8*5*0.45*0.7*1.25=3.96立方米。
②一根管长8.5米，注浆量为
3.14*0.8*0.8*8.5*0.45*0.7*1.25=6.73立方米。
5.1.6施工方法
在竖井开挖井壁、井底出现涌水量较大情况时，及时进行打孔注浆，保证注浆压力，从而保证注浆止水效果。
注浆时在不改变地层组成，将土层颗粒间的水强迫挤出，使颗粒间的空隙充满浆液并固结，达到改良土层性能的目的。其注浆特性是增加了土层粘结力 (c)、内磨擦角()，从而增加了土层粘结强度及密实度，并起到加固作用；颗粒间隙中充满了不流动而且固结的浆液后，使土层透水性降低，而形成相对隔水层。注浆加固后强度理论值，细中砂层达到15~20kg/cm、粘土层达到10~12kg/cm。
5.1.7注浆工艺流程：
布孔→钻机就位→钻孔→配浆→注浆→拔管洗管→检验开挖
⑴、定孔位：根据竖井平面尺寸和不同钻井角度布孔，要求孔位偏差小于3cm，入射角度偏差不大于1°。
⑵、钻机就位：钻机按布孔位置就位，调整钻杆的垂直度，对准孔位后钻机不得移位，也不得随意起降。
⑶、钻进成孔：施工期间应以低速操作第一孔，并应掌握地层对钻机的影响，以确定实际的钻进参数。同时，密切观察溢水、出水情况。当有大量出水出现时，立即停钻，进行封面，分析原因后再进行施工，每钻进一段检查一段，并及时进行纠偏，孔底位置应小于该位置30cm。
⑷、配浆：采用经校核合格的计量用具，按设计配比配料。
⑸、回抽钻杆、注浆：严格控制钻杆提升幅度每次不大于20cm，均匀回抽，同时注意注浆参数变化，注浆时严格控制注浆压力和注浆量，当压力突然上升或从孔壁、断面溢浆时，立即停止注浆，查明原因后采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。
⑹、正式注浆前，必须先进行注浆试验，施工过程中计算注浆施工时间、观测凝固时间，通过试开挖检验注浆厚度、止水效果，然后调整浆液配比和注浆循环长度、开挖长度，调整注浆孔距等控制数据，确定各项数据后，再进行正式注浆施工，以统计出的数据控制施工各参数，正式注浆后在土方开挖前，先打探测孔观察水位情况，根据出水情况决定继续土方开挖或继续注浆。
5.1.8注浆效果检测
（1）注浆施工结束后，通过注浆体内钻孔，用压水、注水或抽水等办法测定地基的流量及渗透系数，不合格者需进行补充注浆。检查孔的数目约为总注浆孔数的5～10%，布孔的重点是地质条件不好的地段以及注浆质量较差或有疑问的部位，对加固注浆而言上述水力物理性虽不能直接反映加固效果，但至今仍旧被广泛的当作一种参考指标，因为吸水量大小与地基的密度和强度之间存在着一定的关系。
（2）通过钻孔，从注浆体内取出原始样品，并送至实验室进行必要的试验研究。实践经验证明，通过这类检测可得出下述几项重要的物理力学性能指标，据此能对注浆效果作出比较确切的评价：
①、样品的密度；
②、结石的性质；
③、浆液充填率及剩余孔隙率；
④、无侧限抗压强度及抗剪强度；
⑤、渗透性及长期渗流稳定性；
（3）采用挖探或其他方法检验止水效果和渗水的情况。
（4）存在问题的补救措施：由于本工程地质条件复杂,施工中不可避免地存在局部问题：如开挖时出现局部止水效果不理想，应及时打入小花管补浆止水，并通过调整浆液配比等技术措施，以确保开挖过程的顺利进行。
6 真空降水
在竖井处于砂层且含土很少时，采用注浆方式止水不够经济且流砂注浆效果一般，而采用真空降水既能达到止水效果，同时机械设备少，占用地方小，真空降水的同时能进行竖井作业，加快进度，满足经济要求。
（1）先用φ20钢管插入作业面用空压机（或高压水枪）对其吹眼，在砂层孔位吹气（或冲刷）至作业面1.5m范围，缓慢拔出钢管同时引入φ15pvc管直至设计深度。
（2）拔出钢管，进行下一循环，pvc管沿竖井井壁打设角度30°~45°，打孔间距1m。
（3）将插入的U-pvc管组装，与真空泵连接。
（4）开启真空泵，将真空压力控制在-0.07mpa~-0.08mpa，真空管的大小、数量及真空泵功率根据现场实际水流量大小进行调整
（5）把真空泵抽出的水用大型水桶收集并用水泵抽出井外，在井外进行回灌。
7 目标与结论
运用上述施工方法，在经过北京电力隧道以及其他几个较深富含地下水的竖井施工过程中，都取得了较为满意的结果。
而较深竖井施工作业中施工工艺的选择、地下水的处理、人员的组织，进度、安全、质量等因素影响着整个工程，仅靠理论分析和经验估计是难以保证工程安全顺利的施工，如何对城市较深竖井施工做出一个更加可靠的方案，有待设计及施工人员不断地探索。
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