王 寧（中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133）

界面水條件下暗挖地鐵車站埋深的合理選擇

王 寧
（中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133）

摘要：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，第四系地層中暗挖地鐵車站的埋深常常設(shè)置為6～8 m，若車站隧道拱部位于界面水影響范圍，則車站施工采用常規(guī)支護(hù)手段難以保證安全。為了有效規(guī)避暗挖地鐵車站在富水界面時(shí)的施工風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合北京地鐵9號(hào)線軍事博物館站設(shè)計(jì)過程，通過現(xiàn)場抽水試驗(yàn)和計(jì)算分析，提出設(shè)計(jì)階段應(yīng)重視水文地質(zhì)研究，選擇車站合理埋深使其拱頂避開界面水影響范圍，提高施工安全性。車站拱部留設(shè)的防水保護(hù)層厚度據(jù)水頭高度和隧道開挖跨度確定為4.5 m；施工過程中應(yīng)加強(qiáng)超前探測，結(jié)合探測結(jié)果設(shè)置帷幕注漿或自進(jìn)式錨桿等拱部超前支護(hù)措施。埋深加大后結(jié)構(gòu)鋼管柱應(yīng)根據(jù)受力情況進(jìn)行加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；淺埋暗挖；界面水；埋深

0　引言

淺埋暗挖法由于具有不拆遷、不影響交通和不破壞環(huán)境等突出優(yōu)點(diǎn)在城市地鐵車站建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。結(jié)合目前各城市建設(shè)的實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，淺埋暗挖車站覆土一般控制在0.4 D（D為開挖跨度）左右，除此之外，還要考慮下穿的管線及構(gòu)筑物的標(biāo)高，并預(yù)留一定的安全距離［1－2］。目前的設(shè)計(jì)過程中，6～8 m的暗挖車站埋深似乎成了通用做法，較少考慮工程和水文地質(zhì)條件，此時(shí)車站施工一般安全可控且具有一定的經(jīng)濟(jì)性，使用功能也比較便捷。

淺埋暗挖法要求無水作業(yè)，帶水作業(yè)是非常困難的，開挖面的穩(wěn)定性時(shí)刻受到水的威脅，甚至發(fā)生塌方［3］。對(duì)于暗挖車站，地下水的處理主要考慮降水的方法，這方面的研究主要集中在對(duì)于不同滲透系數(shù)地層采用各種降

水方法，如管井降水、輻射井降水和真空降水等［4－6］。但如果遇到特殊水文地質(zhì)條件（比如存在界面水），界面水存在于透水地層與不透水地層的界面，由于降水很難在界面形成降水漏斗，導(dǎo)致界面處地下水很難疏干，降水則可能失效。按照常規(guī)的車站埋深，暗挖車站拱部若處在富水界面附近，常常由于殘留界面水的存在，輕則地面沉降過大，重則導(dǎo)致塌方；富水界面一般地下水補(bǔ)給充足，土層中細(xì)顆粒的流失和泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，加之車站埋深較淺，很容易造成冒頂事故，殃及地面；同時(shí)界面水長期存在對(duì)界面周圍地層力學(xué)性質(zhì)降低影響顯著，給暗挖車站拱部開挖施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。無法有效降低地下水位時(shí)暗挖施工必須采取封堵措施，相關(guān)文獻(xiàn)研究主要集中在注漿、旋噴和凍結(jié)等止水技術(shù)和沉降控制措施，工程實(shí)踐和研究表明必須采取地表或洞內(nèi)帷幕注漿等措施堵住80%以上的地下水才有可能保證順利施工［7－12］，其付出的投資和工期代價(jià)是巨大的。

對(duì)于暗挖車站站址存在界面水的地質(zhì)條件，鮮見類似工程實(shí)例處理措施的介紹。結(jié)合北京地鐵9號(hào)線軍事博物館站具體工程，按照常規(guī)設(shè)計(jì)埋深車站拱部位于界面水影響范圍時(shí)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和計(jì)算分析重新選擇合適的車站埋深和應(yīng)對(duì)措施，以規(guī)避界面水帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

1　工程概況

北京地鐵9號(hào)線軍事博物館站位于中華世紀(jì)壇東南側(cè)，斜跨復(fù)興路與羊坊店路路口。路口東北角為中國人民革命軍事博物館，西北角為中央電視臺(tái)，西南角為京西賓館及新華社宿舍區(qū)，東南角為中國鋁業(yè)大廈、恩菲科技大廈及有色冶金屬設(shè)計(jì)院。路口東約120 m為既有地鐵1號(hào)線軍事博物館站，車站主體下穿既有1號(hào)線軍博站西端區(qū)間結(jié)構(gòu)。車站為雙層三跨結(jié)構(gòu)，暗挖法施工，初始設(shè)計(jì)車站拱頂埋深8.0 m。

車站所處地層從上到下依次是雜填土①、粉土填土①1、細(xì)砂－粉砂④。頂拱主要位于卵石－圓礫⑤層中；中板和底板分別位于礫巖瑏瑡和瑏瑡1層。地質(zhì)橫斷面如圖1所示。車站范圍內(nèi)地下水類型為潛水，埋深8～8.70 m，含水層為圓礫⑤層，處于車站拱部附近。卵石圓礫層滲透系數(shù)為6×10－2～2×10－1cm／s，礫巖層的滲透系數(shù)則小于2×10－6cm／s。

圖1　車站地質(zhì)橫斷面圖（單位：mm）Fig.1 Crosssection of Metro station showing geological conditions（mm）

該區(qū)域潛水層存在于基巖面上，基巖面起伏不定，降水井很難將這部分水完全疏干，且基巖頂部礫巖層水穩(wěn)定性較差，遇水易膨脹，這部分殘留水若沿槽壁流至結(jié)構(gòu)內(nèi)，處理不好將造成隧道邊坡土擾動(dòng)，甚至出現(xiàn)坍塌。因此地下水處理方案采用“以降為主，洞內(nèi)堵、導(dǎo)、排等綜合措施結(jié)合”的原則。

2　車站施工中地下水的狀況

車站在豎井開挖時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水位上升至拱部上方，降水井雖然持續(xù)進(jìn)行抽水，但卵石與礫巖界面處一直涌水，最終只好采取措施在此界面附近進(jìn)行注漿堵

水方才安全通過。

豎井封底后開始施工橫通道管棚，在此期間降水一直在持續(xù)，位于礫巖中的管棚未出現(xiàn)管棚滲流水現(xiàn)象，位于含水砂卵石層中的管棚均出現(xiàn)滿管滲流水現(xiàn)象（見圖2），日出水量約2 000 m3，無法開挖施工通道。

圖2　橫通道管棚透水情況Fig.2 Water flowing out through roof pipes of connection tunnel

3　抽水試驗(yàn)及分析

為查清原因，在全封閉布井的條件下對(duì)車站1號(hào)風(fēng)井及2號(hào)風(fēng)井進(jìn)行封閉降水實(shí)驗(yàn)。觀測井布置在豎井中心。1號(hào)風(fēng)井抽水試驗(yàn)在13：00進(jìn)行，觀測孔初始水位埋深8.36 m（標(biāo)高41.78 m），抽水至觀測孔水位穩(wěn)定，總抽水量較穩(wěn)定為止（持續(xù)48 h），出水量穩(wěn)定在1 317.6 m3／d左右，觀測孔水位降深穩(wěn)定在1.07 m左右，觀測井內(nèi)剩余含水層（卵石層）厚度約0.9 m。抽水實(shí)驗(yàn)S－T歷時(shí)曲線見圖3。2號(hào)風(fēng)井觀測孔水位降深穩(wěn)定在0.71 m左右（水位標(biāo)高40.86 m），觀測井內(nèi)卵礫石含水層（卵石層）厚度剩余約1.39 m。

圖3　1號(hào)風(fēng)井抽水實(shí)驗(yàn)S－T歷時(shí)曲線圖Fig.3 S－T curve of water pumping test

抽水試驗(yàn)結(jié)果表明：界面水降水效果差，卵石層中殘留水厚度大，且降水的效果差異較大。在礫巖標(biāo)高較高部位（1號(hào)風(fēng)井）含水層疏干效果稍好，殘留水厚度較??；在礫巖標(biāo)高較低部位（2號(hào)風(fēng)井），即使在封閉降水的條件下，其殘留水厚度仍然較大。主要原因是降水井的布置不能形成降水漏斗，卵石層滲透性大，地下水補(bǔ)給，同時(shí)卵石層中降水井施工質(zhì)量難以保證。

由于軍博周邊環(huán)境復(fù)雜，中華世紀(jì)壇、復(fù)興路及下穿既有地鐵1號(hào)線等地段很多地方?jīng)]有條件布井，不具備封閉降水條件，這對(duì)控制地下水更為不利，因此，單純依靠降水方法來保證車站暗挖施工有很大風(fēng)險(xiǎn)。若整個(gè)車站全部采用注漿止水，不僅會(huì)大大增加車站的施工預(yù)算，對(duì)周圍地下水產(chǎn)生污染，還會(huì)因此耽誤施工進(jìn)度，對(duì)全線工期造成不利影響。

4　車站下沉方案分析

4.1車站主體下沉高度

從試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)分析來看，采用降水手段很難處理干凈界面水，采用注漿堵水的方法不經(jīng)濟(jì)且實(shí)施效果可靠性差，因此提出避開界面水的設(shè)計(jì)方案，即降低車站軌面標(biāo)高，將車站拱部和洞身置于不透水的礫巖中。為保證隧道施工安全和切斷上部水力聯(lián)系，必須留設(shè)一定的防水保護(hù)層厚度。保護(hù)層的厚度可借鑒煤礦安全開采的上限確定方法，在頂水采煤中取決于水體類型、煤層傾角、埋藏條件和巖層性質(zhì)等綜合因素，一般取幾倍的分層采厚。保護(hù)層厚度也可參照下面的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：s為保護(hù)層厚度，m；h1為水頭高度，取3.0 m；h2為坑道寬度，取中跨跨度7.2 m；f為普氏強(qiáng)度，查表或取樣試驗(yàn)求得，取2。

經(jīng)計(jì)算，保護(hù)層厚度不宜小于3.5 m，即確定主體拱部進(jìn)入礫巖層厚度不小于3.5 m，施工通道進(jìn)入礫巖中最小厚度2.5 m。由于車站礫巖面起伏較大，為保證暗挖施工的安全并考慮超前支護(hù)施工影響，將車站下壓8 m，車站覆土厚度約16 m，車站拱頂上方礫巖層覆蓋厚度大部在4.5 m左右。下沉后車站縱斷面示意圖見圖4。

4.2車站主體拱部超前支護(hù)方案

下沉后車站施工的主要風(fēng)險(xiǎn)為上導(dǎo)洞及拱部施工。拱頂距含水卵石層高度為3.5～5.3 m，受第三系礫巖起伏較大影響，前方可能存在水囊或礫巖低凹含水區(qū)；其次，小導(dǎo)洞開挖對(duì)地層擾動(dòng)，難以排除產(chǎn)生次生裂隙的可能，面臨礫巖滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)此，主要采取以下措施：

1）超前探測。小導(dǎo)洞開挖時(shí)，先采用鉆機(jī)超前探測前方地層及地下水情況，一次施作15 m，開挖8 m后施作下一循環(huán)探測，探測高度控制在拱頂以上1.5 m，探測范圍為小導(dǎo)洞起拱線以上部分，每斷面打設(shè)3個(gè)探測孔。如碰到滲水等情況，提前注漿加固封堵。導(dǎo)洞探測示意圖如圖5所示。

圖4　下沉后車站縱斷面示意圖（單位：m）Fig.4 Longitudinal profile of lowered Metro station（m）

圖5　導(dǎo)洞超前探測示意圖（單位：mm）Fig.5 Advance probing made from pilot tunnel（mm）

2）超前支護(hù)。根據(jù)探測結(jié)果，采取不同的超前支護(hù)形式。①探測到前方有水，在掌子面距含水區(qū)5 m時(shí)，采用后退式注漿進(jìn)行加固處理。加固范圍為開挖輪廓線外2.0 m，一次性加固長度15 m，注漿漿液采用水泥水玻璃雙液漿；②探測到前方?jīng)]有含水區(qū)，采用R25N自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行超前支護(hù)，采用自進(jìn)式錨桿主要為減小對(duì)地層的擾動(dòng)。

4.3車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站埋深加大后，結(jié)構(gòu)承受的土壓力和水壓力增加。車站采用洞樁法施工，對(duì)于初期支護(hù)，施工階段主要是土壓力的增加，根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)類比，由于小導(dǎo)洞跨度小且拱形受力性能較好，埋深的增加引起的受力變化對(duì)初期支護(hù)厚度影響不大。小導(dǎo)洞初期支護(hù)厚度300 mm，車站拱部初期支護(hù)厚度350 mm。對(duì)于二次襯砌，由于土壓力和水壓力的增加顯著影響了車站梁柱體系的受力，車站鋼管柱由一般暗挖雙層車站的直徑800 mm增大到直徑1 000 mm。車站結(jié)構(gòu)橫斷面和參數(shù)見圖6及表1。

圖6　下沉后車站結(jié)構(gòu)橫斷面圖（單位：mm）Fig.6 Crosssection of lowered Metro station（mm）

表1　車站結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Parameters of Metro station structure

5　施工效果及監(jiān)測情況

軍事博物館車站于2009年5月開工，7月兩端施工豎井開挖發(fā)現(xiàn)界面處地下水豐富，橫通道無法施工，隨后10月6日、24日2次進(jìn)行抽水試驗(yàn)，參建各方研究設(shè)計(jì)施工方案。2009年12月提出變更方案即車站主體下沉。隨后施工過程順利，未發(fā)生大的安全事故，車站主體于2011年5月施工完成。

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，由于車站下沉后避開了界面水，且礫巖層隔水效果比較好，上導(dǎo)洞除局部有滲水進(jìn)行處理外，大部分地段無滲水出現(xiàn)。下導(dǎo)洞開挖中基本在無水條件下施工，直接取消了自進(jìn)式錨桿。

車站施工中對(duì)地表和周邊管線變形進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，導(dǎo)洞開挖階段，車站上方地表沉降累計(jì)平均在33 mm左右，管線沉降平均在15.5 mm；施工完成后地表沉降累計(jì)平均值為52 mm，管線沉降23.7 mm。地面及管線沉降值比同類型車站在卵石層中引起的管線沉降值減少近1／3，因此車站下沉后避開界面水大大提高了施工的安全性。

6　結(jié)論與建議

1）第四系地層采用淺埋暗挖法施工的地鐵車站，應(yīng)結(jié)合施工方法、結(jié)構(gòu)形式、斷面大小、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及環(huán)境條件等因素綜合確定合理的埋置深度［13］，尤其在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分重視水文地質(zhì)對(duì)車站安全施工的影響。本工程由于原先忽視工程地質(zhì)和水文地質(zhì)對(duì)車站的影響，導(dǎo)致方案進(jìn)行調(diào)整。實(shí)際在盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道也出現(xiàn)類似情況，因工程影響小，沒有引起大家對(duì)地質(zhì)的重視。

2）在第四系地層中，淺埋暗挖車站在減少地下水影響后，土體自立性和穩(wěn)定性可以保證暗挖施工的安全進(jìn)行。

3）界面水作為一種特殊情況，特別是上方透水地層滲透系數(shù)較大時(shí)，由于界面水處理難度大，應(yīng)考慮淺埋暗挖車站的拱部避開其影響范圍。當(dāng)然，拱部避開界面水的影響，可以考慮埋深增大，也可考慮埋深減小，而界面水在淺埋暗挖車站拱部則是最不利的狀況。

參考文獻(xiàn)（References）：

［1］ 廖彩鳳，周順華.淺埋暗挖地鐵車站合理埋深探討［J］.地下空間，1999，19（2）：121－125.（LIAO Caifeng，ZHOU Shunhua.A discussion on rational depth of tunneling for shallow embedded Metro station［J］.Underground Space，1999，19（2）：121－125.（in Chinese））

［2］ 李倩倩.北京地鐵淺埋暗挖隧道合理埋置深度的研究［D］.北京：北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2011.（LI Qianqian.The reasonable buried depth of Beijing subway tunnels by shallow tunnelling method［D］.Beijing：Shool of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，2011.（in Chinese））

［3］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.（WANG Mengshu.Tunneling and underground engineering technology in China［M］.Beijing：China Communications Press，2010.（in Chinese））

［4］ 張學(xué)軍.高水位飽和砂質(zhì)粉土地層淺埋暗挖隧道施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2004，24（2）：28－31.（ZHANG Xuejun.Design and application of mountain climbing belt convey or system：Case study on West Qingling Tunnel［J］.Tunnel Construction，2004，24（2）：28－31.（in Chinese））

［5］ 趙云峰.真空管井復(fù)合降水技術(shù)的試驗(yàn)分析［J］.巖土工程技術(shù)，2011，25（5）：261－266.（ZHAO Yunfeng.Analysis of vacuum composite tube dewatering test［J］.Geotechnical Engineering Technique，2011，25（5）：261－266.（in Chinese））

［6］ 李飛.北京地鐵暗挖隧道施工動(dòng)態(tài)降水的設(shè)想與研究［J］.市政技術(shù)，2014，32（4）：111－115.（LI Fei.Conception and research of dynamic dewatering for subway tunnel excavation in Beijing［J］.Municipal Engineering Technology，2014，32（4）：111－115.（in Chinese））

［7］ 周燁，薛寧，田仁東，等.大跨淺埋隧道極軟巖富水界面綜合施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（2）：125－127.（ZHOU Ye，XUE Ning，TIAN Rendong，et al.Comprehensive construction techniques of shallow largeprofile tunnel along waterrich soft rock interface［J］.Modern Tunnelling Technology，2011，48（2）：125－127.（in Chinese））

［8］ 張頂立.海底隧道不良地質(zhì)體及結(jié)構(gòu)界面的變形控制技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（11）：2161－

2169.（ZHANG Dingli.Deformation control techniques of unfavorable geologic bodies and discontinuous surfaces in subsea tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（11）：2161－2169.（in Chinese））

［9］ 魏健鵬，金奕，朱占穩(wěn)，等.全斷面注漿止水大斷面暗挖技術(shù)［J］.都市快軌交通，2012，25（5）：93－98.（WEI Jianpeng，JIN Yi，ZHU Zhanwen，et al.Fullsection waterstopping grouting for large profile excavation［J］.Urban Rapid Rail Transit，2012，25（5）：93－98.（in Chinese））

［10］ 羅忠，陳明輝.富水砂層中暗挖隧道施工沉降控制技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012，49（2）：125－131.（LUO Zhong，CHEN Minghui.Settlement control of bored tunnels in waterrich sandy stratum［J］.Modern Tunnelling Technology，2012，49（2）：125－131.（in Chinese））

［11］ 周前，趙德剛.水平旋噴樁在富水砂層淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2014，44（4）：52－57.（ZHOU Qian，ZHAO Degang.Application of the horizontal jet grouting pile in waterbearing sandy layer of shallow excavating tunnel［J］.Journal of Shandong University：Engineering Science，2014，44（4）：52－57.（in Chinese））

［12］ 姚直書，蔡海兵，程樺，等.采用長距離水平凍結(jié)暗挖法的淺埋大斷面地鐵隧道施工技術(shù)［J］.中國鐵道科學(xué)，2011，32（1）：75－80.（YAO Zhishu，CAI Haibing，CHENG Hua，et al.Construction technique for the shallowburied subway tunnel with largesection by longdistance horizontal ground freezing method and undermining method ［J］.China Railway Science，2011，32（1）：75－80.（in Chinese））

［13］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

（Ministry of Housing and UrbanRural Development of the People’s Republic of China.GB 50157—2013 Codes for design of Metro［M］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2013.（in Chinese））

Selection of Appropriate Cover Depth for Mined Metro Station under Interfacial Water Condition

WANG Ning
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

Abstract：In normal cases，6～8 m cover depth is taken for mined Metro stations in Quaternary strata in accordance with experience.If the arch of the Metro station tunnel is located in the influence scope of the interfacial water，the safety of the construction of the Metro station cannot be guaranteed by the conventional support means.In the design of the Military Museum station on Line 9 of Beijing Metro，field water pump tests are conducted，and calculations and analysis are made，so as to minimize the risks in the construction of the mined Metro station close to waterrich interface.Conclusions drawn are as follows：1）In the design stage，emphasis shall be paid to the study on the hydrogeological conditions and appropriate cover depth shall be selected for the Metro station so that the crown of the Metro station will not be located within the influence scope of the interfacial water and the construction safety can be improved；2）The thickness of the waterproof protection strata reserved on the top of the arch of the Metro station is determined as 4.5 m in accordance with the water head and the tunnel excavation width；3）During construction，advance probing shall be emphasized and advance reinforcement measures such as curtain grouting and selfboring bolts shall be taken on basis of the advance probing results；4）Due to the increase of the cover depth，the structural steel pipe columns shall be strengthened according to the forceundertaking conditions.

Key words：Metro station；excavation under shallow cover；interfacial water；cover depth

作者簡介：王寧（1978—），男，河南南陽人，2000年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，隧道與地下工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)和巖石力學(xué)試驗(yàn)研究方面的工作。

收稿日期：2015－01－08；修回日期：2015－03－12

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672－741X（2015）05－0443－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.009