用于保护地下水环境的地铁车站止水结构的制作方法

本实用新型涉及电气化铁路技术，具体而言，涉及用于保护地下水环境的地铁车站止水结构。

背景技术：

对于富水地区的地铁建设，当地铁隧道采用暗挖法施工时，采用止水或者排水处理隧道开挖范围内的地下水是隧道开挖前的基础工作。目前，我国地铁隧道止水一般采用注浆止水或者旋喷桩止水，这两种止水方式都需要向土层中注入水泥浆液，污染地下水水质，同时水泥浆液流向不易控制，容易堵塞地下水的渗流通道，改变地下水的渗流路径。而采用排水方案，将浪费宝贵的地下水资源，同时排水引起的地下水位降低易引起周边邻近建、构筑物的沉降变形。

随着城市化进展及经济发展，地铁将成为解决城市交通问题的主要手段之一。但是由于地质条件差异较大，地铁建设过程中常会引发地面沉降、岩溶塌陷、围岩失稳等各类环境地质问题，也会引发巷道突水、水位下降、水质污染等各类水环境问题。

为避免地铁工程建设中引发的各类工程问题或减小地铁工程对周边环境的影响，国内外学者对相关防护治理手段及方法开展了大量的研究。Albert Weiler(1983)基于德意志杜伊斯堡第四系地层条件，总结出地铁建设方法-空隙固结法。孙亚哲(2003)针对南京玄武湖下交通隧道建设可能产生水污染、地面沉降、地面塌陷、巷道突水等环境地质问题，为减少对地下水环境的影响，建议限制开挖深度和保护天然淤泥层，采用透水性好的填土材料、污染小的建筑材料、化学浆液，采用冷冻止水施工方案避免大面积人工降水。方燎原(2004)针对岩溶对广州地铁建设的影响，提出采用冷冻法和高压注浆法进行岩溶水隔离，对溶洞采用灌浆和结构处理。邢崴崴(2004)分析了地铁工程建设可能对水质的影响，建议在工程建设中采用污染小的建筑材料及化学浆液，分析了地下水径流条件的改变也会使得工程稳定性变差引发不均匀沉降，建议优化盾构各施工参数，并采用相应的工程方法如隔断、土体加固、建筑物本体加固及基础托换等以减小对周围环境的影响。C.O.Aksoy(2008)分析了土耳其伊兹密尔地铁站工程降水引发的地面沉降问题，通过化学注浆手段维持围岩稳定性，有效地阻止了地面沉降并使地下水位恢复至原有水平。李广涛(2009)针对广州地铁三号线工程建设中存在的溶、土洞不良地质条件进行处理，明确提出了盾构及明挖的岩溶处理措施。R.Galler(2009)提出了一套经济安全的新奥地利隧道施工方法(NATM)，该方法在澳大利亚近几年得到了迅速发展。傅志峰(2010)针对武汉地铁2号线工程施工中可能出现的第四系土层、岩溶地质、地下水等岩土工程问题，提出了工程降水设计、地下连续墙、注浆封堵防水工程等预防措施。龙艳魁(2012)分析了岩溶对地铁工程的影响，着重对岩溶洞穴稳定性的影响因素进行了探索，并提出了开挖回填、压力注浆、结构物跨越的岩溶溶洞处理措施。由此看出以往多注重对某些环境地质问题的处理研究，而对于既要进行工程防护处理又要兼顾泉水水量和水质保护的研究目前还比较少见。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于保护地下水环境的地铁车站止水结构及其施工方法，以解隧道施工过程中对地下水水质污染，保护地下水资源的问题。

本实用新型实施例提供了一种用于保护地下水环境的地铁车站止水结构，其包括：V形的冻土止水层，所述V形的冻土止水层围成的空间内设置两堵竖直冻土墙；所述竖直冻土墙与所述V形的冻土止水层相连通。

在一些实施例中，优选为，所述V形的冻土止水层的底部过地铁车站的中线位置。

在一些实施例中，优选为，所述V形的冻土止水层的厚度为0.5m～2.0m。

在一些实施例中，优选为，所述竖直冻土墙的厚度为0.5m～3.0m。

在一些实施例中，优选为，所述V形的冻土止水层的内部、所述竖直冻土墙的内部均设置多个冻结孔，所述冻结孔内设置冻结管。

在一些实施例中，优选为，所述冻结孔的直径为50mm～200mm，所述冻结孔间距500～1000mm。

在一些实施例中，优选为，所述V形的冻土止水层和所述竖直冻土墙的平均温度不高于-10℃。

在一些实施例中，优选为，所述地铁车站的基坑两侧地面铺设保温层，所述基坑的内表面喷射保温混凝土。

在一些实施例中，优选为，所述保温层包括：EPS泡沫板、聚苯乙烯、挤塑板、聚氨酯板中的任一种保温板；和/或，所述保温混凝土层包括：加气混凝土、0.5％～2％的高效速凝剂、0.5％～2％的乳胶粉和3％～7％的纤维。

本实用新型实施例提供的用于保护地下水环境的地铁车站止水结构，与现有技术相比，V形的冻土止水层，以防止外部地下水进入车站基坑内；竖直冻土墙用于支撑车站基坑两侧土体的稳定。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中用于保护地下水环境的地铁车站止水结构的横剖面示意图；

图2为本实用新型一个实施例中止水结构中冻结制冷系统的示意图。

注：1斜向冻结管；2V形的冻土止水层；3竖向冻结管；4竖直冻土墙；5地面保温层；6保温混凝土；7地铁车站；8清水泵；9冷冻机组；10起动柜；11盐水箱；12盐水泵；13冻结管；14冷却塔。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

考虑到水是生命之源，也是城市赖以生存和发展的宝贵资源，我国有半数以上的城市存在缺少问题，因此，在城市地铁建设过程中如何保护宝贵的地下水资源是工程技术人员拟解决的关键技术问题，比如济南这种以泉水而闻名的城市，保护泉水的水质和水量，更是地铁建设中的首要问题。本实用新型拟解决的技术问题是富水地区地铁隧道建设过程中如何保护地下水，在不降水的情况下实现地铁隧道的安全快速高效开挖。因此明确需要解决的技术问题为:

(1)解决地铁隧道施工过程中对地下水水质的污染问题；

(2)解决地铁隧道施工过程中对地下水水资源的保护,避免降低地下水水位,避免改变地下水渗流路径,保护泉水。

为此提供了用于保护地下水环境的地铁车站止水结构，其包括：V形的冻土止水层，所述V形的冻土止水层围成的空间内设置两堵竖直冻土墙；所述竖直冻土墙与所述V形的冻土止水层相连通。

V形的冻土止水层，以防止外部地下水进入车站基坑内；竖直冻土墙用于支撑车站基坑两侧土体的稳定。

接下来，对该技术进行详细描述：

一种用于保护地下水环境的地铁车站止水结构，如图1所示，其包括：V形的冻土止水层，所述V形的冻土止水层2围成的空间内设置两堵竖直冻土墙；所述竖直冻土墙与所述V形的冻土止水层2相连通。V形的冻土止水层2的内部、所述竖直冻土墙的内部均设置多个冻结孔，所述冻结孔内设置冻结管。即在地铁车站7两侧设置斜向冻结管1和竖向冻结管3，两侧的斜向冻结管1共同形成一个V形的冻土止水层2，以防止外部地下水进入车站基坑内；竖向冻结管3用于形成一个竖直冻土墙，支撑车站基坑两侧土体的稳定。

所述V形的冻土止水层2的底部过地铁车站7的中线位置；斜向冻结管1的倾斜角度根据车站两侧施工场地和车站基坑开挖深度确定，冻结管的长度需达到车站中线位置，与另一侧冻结管衔接，形成封闭的V形冻土层。

所述V形的冻土止水层2的厚度为0.5m～2.0m。冻结孔直径拟选择50mm～200mm，冻结孔间距500～1000mm。

竖向冻结管3的长度根据车站基坑开挖深度确定，并与同侧斜向冻结管1衔接，形成一个y形冻土层，有利于防水和两侧土体的稳定。竖向冻土止水层的厚度根据基坑开挖深度、基坑两侧水土压力、地面荷载等参数确定，需满足两侧土体稳定性的要求，其厚度拟为1.0m～3.0m范围。冻结孔直径拟选择50mm～200mm，冻结孔间距500～1000mm。所述竖直冻土墙4的厚度为0.5m～3.0m。

有效的V层冻土止水层和竖直冻土墙4的平均温度不高于-10℃，开挖时冻土止水层表面温度低于-3℃。

为了降低能源消耗，提高冷冻系统的保温效果，在基坑两侧地面铺设保温层，基坑开挖过程中在基坑表面喷射保温混凝土6，共同构成保温系统。地面保温层5可选用EPS泡沫板、聚苯乙烯、挤塑板、聚氨酯板等保温板材。基坑两侧及基坑底部的喷射保温混凝土6随基坑开挖逐层喷射，喷射厚度拟为10～30cm。保温混凝土6又称为加气混凝土、泡沫混凝土、发泡混凝土，属于保温隔热材料的范畴，能阻止或减少与外界发生热交换，减少热量耗散的具有一定物理、力学性能的特种混凝土。

保温混凝土6采用湿喷法施工，为了降低泡沫混凝土的流动性，提高粘稠度和附着力，在泡沫混凝土中增加0.5％～2％的BASF高效速凝剂、0.5％～2％的的三元乳胶粉和3％～7％的纤维。

下面提供上述暗挖隧道止水结构的施工方法，具体包括：

步骤101，冻结管钻进准备工作；

第一部分：冻结管、测温管、卸压管和供液管规格

冻结管可选用ф108×8mm低碳无缝钢管，单根管材长度为1.5～2m，采用螺纹连接并手工补焊，测温管和水文管管材同冻结管。供液管ф62×6mm可选用增强聚乙烯塑料管或15#钢管。

第二部分：打钻设备选型

可选用MKG-5S型钻机2台。可选用BW-250/50泥浆泵2台，流量为250l/min。钻机和泥浆泵总功率为41kw。

可采用冻结孔钻进专用组合钻具跟管钻进。钻孔测斜可采用特制的TY-1型高精度水平钻孔陀螺测斜仪，钻孔浅部用经纬仪灯光测斜校准。

第三部分：冻结孔质量要求

根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔。孔位偏差不应大于100mm。冻结孔孔径可选用110mm。冻结孔钻进深度误差为-0.2～+0.3m。钻孔偏斜率控制在0.8‰以内。

第四部分：钻机平台搭建

钻机平台采用满堂脚手架管搭建，脚手架管平面间距为0.6m×0.6m。平台满铺60mm厚松木板，钻机底盘下垫200mm×200mm方木。根据冻结孔位置，分层加高钻机平台。

步骤102：按设计方位和偏斜角度，采用相同的方式进行冻结孔和测温孔的钻进；其中在冻结孔中下入冻结管，在冻结管中下入供液管；

该步骤具体包括：

步骤102-1，冻结孔开孔

冻结孔可用Φ160mm金刚石取芯钻开孔。每个钻孔安装孔口管，孔口管可用ф159×8mm无缝钢管加工。钻进时，孔口管安装孔口密封装置。

步骤102-2，冻结孔钻进与冻结器安装

①按冻结孔设计方位要求固定钻机。随钻进放入冻结管。冻结管下到设计深度后密封头部。

②为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10～20m时，要反复校核钻杆方向，调整钻机位置，并用经纬仪或陀螺仪检测偏斜无问题后方可继续钻进。

③冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。下好冻结管后，用测斜仪进行测斜，然后复测冻结孔深度。冻结管长度和偏斜合格后密封冻结管头部，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制在0.7～1.0MPa之间，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。

④冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与孔口管的间隙。

⑤在冻结管内下入供液管。供液管用管箍连接，供液管底端焊接0.2m高的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

测温孔施工方法与冻结管相同。

步骤103，安装冻结制冷系统，将冻结制冷系统分别与冻结管13、测温孔、供液管相连；

冻结制冷系统的安装图可以参考附图2。安装步骤具体包括：

步骤103-1，冻结制冷设备选型与管路设计

①可选用YSKF600型冷冻机组1套，YSKF300型冷冻机组各2套(其中1套备用)。当盐水温度在-30℃，冷却水温度为28℃时，冻结站的制冷量约为240000kcal/h，冷冻机组9电机总功率为305kw。

②可选用8Sh-13(A)盐水循环泵2台(其中1台备用)，流量270m³/h，扬程36m，电机功率45kw；选用IS200-150-250冷却水循环泵1台，流量400m³/h，扬程20m，电机总功率37kw。

③可选用DBN3-200型冷却塔14，2台，电机总功率11kw。

④设盐水箱11，一个，容积6m³。

⑤盐水干管和集配液管均选用ф219×8mm无缝钢管，盐水干管长度为380m。集、配液管与羊角连接选用1.5"高压胶管。

⑥冷却水管用5"焊管,在冷冻机进出水管上安装温度计。

⑦在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计。

⑧在配液圈与冻结器之间安装阀门二个，以便控制冻结器盐水流量。

⑨在盐水管路的高处安装放气阀。

⑩盐水和清水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MPa。

⑾每个冻结站的冷却水用量为30m³/h，最大总用电量约398kw。

⑿其它：冷冻机油选用N40冷冻机油。制冷剂选用R22制冷剂。冷媒剂采用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。盐水比重为1.265。

步骤103-2，冻结站布置与设备安装

站内设备主要包括配电柜(即起动柜10)、冷冻机组9、盐水箱11、盐水泵12、清水泵8、冷却塔14及清水池等。设备安装按设备使用说明书的要求进行。

在水泵进出口、盐水干管两端、集配液圈与冻结器之间安装控制阀门。在冷凝器进出口安装测温点；在去回路盐水干管两端安装温度和压力测点；在回路盐水干管出口安装电磁流量计；在每个冻结器与集配液圈之间安装流量测量回路；在盐水箱安装液面指示报警器。

在一些实施例中，冻结站装配式活动房，净高3.5米，墙和房顶铺设隔音板，清水池用砖砌筑，水泥抹面，池高0.7米。

步骤103-3，管路连接、保温与测试仪表安装

盐水和冷却水管路用管架直接铺在地面上，法兰连接。去、回路盐水干管用管架固定在工作井井壁上。温度计、压力表和流量计安装按设计进行。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用50mm厚的软质泡沫塑料保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

步骤103-4，溶解氯化钙和机组充氟加油

先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱。

机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

步骤104，进行冻结操作，构建V形冻土止水层、竖直冻土墙；

该步骤包括：

步骤104-1，冻结系统试运转与积极冻结

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土止水层扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。要求一周内盐水温度降至-20℃以下。

步骤104-2，试挖与维护冻结

根据水文孔观测确定冻土止水层已经交圈，并根据实测温度判断冻土止水层达到设计厚度后，再用取芯钻打入冻土止水层内部未冻土中2m以上，确认冻土止水层内无动水。然后，可以分区打开工作井井壁。开挖至土层内后，实测冻土止水层的厚度、表面温度和变形，如已达到设计要求，则可进入正常施工，否则应停止掘进，加强冻结，并分析原因，采取相应措施。

基坑开挖后进入维护冻结期。原则上，开挖期间的维护冻结盐水温度与盐水流量与积极冻结相同，如施工中根据实测分析，确实证明冻土止水层扩展速度比预计的要快，冻土止水层有足够的承载力与稳定性，已满足设计要求，可以适当提高盐水温度，但最高不能高于-20℃。开始做内衬后，在确保外衬安全的情况下，可以提高盐水温度，甚至提前停止冻结。

步骤105，当V形冻土止水层和竖直冻土墙的厚度及强度达到预设要求后，冻结施工进入维护冻结期后，逐层进行基坑开挖；

当冻土层有效厚度及强度达到要求，冻结施工进入维护冻结期后逐层开挖基坑，开挖时，首先选用人工开挖未冻结的土层，再利用风镐掘进冻土。注意：冻结帷幕暴露面温度不得高于-5℃，且暴露时间控制在24h内。

步骤106，构建隧道衬砌结构。

该步骤具体包括：

步骤106-1，喷射保温混凝土

基坑开挖后及时喷射一层保温混凝土，喷射厚度拟为10～30cm。保温混凝土采用湿喷法施工，为了降低泡沫混凝土的流动性，提高粘稠度和附着力，在泡沫混凝土中增加0.5％～2％的BASF高效速凝剂、0.5％～2％的的三元乳胶粉和3％～7％的纤维。

基坑开挖到设计深度时，在基坑底部喷射一层保温混凝土，厚度拟为10～30cm。

步骤106-2，浇筑隧道衬砌结构

隧道衬砌应保证衬砌厚度及钢筋搭接长度。严格控制测量，防止隧道欠挖，钢筋绑扎时，专人负责，环向、纵向钢筋搭接长度分别为钢筋直径的35～25倍。

为保证衬砌强度不低于C30的要求，施工前应作混凝土配合比试验，通过试验确定最佳配合比，并严格加以控制，使之达到设计要求。

衬砌采用自制的简易钢模板台车施工，立模时严格控制模板外形尺寸不能侵入衬砌内轮廓线，并向外不超过50mm，由跟班测量人员负责，并堵好堵头板，以保证模板接缝外不漏浆液。

为加快混凝土硬化和防止局部冻坏，混凝土内加入水泥重量2.5％～4％的J851早强防冻减水剂和水泥重量3％～4％的MRT早强防冻剂，这两种材料具有改善混凝土的和易性和密实性，增强混凝土的抗渗性能及耐冻性，并在施工时加强混凝土振捣，杜绝蜂窝麻面。

隧道衬砌应加强混凝土施工的连续性，加强对混凝土养护，以防止冻土对混凝土有冻害。

本实用新型具有以下优点：

(1)保护地下水环境，避免隧道施工过程中污染地下水水质。

(2)通过采用冻结止水结构，避免了大范围排水施工，节约了宝贵的地下水资源，同时避免了排水施工引起的周边邻近建、构筑物的沉降变形。

(3)通过在隧道二次衬砌与冻土止水层之间设置保温混凝土，提高了冻土止水层的保温性能，减缓了冻土止水层的与隧道内的热量传递，大幅度降低了冻结费用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。