论文部分内容阅读
[摘 要]本文以真空降水为研究对象，在分析真空降水原理的基础上对其在暗挖区间工程中的应用进行了研究，对真空降水与管井降水进行了对比分析，取得了一定的成果。
[关键词]真空降水；地铁；暗挖区间；施工应用
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0154-05
一 真空降水段概况
1.1 工程概況
地铁某区间，整体呈东西走向，区间沿线两侧多为7～12层房屋。
本区间结构覆土厚度为2m～12m，起终点里程为K5+657.500～K6+717.400，全长约1060m，线间距为10.5～15m。
1.2 工程地质与水文地质条件
1.2.1 沿线地层情况
场地勘探范围内的地层层序自上而下如表1所示：
1.2.2 地下水情况
依据勘察报告，在深度45m范围内主要赋存三层地下水，地下水类型分别为潜水（二）、层间水（三）、承压水（四）。地下水分布情况见表2所示。
1.2.3 地下水影响分析
根据盾构井、风井、1号竖井土方开挖情况，原管井降水基本上能够处理大部分潜水（二），但在界面含水层、层间水⑦2层，粉质粘土⑥层、粉质粘土⑧层处理效果上不太明显，开挖到上述每个地层后，有大量水渗出，井下带水作业现象严重，影响了工程的顺利进行。
在开挖过程中发现风井及隧道中的⑥层粉质粘土、⑧层粉质粘土有地下水渗出且水量较大，给施工造成了很大的影响。普通管井降水过程中发现地下水的补充非常充分，井内水很容易抽干，一旦停泵，井内水位迅速回升。现场实际调查发现⑥层粉质粘土中局部夹有粉土薄层，周围粉质粘土个税作用消减了排除粉土透镜体内地下水的效果。隧道开挖时，滞留在粉土薄层透镜体中的部分地下水渗出。⑧层粉质粘土竖向孔洞及裂隙发育，竖向渗透系数较好，室内实验测得竖向渗透系数为1.01m/d，水平孔洞及裂隙较少，水平渗透系数较低，渗透系数在0.04m/d左右。水平、竖向渗透系数向产25倍以上，造成管井降水效果不佳。
二 真空管井降水方案
2.1 排水量计算
根据勘察报告，对本试验段的基坑涌水量进行计算，计算结果见表3：
2.2 地下水控制方案
真空降水段对于潜水层和承压水层的降水要求如下：
潜水：潜水位要求降至槽底以下0.5～1.0m；若开挖槽底在潜水含水层底板以下，则要求将开槽范围内的潜水基本疏干；若层间潜水分布在槽底以上，则要求开挖范围内的层间潜水基本疏干。
承压水：承压水压力水位高度按：H×γ/（Hw×γw）≥Ks控制（H为承压含水层顶板至开挖槽底的土层厚度，γ为土的重度，Hw为压力水头高度，γw为水的重度，Ks为安全系数，取1.2）；若开挖槽底在承压水含水层顶板以下，承压含水层底板以上，要求降至槽底以下0.5～1.0m；若开挖槽底在承压含水层底板以下，要求将开挖范围内的承压水疏干。
依据结构底板埋深及水文地质条件，并适当考虑水位变幅影响以及地地层、水位变化较大的情况进行分析：该试验段底板底标高43.23m～44.25m，开挖时受潜水（二）、承压水（三）影响，计算时按将其潜水（二）、承压水（三）均疏干考虑。
2.3 降水设计参数
根据基坑涌水量、地层特性、降低水位要求及布井安排，本段降水设计参数如下计算结果见表4、表5：
选用SK-6水环式真空泵，3～4口井配置1台真空泵，施工中应根据实际水位情况及时调整泵量，以满足降水需求。
降水井抽出的水采取暗排的方式，从支管汇入集水管后排入市政雨、污水管线。设计排水主管（集水管）采用Ф273mm钢管，支管采用Ф89mm钢管。每个暗排井点做一个工作井，以便水泵维修和进行水位观测，检查井按市政雨污水管线的检查井标准要求砌筑。
主管线和支管线均埋置于地面以下800mm。为防止停泵时发生水流倒灌危害，泵管、支管与集水管之间单向阀连接，或采取其它防止倒灌措施。
每台真空泵采用1根Ф89钢管和4根1.5吋PTR塑料支管线组成真空管汇带动4眼井进行真空抽降，抽气管路包括支管线和真空管汇，支管线只连接一眼井，并用节门与真空管汇连接，实现多眼井并行抽气，抽气支管线可与排水管并行摆放。真空管汇置于地表与真空泵连接，每只支线安设真空表，用于监测单井真空度。
2.4 真空管井井身结构设计
真空管井的井身设计如图1所示：
2.5 井口密封、井室设计及真空泵的选择
2.5.1 井口密封
井口密封采用法兰+密封垫，法兰包括上法兰和下法兰，在上、下法兰间设橡胶垫，由螺丝锁紧。上法兰（盲板）为18mm厚钢板，上面开设有真空表孔、水泵电缆孔、抽水管孔、吊泵铁丝、水位观测孔和抽气孔；下法兰与内径417mm、壁厚4mm的钢管连接，连接方式为焊接，钢管长度1.0m，钢管外侧填充水泥砂浆进行密封固定。上法兰（盲板）的真空表孔、抽水管孔、抽气孔、水位观测孔、水泵电缆孔处均焊接密封接头，并用防水密封胶处理。
井室内地面密封配合井室的制作进行，井室下密封范围内用素混凝土充填，厚度控制在60cm。抽气抽水前应检测井内真空度是否达到设计要求，否则检查管路、接点连接并进行进一步密封处理。
2.5.2 井室设计
井室尺寸及管道布设情况如图2所示：
三 现场试验监测
3.1 监测仪器
真空度监测：采用高精度真空表对井室压力进行监测，精度为0.5kPa，将真空表安装在井口密封法兰的连通管上，
出水量监测：在出水管口连接流量计，对出水量进行监测。 3.2 真空管井试验段监测分析
真空管井试验段井位分布如图3蓝色框线所示，所包含的降水井为SY01～SY28共28口，施工25口，5#、8#和26#因位于交通繁忙的畜牧站、金五星市场和图书馆门前，暂未施工，井间距为9m。
选取SY06#、SY15#、SY16#、SY17#、SY18#、SY19#和SY20#井进行监测，分析真空管井降水法的作用规律及降水效果。
3.2.1 出水量监测
首先选定SY17 #井作为单井试验井，进行真空抽水和非真空抽水试验，对比分析真空降水效果；然后进行群井试验，分析群井真空抽水真空度和水量变化情况。
（1）出水量单井对比试验
选取SY17#井作为试验井进行出水量对比试验。试验时关闭SY17#井抽气阀门打开潜水泵抽水2小时，然后同时打开抽气阀门和潜水泵2小时，记录出水流量。试验时间从2014年1月19日至2月17日，试验时间为每天9：00-13：00，1月30日-2月4日春节期间停止观测。单井抽水试验17#井结果如表6所示：
（2）出水量群井对比试验
单井试验的同时进行多井试验。选取SY06 #、SY16 #、SY18 #井作为试验井进行出水量对比试验。试验时关闭所有井抽气阀门打开潜水泵抽水2小时，然后同时打开抽气阀门和潜水泵2小时，记录出水流量。试验时间从2014年1月19日至2月17日，试验时间为每天14：00-18：00，1月30日-2月4日春节期间停止观测。试验结果如表7、表8和表9所示：
从试验结果得出，单井抽水试验中，SY17#井真空抽水平均出水量为0.011m3/h，非真空抽水出水量为0.0069m3/h，SY17#井真空抽水时非真空抽水出水量的1.59倍。
群井抽水试验中，SY06#井真空抽水平均出水量为0.13m3/h，非真空抽水出水量为0.08m3/h，SY06#井真空抽水时非真空抽水出水量的1.63倍；SY16#井真空抽水平均出水量为0.04m3/h，非真空抽水出水量为0.029m3/h，SY16#井真空抽水时非真空抽水出水量的1.34倍；SY18#井真空抽水平均出水量为0.21m3/h，非真空抽水出水量为0.1m3/h，SY18#井真空抽水时非真空抽水出水量的2.1倍。
3.2.2 真空度监测
试验监测期间真空度的变化如图4所示：
从图3可以看出，各井室的真空度随着时间的推移出现下降的趋势。通过与隧道施工进度的对比，真空度在一定程度上受到了隧道开挖的影响，隧道开挖导致土体产生“空腔”，真空井内的空气补充比未开挖时充足，导致真空度有一定的下降趋势。
四 日常监测
区间风井～2号竖井区段为真空管井降水段，设计井数126眼，其中真空试验段28眼，局部因公交站台等原因无法打设。真空降水井实施范围如图1所示。
和试验段抽水监测相对应，抽水试验结束后，对SY06、SY16、SY17、SY18号降水井进行长期监测。本报告监测数据日期从2014年2月19日至8月21日，监测数据见附件。
通过对真空井的流量监测发现，真空抽水的水量虽然会出现波动，但总体上保持稳定，说明抽水速率和地下水补给保持了平衡，并能够应对地下水补给量偶然增大的情况。同相邻非真空井相比，真空降水井的流量稳定且较大，降水优势明显。监测数据见附件。
对于真空度的监测，选择了SY06、SY11、SY12、SY13、SY14、SY17、SY18、SY19、SY22、SY23、SY24、SY25进行监测，监测结果如图5～图17所示：
从真空度的监测数据可以看出，真空管井中的真空度随着时间的推移总体上产生下降，一方面是因为隧道开挖导致的气体补充，另一方面水位下降后土体孔隙中气体通道产生连通。建议在施工过程中监测隧道开挖面的带水情况，如出现渗水严重的情况，可针对具体区域提高某个或某几个真空管井的抽气量，增大真空井的抽降范围和抽水能力。
五 真空管井降水段隧道内降水效果
一号竖井附近采用普通管井进行降水，在施工过程中带水工作严重，严重影响了施工速度，给施工造成了很大不便。但是在真空降水段，由于真空管井的主動抽吸作用，土层中的孔隙水疏干程度较好，井下带水作业得到了很好的改善。
由于部分井位设计紧邻公交车站，路面条件限制无法进行降水井的施工（采取洞内隐排和注浆止水处理），致使井下带水作业现象严重。
通过对真空管井降水段和普通管井降水段井下情况的对比可以看出，普通管井降水随能把大部分自由水抽排出去，但残留水较多，开挖面渗水严重，隧道底板积水较多，施工环境恶劣，严重阻碍了施工人员和机械的正常作业，影响施工进度和施工安全。而真空管井降水能够为隧道的施工提供良好的作业环境，开挖面渗水量很小甚至没有渗水，隧道底板没有积水，便于施工人员和机械的顺利工作，也保证了井下的作业安全。
六 真空管井降水后土质分析
在真空管井降水段的隧道内取土样，测试土体的含水量、密度、粘聚力、内摩角、液塑限、压缩系数等物理力学参数，土样取自试验段SY17～SY18井之间隧道中部。测试所得土样的物理参数如表10所示：
在降水之前，对区段内土体进行勘察，测试土体的物理力学参数。根据勘察报告，降水之前同土层的物理力学参数如表11：
通过对比表10、表11可以看出，真空降水后土体的含水量显著降低，密度、压缩模量、粘聚力和内摩擦角明显增大，真空降水作用后土体的力学指标显著增强。
由于真空管井在地下水的渗流过程中大幅提高了水力梯度，提高了渗透力，因此在降水过程中一些粉细颗粒会进入井中沉积，严重时可能会产生埋泵等现象，因此需要对真空管井降水时抽排出的土颗粒进行分析，并和普通管井降水法排出的土颗粒进行对比。 首先将真空泵关停，运用普通管井降水法抽水，运行2天后在出水口取500ml水样，然后打开真空泵，运用真空管井降水法抽水，运行2天后在出水口取500ml水样。在试验室将两个水样进行充分摇晃，可以观察到真空降水抽出的水样较为浑浊，普通管井抽水水样较清澈，普通管井法水样、自来水和真空降水法水样直观对比如图52所示：
将两种水样分别通过滤纸过滤，可以观察到真空降水法的水样过滤出的土颗粒明显比非真空降水法的多，如图20所示，两种降水方法水的含砂率对比如表12所示。然后将真空降水法水样中的土颗粒通过Bettersize2000粒度分析仪对土颗粒的粒径进行分析，结果如图21所示：
目前尚未有相关规范明确对真空管井降水工程施工质量的验收标准作出要求，本项目暂根据北京市建设工程技术企业标准（QGD-013-2005）《轨道交通降水工程施工质量验收标准（2005）》和《建筑与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）》进行分析，以上标准和规范对各形式的降水工程含砂量做了要求，粗砂含量小于1/50000，中砂含量小于1/20000，细砂含量小于1/10000。
从粒径分析结果可以看出，真空抽水抽出的土颗粒最大粒径为48.57μm，远小于细砂的定义（粒径大于0.075mm的颗粒质量大于总质量85%的为细砂），也比粉砂的定义小（粒径大于0.075mm的颗粒质量大于总质量50%的为细砂）。从含砂量分析结果可以看出，真空抽水的细砂含量为1.5/10000，略高于以上两个标准，但由于其粒径远小于规范规定的粒径，所以不会对降水施工造成影响，现场施工过程中也没有因为井内的细砂采取其它措施。在今后的施工过程中，需要提高管井透水段无纺布等滤水层的制作质量，可通过选用较密网布和增加缠绕次数等方式防止过多土颗粒流入井中。同时，在应用真空管井降水法时要对所处土层进行分析，估计粉细颗粒进入井内数量的大小，尤其是在级配不均匀的土层中更应加强分析。
八 技术经济对比分析
在进行技术经济对比分析时，首先对真空管井和普通管井的构造及所需设备情况进行单井成本分析；然后选取约100米范围内的真空管井降水段和普通管井降水段进行区域对比分析，真空管井段选择区间风井向东100米范围内南北两侧的21眼真空管井，间距北侧为10米，南侧11米，井深23米，普通管井共计30眼，南北两侧间距均约7米，井深25米。潜水泵泵量5m3/h，功率3kW/h；真空泵功率11kW，共计6套。
由于真空管井的作用范围比普通管井大，因此真空管井的井距比普通管井的井距大，从而使相同长度范围内的井数减少。同时，由于真空管井降水需要安装真空泵、压力表和井口密封段等，会比普通管井在某些方面的设备投入大。因此，真空管井降水法和普通管井降水法在技术经济方面的优劣需要综合各方面因素进行分析。
8.1 单井成本分析
真空管井比普通管井投入多的部分包括真空泵、井口密封装置、井身密封段粘土层和井口压力表，真空泵、井口密封装置和压力表按照二次摊销计算。真空管井的单井成本组成如表13所示，表中真空泵、井口密封装置、井身密封段粘土层和井口压力表的单价为设备摊销后的单价。
通过表13、表14计算得到单口真空井成本比普通管井成本高2502元。
8.2 同等长度区段内成本分析
根据现场井位布置，100米区段内有真空井21口，普通管井30口，根据表13、表14的分析结果，100米区段内真空管井和普通管井的成本如表15：
根据表15中的计算结果，100米区段内真空管井成本比普通管井成本减少了30325.92元。
8.3 运行成本对比分析
在电费对比分析中，真空泵安装了自动控制测试系统进行节电控制，根据第六章的监测数据结果，潜水泵的节电效率取99%，真空泵的节电效率取25%，抽水周期按照8个月计算，对比结果如表16所示：
由表16可得采用了自动控制系统后，真空管井运行8个月比普通管井节省电费225058.2元。
综合以上分析，单口真空管井成本比普通管井增加2502元，100米范围内的真空管井系统费用比普通管井节省30325.92元；采用了自动控制系统后真空管井持续运行8个月后比普通管井节省电费225058.2元，经济效益明显。在采用了真空管井降水后，区域内降水效果良好，没有采用其它排水措施，而靠近公交车站的区域没有采用真空管井，井下出水量大，采用了注浆堵水的措施，耗费614263元。因此，真空管井降水法减少了降水工程成本，并提高了降水效果。
九 结论和建议
通过现场监测和试验分析，真空管井降水法在本标段的应用主要取得了如下结论：
1、真空管井降水抽水效率显著提高，抽水效率比普通管井可普遍提高0.5倍以上。真空管井为井下作业提供了良好的无水环境，隧道内开挖面基本无水渗出，保证了施工的顺利进行。真空降水后土体的力学指标显著增强，有利于隧道的掘进开挖。
2、自控测试控制系统能够自动记录大量施工数据，减少人工工作量，同时能够根据施工需要控制真空泵和水泵的工作时间，减少电力消耗，潜水泵节电可达99%，真空泵节电25%以上。
3、通过技术经济分析，单口真空管井成本比普通管井增加2502元，100米范围内的真空管井系统成本比普通管井节省30325.92元；采用了自动控制系统后真空管井持续运行8个月后比普通管井节省电费225058.2元，经济效益明显。
4、真空管井降水没有对地面沉降造成明显影响，地面沉降值均在合理控制范围内，在工程中可不考虑真空作用产生的附加沉降。
在施工和监测过程中针对出现的问题提出一些建议，以期在今后的真空降水工程中加以应用：
1、针对真空管井降水過程中含砂量超过现行规范的问题，可通过在透水段外增加滤网缠绕层数、提高滤网密度的方法加以解决。
2、在监测过程中发现一些井的真空度较低，原因是井身上部的密封段长度不足，井口密封不够，在今后的管井制作过程中要尤其注意井的密封性。
3、由于地层等原因，有些地段真空井的真空度可能会不高，如果自动监测控制系统按照真空度值控制真空泵的开启，会导致真空泵频繁开关，不仅达不到节电效果还可能会损坏设备。针对这种情况，有必要将自动控制系统的控制模式由指标控制模式调整为时间控制模式，即在不影响降水效果的前提下，将按照真空度值进行控制调整为按照实际所需真空泵开启时间进行控制，合理安排真空泵的开启时间，避免频繁开关。
[关键词]真空降水；地铁；暗挖区间；施工应用
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）08-0154-05
一 真空降水段概况
1.1 工程概況
地铁某区间，整体呈东西走向，区间沿线两侧多为7～12层房屋。
本区间结构覆土厚度为2m～12m，起终点里程为K5+657.500～K6+717.400，全长约1060m，线间距为10.5～15m。
1.2 工程地质与水文地质条件
1.2.1 沿线地层情况
场地勘探范围内的地层层序自上而下如表1所示：
1.2.2 地下水情况
依据勘察报告，在深度45m范围内主要赋存三层地下水，地下水类型分别为潜水（二）、层间水（三）、承压水（四）。地下水分布情况见表2所示。
1.2.3 地下水影响分析
根据盾构井、风井、1号竖井土方开挖情况，原管井降水基本上能够处理大部分潜水（二），但在界面含水层、层间水⑦2层，粉质粘土⑥层、粉质粘土⑧层处理效果上不太明显，开挖到上述每个地层后，有大量水渗出，井下带水作业现象严重，影响了工程的顺利进行。
在开挖过程中发现风井及隧道中的⑥层粉质粘土、⑧层粉质粘土有地下水渗出且水量较大，给施工造成了很大的影响。普通管井降水过程中发现地下水的补充非常充分，井内水很容易抽干，一旦停泵，井内水位迅速回升。现场实际调查发现⑥层粉质粘土中局部夹有粉土薄层，周围粉质粘土个税作用消减了排除粉土透镜体内地下水的效果。隧道开挖时，滞留在粉土薄层透镜体中的部分地下水渗出。⑧层粉质粘土竖向孔洞及裂隙发育，竖向渗透系数较好，室内实验测得竖向渗透系数为1.01m/d，水平孔洞及裂隙较少，水平渗透系数较低，渗透系数在0.04m/d左右。水平、竖向渗透系数向产25倍以上，造成管井降水效果不佳。
二 真空管井降水方案
2.1 排水量计算
根据勘察报告，对本试验段的基坑涌水量进行计算，计算结果见表3：
2.2 地下水控制方案
真空降水段对于潜水层和承压水层的降水要求如下：
潜水：潜水位要求降至槽底以下0.5～1.0m；若开挖槽底在潜水含水层底板以下，则要求将开槽范围内的潜水基本疏干；若层间潜水分布在槽底以上，则要求开挖范围内的层间潜水基本疏干。
承压水：承压水压力水位高度按：H×γ/（Hw×γw）≥Ks控制（H为承压含水层顶板至开挖槽底的土层厚度，γ为土的重度，Hw为压力水头高度，γw为水的重度，Ks为安全系数，取1.2）；若开挖槽底在承压水含水层顶板以下，承压含水层底板以上，要求降至槽底以下0.5～1.0m；若开挖槽底在承压含水层底板以下，要求将开挖范围内的承压水疏干。
依据结构底板埋深及水文地质条件，并适当考虑水位变幅影响以及地地层、水位变化较大的情况进行分析：该试验段底板底标高43.23m～44.25m，开挖时受潜水（二）、承压水（三）影响，计算时按将其潜水（二）、承压水（三）均疏干考虑。
2.3 降水设计参数
根据基坑涌水量、地层特性、降低水位要求及布井安排，本段降水设计参数如下计算结果见表4、表5：
选用SK-6水环式真空泵，3～4口井配置1台真空泵，施工中应根据实际水位情况及时调整泵量，以满足降水需求。
降水井抽出的水采取暗排的方式，从支管汇入集水管后排入市政雨、污水管线。设计排水主管（集水管）采用Ф273mm钢管，支管采用Ф89mm钢管。每个暗排井点做一个工作井，以便水泵维修和进行水位观测，检查井按市政雨污水管线的检查井标准要求砌筑。
主管线和支管线均埋置于地面以下800mm。为防止停泵时发生水流倒灌危害，泵管、支管与集水管之间单向阀连接，或采取其它防止倒灌措施。
每台真空泵采用1根Ф89钢管和4根1.5吋PTR塑料支管线组成真空管汇带动4眼井进行真空抽降，抽气管路包括支管线和真空管汇，支管线只连接一眼井，并用节门与真空管汇连接，实现多眼井并行抽气，抽气支管线可与排水管并行摆放。真空管汇置于地表与真空泵连接，每只支线安设真空表，用于监测单井真空度。
2.4 真空管井井身结构设计
真空管井的井身设计如图1所示：
2.5 井口密封、井室设计及真空泵的选择
2.5.1 井口密封
井口密封采用法兰+密封垫，法兰包括上法兰和下法兰，在上、下法兰间设橡胶垫，由螺丝锁紧。上法兰（盲板）为18mm厚钢板，上面开设有真空表孔、水泵电缆孔、抽水管孔、吊泵铁丝、水位观测孔和抽气孔；下法兰与内径417mm、壁厚4mm的钢管连接，连接方式为焊接，钢管长度1.0m，钢管外侧填充水泥砂浆进行密封固定。上法兰（盲板）的真空表孔、抽水管孔、抽气孔、水位观测孔、水泵电缆孔处均焊接密封接头，并用防水密封胶处理。
井室内地面密封配合井室的制作进行，井室下密封范围内用素混凝土充填，厚度控制在60cm。抽气抽水前应检测井内真空度是否达到设计要求，否则检查管路、接点连接并进行进一步密封处理。
2.5.2 井室设计
井室尺寸及管道布设情况如图2所示：
三 现场试验监测
3.1 监测仪器
真空度监测：采用高精度真空表对井室压力进行监测，精度为0.5kPa，将真空表安装在井口密封法兰的连通管上，
出水量监测：在出水管口连接流量计，对出水量进行监测。 3.2 真空管井试验段监测分析
真空管井试验段井位分布如图3蓝色框线所示，所包含的降水井为SY01～SY28共28口，施工25口，5#、8#和26#因位于交通繁忙的畜牧站、金五星市场和图书馆门前，暂未施工，井间距为9m。
选取SY06#、SY15#、SY16#、SY17#、SY18#、SY19#和SY20#井进行监测，分析真空管井降水法的作用规律及降水效果。
3.2.1 出水量监测
首先选定SY17 #井作为单井试验井，进行真空抽水和非真空抽水试验，对比分析真空降水效果；然后进行群井试验，分析群井真空抽水真空度和水量变化情况。
（1）出水量单井对比试验
选取SY17#井作为试验井进行出水量对比试验。试验时关闭SY17#井抽气阀门打开潜水泵抽水2小时，然后同时打开抽气阀门和潜水泵2小时，记录出水流量。试验时间从2014年1月19日至2月17日，试验时间为每天9：00-13：00，1月30日-2月4日春节期间停止观测。单井抽水试验17#井结果如表6所示：
（2）出水量群井对比试验
单井试验的同时进行多井试验。选取SY06 #、SY16 #、SY18 #井作为试验井进行出水量对比试验。试验时关闭所有井抽气阀门打开潜水泵抽水2小时，然后同时打开抽气阀门和潜水泵2小时，记录出水流量。试验时间从2014年1月19日至2月17日，试验时间为每天14：00-18：00，1月30日-2月4日春节期间停止观测。试验结果如表7、表8和表9所示：
从试验结果得出，单井抽水试验中，SY17#井真空抽水平均出水量为0.011m3/h，非真空抽水出水量为0.0069m3/h，SY17#井真空抽水时非真空抽水出水量的1.59倍。
群井抽水试验中，SY06#井真空抽水平均出水量为0.13m3/h，非真空抽水出水量为0.08m3/h，SY06#井真空抽水时非真空抽水出水量的1.63倍；SY16#井真空抽水平均出水量为0.04m3/h，非真空抽水出水量为0.029m3/h，SY16#井真空抽水时非真空抽水出水量的1.34倍；SY18#井真空抽水平均出水量为0.21m3/h，非真空抽水出水量为0.1m3/h，SY18#井真空抽水时非真空抽水出水量的2.1倍。
3.2.2 真空度监测
试验监测期间真空度的变化如图4所示：
从图3可以看出，各井室的真空度随着时间的推移出现下降的趋势。通过与隧道施工进度的对比，真空度在一定程度上受到了隧道开挖的影响，隧道开挖导致土体产生“空腔”，真空井内的空气补充比未开挖时充足，导致真空度有一定的下降趋势。
四 日常监测
区间风井～2号竖井区段为真空管井降水段，设计井数126眼，其中真空试验段28眼，局部因公交站台等原因无法打设。真空降水井实施范围如图1所示。
和试验段抽水监测相对应，抽水试验结束后，对SY06、SY16、SY17、SY18号降水井进行长期监测。本报告监测数据日期从2014年2月19日至8月21日，监测数据见附件。
通过对真空井的流量监测发现，真空抽水的水量虽然会出现波动，但总体上保持稳定，说明抽水速率和地下水补给保持了平衡，并能够应对地下水补给量偶然增大的情况。同相邻非真空井相比，真空降水井的流量稳定且较大，降水优势明显。监测数据见附件。
对于真空度的监测，选择了SY06、SY11、SY12、SY13、SY14、SY17、SY18、SY19、SY22、SY23、SY24、SY25进行监测，监测结果如图5～图17所示：
从真空度的监测数据可以看出，真空管井中的真空度随着时间的推移总体上产生下降，一方面是因为隧道开挖导致的气体补充，另一方面水位下降后土体孔隙中气体通道产生连通。建议在施工过程中监测隧道开挖面的带水情况，如出现渗水严重的情况，可针对具体区域提高某个或某几个真空管井的抽气量，增大真空井的抽降范围和抽水能力。
五 真空管井降水段隧道内降水效果
一号竖井附近采用普通管井进行降水，在施工过程中带水工作严重，严重影响了施工速度，给施工造成了很大不便。但是在真空降水段，由于真空管井的主動抽吸作用，土层中的孔隙水疏干程度较好，井下带水作业得到了很好的改善。
由于部分井位设计紧邻公交车站，路面条件限制无法进行降水井的施工（采取洞内隐排和注浆止水处理），致使井下带水作业现象严重。
通过对真空管井降水段和普通管井降水段井下情况的对比可以看出，普通管井降水随能把大部分自由水抽排出去，但残留水较多，开挖面渗水严重，隧道底板积水较多，施工环境恶劣，严重阻碍了施工人员和机械的正常作业，影响施工进度和施工安全。而真空管井降水能够为隧道的施工提供良好的作业环境，开挖面渗水量很小甚至没有渗水，隧道底板没有积水，便于施工人员和机械的顺利工作，也保证了井下的作业安全。
六 真空管井降水后土质分析
在真空管井降水段的隧道内取土样，测试土体的含水量、密度、粘聚力、内摩角、液塑限、压缩系数等物理力学参数，土样取自试验段SY17～SY18井之间隧道中部。测试所得土样的物理参数如表10所示：
在降水之前，对区段内土体进行勘察，测试土体的物理力学参数。根据勘察报告，降水之前同土层的物理力学参数如表11：
通过对比表10、表11可以看出，真空降水后土体的含水量显著降低，密度、压缩模量、粘聚力和内摩擦角明显增大，真空降水作用后土体的力学指标显著增强。
由于真空管井在地下水的渗流过程中大幅提高了水力梯度，提高了渗透力，因此在降水过程中一些粉细颗粒会进入井中沉积，严重时可能会产生埋泵等现象，因此需要对真空管井降水时抽排出的土颗粒进行分析，并和普通管井降水法排出的土颗粒进行对比。 首先将真空泵关停，运用普通管井降水法抽水，运行2天后在出水口取500ml水样，然后打开真空泵，运用真空管井降水法抽水，运行2天后在出水口取500ml水样。在试验室将两个水样进行充分摇晃，可以观察到真空降水抽出的水样较为浑浊，普通管井抽水水样较清澈，普通管井法水样、自来水和真空降水法水样直观对比如图52所示：
将两种水样分别通过滤纸过滤，可以观察到真空降水法的水样过滤出的土颗粒明显比非真空降水法的多，如图20所示，两种降水方法水的含砂率对比如表12所示。然后将真空降水法水样中的土颗粒通过Bettersize2000粒度分析仪对土颗粒的粒径进行分析，结果如图21所示：
目前尚未有相关规范明确对真空管井降水工程施工质量的验收标准作出要求，本项目暂根据北京市建设工程技术企业标准（QGD-013-2005）《轨道交通降水工程施工质量验收标准（2005）》和《建筑与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）》进行分析，以上标准和规范对各形式的降水工程含砂量做了要求，粗砂含量小于1/50000，中砂含量小于1/20000，细砂含量小于1/10000。
从粒径分析结果可以看出，真空抽水抽出的土颗粒最大粒径为48.57μm，远小于细砂的定义（粒径大于0.075mm的颗粒质量大于总质量85%的为细砂），也比粉砂的定义小（粒径大于0.075mm的颗粒质量大于总质量50%的为细砂）。从含砂量分析结果可以看出，真空抽水的细砂含量为1.5/10000，略高于以上两个标准，但由于其粒径远小于规范规定的粒径，所以不会对降水施工造成影响，现场施工过程中也没有因为井内的细砂采取其它措施。在今后的施工过程中，需要提高管井透水段无纺布等滤水层的制作质量，可通过选用较密网布和增加缠绕次数等方式防止过多土颗粒流入井中。同时，在应用真空管井降水法时要对所处土层进行分析，估计粉细颗粒进入井内数量的大小，尤其是在级配不均匀的土层中更应加强分析。
八 技术经济对比分析
在进行技术经济对比分析时，首先对真空管井和普通管井的构造及所需设备情况进行单井成本分析；然后选取约100米范围内的真空管井降水段和普通管井降水段进行区域对比分析，真空管井段选择区间风井向东100米范围内南北两侧的21眼真空管井，间距北侧为10米，南侧11米，井深23米，普通管井共计30眼，南北两侧间距均约7米，井深25米。潜水泵泵量5m3/h，功率3kW/h；真空泵功率11kW，共计6套。
由于真空管井的作用范围比普通管井大，因此真空管井的井距比普通管井的井距大，从而使相同长度范围内的井数减少。同时，由于真空管井降水需要安装真空泵、压力表和井口密封段等，会比普通管井在某些方面的设备投入大。因此，真空管井降水法和普通管井降水法在技术经济方面的优劣需要综合各方面因素进行分析。
8.1 单井成本分析
真空管井比普通管井投入多的部分包括真空泵、井口密封装置、井身密封段粘土层和井口压力表，真空泵、井口密封装置和压力表按照二次摊销计算。真空管井的单井成本组成如表13所示，表中真空泵、井口密封装置、井身密封段粘土层和井口压力表的单价为设备摊销后的单价。
通过表13、表14计算得到单口真空井成本比普通管井成本高2502元。
8.2 同等长度区段内成本分析
根据现场井位布置，100米区段内有真空井21口，普通管井30口，根据表13、表14的分析结果，100米区段内真空管井和普通管井的成本如表15：
根据表15中的计算结果，100米区段内真空管井成本比普通管井成本减少了30325.92元。
8.3 运行成本对比分析
在电费对比分析中，真空泵安装了自动控制测试系统进行节电控制，根据第六章的监测数据结果，潜水泵的节电效率取99%，真空泵的节电效率取25%，抽水周期按照8个月计算，对比结果如表16所示：
由表16可得采用了自动控制系统后，真空管井运行8个月比普通管井节省电费225058.2元。
综合以上分析，单口真空管井成本比普通管井增加2502元，100米范围内的真空管井系统费用比普通管井节省30325.92元；采用了自动控制系统后真空管井持续运行8个月后比普通管井节省电费225058.2元，经济效益明显。在采用了真空管井降水后，区域内降水效果良好，没有采用其它排水措施，而靠近公交车站的区域没有采用真空管井，井下出水量大，采用了注浆堵水的措施，耗费614263元。因此，真空管井降水法减少了降水工程成本，并提高了降水效果。
九 结论和建议
通过现场监测和试验分析，真空管井降水法在本标段的应用主要取得了如下结论：
1、真空管井降水抽水效率显著提高，抽水效率比普通管井可普遍提高0.5倍以上。真空管井为井下作业提供了良好的无水环境，隧道内开挖面基本无水渗出，保证了施工的顺利进行。真空降水后土体的力学指标显著增强，有利于隧道的掘进开挖。
2、自控测试控制系统能够自动记录大量施工数据，减少人工工作量，同时能够根据施工需要控制真空泵和水泵的工作时间，减少电力消耗，潜水泵节电可达99%，真空泵节电25%以上。
3、通过技术经济分析，单口真空管井成本比普通管井增加2502元，100米范围内的真空管井系统成本比普通管井节省30325.92元；采用了自动控制系统后真空管井持续运行8个月后比普通管井节省电费225058.2元，经济效益明显。
4、真空管井降水没有对地面沉降造成明显影响，地面沉降值均在合理控制范围内，在工程中可不考虑真空作用产生的附加沉降。
在施工和监测过程中针对出现的问题提出一些建议，以期在今后的真空降水工程中加以应用：
1、针对真空管井降水過程中含砂量超过现行规范的问题，可通过在透水段外增加滤网缠绕层数、提高滤网密度的方法加以解决。
2、在监测过程中发现一些井的真空度较低，原因是井身上部的密封段长度不足，井口密封不够，在今后的管井制作过程中要尤其注意井的密封性。
3、由于地层等原因，有些地段真空井的真空度可能会不高，如果自动监测控制系统按照真空度值控制真空泵的开启，会导致真空泵频繁开关，不仅达不到节电效果还可能会损坏设备。针对这种情况，有必要将自动控制系统的控制模式由指标控制模式调整为时间控制模式，即在不影响降水效果的前提下，将按照真空度值进行控制调整为按照实际所需真空泵开启时间进行控制，合理安排真空泵的开启时间，避免频繁开关。