地鐵暗挖站體施工過程中的降水沉降分析及意義

劉 伍 ，劉文清

（北京市地質工程設計研究院，北京 100050）

0 引言

北京地鐵10號線勁松站是一座暗挖站體，站體位于大型立交橋（勁松橋）正下方，暗挖施工對已有高架橋構成了極大威脅，同時，站體開挖深度內的含水層厚度達12.0m，含水層以中粗砂層及粉土層為主，其中的粉土含水層的抽降疏干會引起顯著的降水沉降，暗挖施工沉降與降水沉降相互疊加，極大的增加了站體在安全性評估方面的難度，因此，對站體的降水沉降進行深入分析，并將降水沉降與暗挖施工沉降進行分解顯得非常重要[1]。

北京地鐵勁松站在暗挖施工過程中曾多次出現(xiàn)險情，地面沉降劇增，高架橋北端側壁擋墻出現(xiàn)明顯裂縫，導致多次停工，曾多次組織專家進行討論、分析、研究，試圖找出控制沉降的有效辦法。但對于暗挖站體來講，沉降監(jiān)測數(shù)值是暗挖施工沉降與降水沉降相互疊加的綜合值，為搞清暗挖施工沉降的真實數(shù)值，將降水沉降從地鐵沉降監(jiān)測綜合數(shù)值中合理分解出來，具有重要意義。下面就以北京地鐵10號線勁松站為例，來分析暗挖施工沉降與降水沉降的疊加與分解問題。

1 工程概況

地鐵勁松站設置在東三環(huán)路與勁松路相交的十字路口處，并位于東三環(huán)東輔路下，勁松橋東側。該站為雙層雙柱三連拱島式車站。風井采用明挖法

施工。風道、主站體采用PBA暗挖法施工，上層設4個導洞，下層設2個導洞。

施工順序：車站施工首先從西北、西南風井及臨時施工豎井處開始，并進行提前降水。導洞施工從東北豎井通過上下橫通道進入上下層導洞往南、北兩個方向開挖，主站體結構全部貫通后，即可從主站體結構向出入口通道端施工，同時可進行出入口明挖段的施工（圖1）。

圖1 勁松站降水井平面布置圖

2 地層及地下水條件

2.1 地層

自上而下依次為：

（1）人工填土層：總厚度1～3m。

粉土填土①層、雜填土①1層；

（2）第四紀新近沉積層：總厚約8m。

粉土②層；粉土③層；粉質粘土④層；粘土④1層；粉土④2層；粉細砂④3層。

（3）第四紀晚更新世沖洪積層：厚度巨大。

圓礫卵石⑤層；中粗砂⑤1層；粉質粘土⑥層；粘土⑥1層；粉土⑥2層；卵石圓礫⑦層；粉質粘土⑧層；卵石圓礫⑨層；中粗砂⑨1層；粉細砂⑨2層（圖2）。

圖2 勁松站主站體縱向地質剖面概化圖

2.2 地下水

地下水觀測時間為2003年11月上-中旬。

第一層地下水：屬上層滯水，水位標高31.16～40.13m（水位埋深0.90～7.70m），含水層為粉土③層、粉細砂③3層，局部為粉土填土①層；

第二層地下水：屬潛水，主要為圓礫卵石⑤層、中粗砂⑤1層、粉細砂⑤2層，透水性好，水位標高為25～26m（水位埋深為12～13m）；

第三層地下水：屬承壓水，含水層主要為卵石圓礫⑨層，滲透系數(shù)大，為強透水層，水頭標高為6.0～7.0m（水位埋深為31～32m），水頭在結構底板附近（表1）。

表1 .地下水情況統(tǒng)計表

3 地下水控制分析

3.1 上層滯水

本站上層滯水處于站體正上方，局部存在，水量不大，但很危險，需要疏干，否則，在站體暗挖施工過程中，非常容易引起車站頂部突然涌水，造成冒頂坍塌。

3.2 潛水

潛水含水層由2種土質組成，上部為中粗砂

⑤1層，下部為粉土⑥2層。

對于傳統(tǒng)的明挖基坑，超飽和的粉土⑥2層構不成真正的含水層，危害相對較小，但對于暗挖站體來說，它就是一個致命的含水層，比粗顆粒含水層更可怕。

主要原因是：本站體的粉土⑥2層塑性指數(shù)Ip=8.1(5.0～9.9)，對于Ip＜7的飽和粉土在開挖后，經長時間暴露會因析水而引起細顆粒土流失，造成隧道拱頂坍塌、側壁滑落，該層分布在車站的中下部，下層導洞的頂部及中部，該層能否有效疏干對暗挖施工影響很大，否則，土建施工應采取必要的注漿加固等止水等措施。因此需要考慮將該層水疏干。

該層潛水厚度較大，約12.0m，幾乎與主站體斷面相重疊，直接影響主站體、風井風道、各出入口橫通道及部分斜通道段的開挖施工，須對其抽降疏干；

3.3 承壓水

水頭標高6.91m，低于結構底標高約4.78m，對車站施工沒有影響。

4 降水引起的沉降預測

4.1 降水方案簡介

根據(jù)場地情況及水文地質條件，本站具備采用管井進行封閉布井的降水條件。為最大程度的減少排水量，本工程按土建施工順序，依次進行封閉降水：風井（臨時豎井）→風道→主站體，將地下水位控制在結構底板以下1m（圖1）。

4.2 降水引起的沉降估算

（1）降水監(jiān)測

本次重點對站體附近的勁松大廈、12層公寓樓、多層住宅（108#、110#、111#、114#）、勁松橋橋樁進行降水沉降預測及監(jiān)測，降水沉降監(jiān)測點布置圖見圖3。

（2）降水引起的沉降預測

在降水漏斗范圍內，對因降水引起的地層再固結沉降量采用分層總合法計算[2-4]。計算公式如下：

圖3 勁松站沉降監(jiān)測點布置圖

式中：

s—計算點的總沉降量（m）；

—第 層土的壓縮模量（MPa）；

在站體開挖深度內存在2層地下水，上層滯水及潛水，其中上層滯水水量較小，不用單獨考慮，主要考慮對潛水的控制，潛水含水層由上下2種地層構成，上部為中粗砂⑤1層，下部為粉土⑥2層，因含水層土質不同及壓縮模量變化較大，本次對其分別計算疏干條件下引起的沉降，其疊加值即為總沉降量。

上部含水層：含水層巖性為中粗砂⑤1層、粉細砂⑤2層，壓縮模量ES0-1=20～30MPa。

下部含水層：含水層巖性為粉土⑥2層，塑性指數(shù)Ip=8.1(5.0～9.9)，壓縮模量ES0-1=7.8(4.9～11.2)MPa。

經估算，降水引起的長期最大沉降部位處于主站體、風井風道部位，估算最大值為32.7mm。

5 降水引起的沉降監(jiān)測成果及分析

5.1 降水沉降數(shù)值分析原則

（1）在暗挖部位的正上方及向兩側一倍開挖深度范圍內，存在開挖變形（豎向及水平向）與降水引起的沉降相疊加的現(xiàn)象，由于降水與開挖工作近于同時進行，因此，將降水沉降與開挖沉降分解難度較大。

（2）地鐵暗挖站體一般按分段開挖施工，如，按風井（臨時豎井）→風道→主站體→出入口順序依次開挖，降水工作與其相對應亦分段啟動，因此，站體不同部位的開挖變形、降水沉降不是同時發(fā)生的，這點在分析過程中須引起足夠注意。

（3）根據(jù)監(jiān)測資料的詳實程度，以站體西北側附近的多層住宅110號建筑及主站體西側的勁松橋監(jiān)測成果為依據(jù)進行降水沉降分析[5~6]。

5.2 110號樓降水沉降分析與結論

（1）沉降監(jiān)測成果

110號樓-沉降過程曲線（圖4）。

圖4 勁松站-勁松1區(qū)110號樓-沉降過程曲線(2-48期)

（2）沉降分析

根據(jù)降水進程、開挖進程及沉降曲線，可以看出：

1）主站體自2004年11月開始進行整體降水，歷時5～9個月，于2005年4～8月，110號樓沉降值進入穩(wěn)定狀態(tài)；

2）監(jiān)測點C J8-1的實測值為32m m（預測值29.9mm），明顯高于其外側的監(jiān)測點CJ8-3、CJ8-5、CJ8-6、CJ8-7實測值27～30mm。

3）從監(jiān)測點與站體的相對位置關系來分析，監(jiān)測點（CJ8-1）位于西北風井南側（風井臨時封底深度21m）約18m處，約為風井的1倍開挖深度。同時距西北風道最近距離約13m，此期間西北風道正在施工上層導洞，導洞底板埋深約16m，可見，監(jiān)測點（CJ8-1）與風道的距離也近于1倍開挖深度。因此，監(jiān)測點CJ8-1（32mm）的沉降結果可近似認為不受開挖變形影響，基本為降水沉降引起。

（3）結論

1）110號樓的監(jiān)測點CJ8-1最大降水沉降的監(jiān)測穩(wěn)定值為32mm，屬于潛水含水層中粗砂⑤1層、粉細砂⑤2層及層間含水層粉土⑥2層在基本疏干條件下的累記穩(wěn)定沉降量；

2）兩層水在疏干后，歷時5～9個月，基本完成了降水沉降。

5.3 勁松橋橋區(qū)降水沉降分析與結論

（1）橋樁情況

橋樁樁端低于主站體底板標高1.4～2.1m，主站體的開挖對西側橋樁會產生明顯影響。

橋樁樁身自上而下貫穿潛水含水層，降水沉降會全部疊加在橋樁上，并通過橋臺沉降監(jiān)測顯現(xiàn)出來。因此，橋臺沉降監(jiān)測值包含了站體開挖沉降及降水沉降。

（2）橋樁沉降監(jiān)測成果

勁松橋-沉降過程曲線（圖5）。

圖5 勁松站-勁松橋-沉降過程曲線（2-45期）

（3）橋樁沉降監(jiān)測成果分析與結論

根據(jù)沉降過程曲線成果，并結合降水進程及地下開挖進程，可以得出如下結論：

1）降水引起地層沉降的階段劃分

依據(jù)沉降監(jiān)測曲線，可大致劃分3個階段：

a.早期直線增長階段（自降水及開挖起～2004年12月）,即，上層導洞貫穿、下層導洞起挖階段:

本期已完成主站體部位的上層潛水（中粗砂⑤1層）疏干，粗顆粒土層的降水沉降快速形成并趨于穩(wěn)定；

b.中期緩慢增長階段（2005年1月～2005年6月）,即，下層導洞開挖并貫穿階段:

本期下層潛水靠正常降水滲流及自開挖斷面快速滲出，向疏干方向發(fā)展，細顆粒土層的降水沉降發(fā)生緩慢，持續(xù)時間較長；

c.后期穩(wěn)定階段（2005年7月～10月）:

本期下層潛水（粉土⑥2層）趨于疏干，細顆粒土層形成的降水沉降已基本完成。

d.主站體扣拱階段：

為2005年10月～12月，即，主站體結構已封閉，地下開挖及結構施工引起的沉降已結束，這種穩(wěn)定已持續(xù)到2006年4月，表明勁松站主站體的土建施工沉降已結束，降水沉降也基本結束。

2）降水疏干周期的判定

主站體部位的潛水上部含水層（中粗砂⑤1層），自2004.11起封閉抽降，很快達到疏干狀態(tài)，后經2004.12～2006.04持續(xù)降水，歷時約15個月的沉降監(jiān)測；

主站體部位的潛水下部含水層（粉土⑥2層），自2004.11起封閉抽降，于2004.11～2005.06基本達到疏干狀態(tài)，后經2005.06～2006.04持續(xù)降水，歷時約10個月的沉降監(jiān)測；

3）有效監(jiān)測點的選取

受主站體、風道、橫通道雙重開挖影響的監(jiān)測點，其沉降監(jiān)測數(shù)值一般較大，應排除。如Q701、Q801；

臨近站體一側（橋區(qū)東界）的監(jiān)測點，受站體開挖影響，監(jiān)測值一般也明顯偏大，不宜采用。如Q301、Q401、Q501、Q601，其沉降數(shù)值一般為30～36mm；

遠離站體一側（橋區(qū)西界）的監(jiān)測點，如Q404、Q504、Q604，其沉降數(shù)值一般為24～28mm。橋區(qū)西界的監(jiān)測點距主站體約25m，主站體最大埋深約26m，恰為主站體開挖深度的1倍，橋區(qū)西界的監(jiān)測點基本處于主站體開挖變形區(qū)以外，即，可認為橋區(qū)西界的沉降監(jiān)測數(shù)值可以認為是降水沉降值，即，此值為潛水含水層（中粗砂⑤1層及粉土⑥2層）基本疏干狀態(tài)下的降水沉降值。

4）結論

橋區(qū)因降水引起的沉降最大值約25mm，屬于將潛水含水層（中粗砂⑤1層及粉土⑥2層）基本疏干條件下的降水沉降值。

6 結論

通過對站體西北側附近的110號樓及橋區(qū)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入分析，對本站的降水沉降結果認識如下：

（1）本站降水沉降最大值約30mm；

（2）本站粗顆粒含水層（中粗砂⑤1層）疏干后，可快速完成因降水引起的地層固結沉降，本站歷經了大約1～2個月時間。

細顆粒含水層疏干所需時間較長，本站含水層⑥2層粉土的疏干大約歷經了7個月，此后大約又歷經了4～5個月才完成因降水引起的地層固結沉降。細顆粒含水層自封閉抽降至沉降穩(wěn)定大約歷經了1年的時間；

（3）在滿足降深條件下，初步形成的穩(wěn)定降水漏斗，隨著降水時間的延續(xù)，降水漏斗會逐漸擴大，降水影響半徑明顯變大，造成降水沉降的范圍隨之變大，在勁松站沉降監(jiān)測成果中表現(xiàn)明顯，遠點的沉降監(jiān)測值明顯大于預測值，近點的沉降監(jiān)測值與預測值基本相符。

7 探討

（1）對于地鐵暗挖站體，須合理布設降水沉降監(jiān)測點，必須測到初始值，保護好測量基準點不被破壞，并根據(jù)開挖及降水進程及時監(jiān)測沉降數(shù)值、量測水位，這是準確分析降水沉降的依據(jù)；

（2）對降水沉降監(jiān)測點實測值造成影響的因素較多，應合理剔除降水以外因素所造成的沉降疊加數(shù)值；

（3）對大型、超大型降水工程應進行必要的科研投入，進行必要的巖土測試。如，固結系數(shù)、先期固結壓力、孔隙水壓力等測試工作，使降水沉降分析更科學、結論更具說服力；

（4）基坑降水所影響的范圍一般較小、歷時時間較短，不易形成充分的降水沉降，其發(fā)生的沉降效果明顯不同于大面積的區(qū)域降水造成的沉降。在實際工作中，應盡可能的收集本地區(qū)降水沉降監(jiān)測成果，采用理論計算預測與工程類比相結合的辦法更為穩(wěn)妥。

（5）降水效果對地鐵暗挖施工的安全性影響極大，如何對地下水進行有效控制，是每一個從事地鐵工程地下水控制的工作者必須深入思考、研究的課題。

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