陸云涌，高 博，馬 濤

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

0 引言

近年來，地鐵施工中輔助降水措施取得了很大成功，有效地保證了施工安全。但伴隨而來的是由降水施工引起的地面沉降問題，降水沉降如何形成、對既有建筑有多大影響或危害、怎樣避免和控制是人們十分關(guān)心和亟待探索解決的問題。

北京地鐵7號線雙井站埋深31.0m，結(jié)構(gòu)施工需將潛水疏干，將承壓水基本疏干。設(shè)計采用管井封閉降水，設(shè)計141眼井，井深43m。按潛水和承壓水完整井計算車站主體排水量達18145m3/d。因該區(qū)域含水層主要為中粗砂層，顆粒較細但水量豐富，不能有效疏干會造成暗挖施工時坍塌、流砂等嚴(yán)重危害，地鐵十號線施工時勁松、雙井、國貿(mào)地區(qū)就出現(xiàn)過嚴(yán)重的地面沉降問題。本文結(jié)合工程實際經(jīng)驗，對降水引起地面沉降原因和如何防治的問題進行總結(jié)和探討。

1 工程概述

北京地鐵7號線雙井站位于北京市朝陽區(qū)，緊鄰北京市CBD核心區(qū)。車站位于廣渠門外大街、廣渠路與東三環(huán)中路交叉口東側(cè)，與既有10號線雙井站T型換乘，10號線路為南北走向，2008年通車運營，7號線路沿廣渠路東西走向（圖1）。

本站為地下兩層雙柱三跨島式車站，站臺寬度14m。車站主體長度237.6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1m，總高16.1m，有效站臺中心處拱頂覆土厚約14m，結(jié)構(gòu)底板埋深約31m。施工場區(qū)主要分布兩層地下水，對結(jié)構(gòu)施工均有影響（圖2）。車站站中軌面標(biāo)高8.714m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)底標(biāo)高7.0m，結(jié)構(gòu)施工受潛水、承壓水影響，需將潛水層疏干，將承壓水層降至結(jié)構(gòu)下1.0m。

圖1 北京地鐵7號線雙井站平面示意圖

圖2 雙井站工程地質(zhì)剖面圖

2 降水方案及設(shè)計參數(shù)

按潛水和承壓水完整井模型，對本站的基坑排水量進行計算，計算結(jié)果見表1。

根據(jù)勘察資料、現(xiàn)場施工場地條件、地下管線情況、現(xiàn)場構(gòu)筑物影響等多方面因素的分析，確定降水方案為：車站主體，采用封閉式管井降水方案；施工豎井前期單獨封閉降水，后期與車站共同封閉降水。

表1 雙井站排水量計算表

3 降水沉降分析

3.1 降水沉降原因分析

造成降水沉降的影響因素較多，綜合分析本工程場區(qū)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、施工工藝等方面因素，主要有如下幾點：①在成井過程中采用反循環(huán)成孔工藝，地表以下淺部回填土被水浸泡和大量抽吸地層顆粒都會引起地面沉降；②由于城區(qū)老地下管線長年滲漏，在管線附近的回填土地層中形成飽和水囊，長期浸泡下的地層非常松軟，降水施工中將飽和水釋放出來后，松軟地層立刻發(fā)生變形引起地面沉降；③由于降水抽取地下水時，在水動力作用下將地層細顆粒帶出，隨著時間推移，范圍不斷擴大，地層中孔隙加大到一定程度后將重新按最適合穩(wěn)定的方式重新組合，這樣就產(chǎn)生了地面沉降；④由于降水抽取地下水，含水層排水后土顆粒承受的有效應(yīng)力增大，這種附加應(yīng)力使土產(chǎn)生固結(jié)，并通過地層向上傳導(dǎo)，引起周圍地面產(chǎn)生沉降。

上述因素都會引起地面沉降，但因含水層排水后產(chǎn)生的固結(jié)沉降作用最大。

3.2 降水固結(jié)沉降計算

本站降水群井抽水時，場區(qū)周邊潛水和承壓水水位降深預(yù)測見圖3、圖4，按沉降理論結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗計算的各重要建筑物預(yù)測沉降值見表2至表4。

可以看到，由降水引起的沉降不容小視，計算漏斗中心最大降水沉降值為20.5mm，遠大于周邊建筑沉降控制要求。而降水漏斗作用造成的同一建筑的差異沉降更加危害建筑物的安全，必須采取有效措施加以防治。

圖3 潛水含水層降深等水位線預(yù)測圖

圖4 承壓水含水層降深等水位線預(yù)測圖

表2 既有地鐵10號線沉降點計算表

表3 造紙廠家屬樓（14層）沉降點計算表

表4 造紙廠家屬樓（6層）沉降點計算表

4 工程措施

4.1 施工中針對性措施

（1）地層細顆粒流失控制措施

對成孔施工時循環(huán)液抽吸地層顆粒、抽取地下水時帶出地層細顆粒的不利影響，在降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝等方面考慮幾項措施：① 成孔施工采用反循環(huán)工藝，為保證鉆進過程中水流循環(huán)及保存鉆孔出渣，不出現(xiàn)因地層漏漿造成塌孔的情況，壘砌單井體積1.5倍的泥漿池；鉆孔通過易塌孔的流砂層或泥漿漏失嚴(yán)重的地層時，調(diào)高泥漿比重至1.1～1.3。② 根據(jù)不同地層選擇相應(yīng)的濾料和濾網(wǎng)。雙井站設(shè)計采用無砂水泥管外壁包80目尼龍網(wǎng)，考慮到地層顆粒較細，填2～4mm濾料防止出砂，濾料要求具有一定的磨圓度，含泥量（含石粉）≤3%。③ 無砂水泥井管接頭對正連接，用塑料布包裹嚴(yán)密后幫條綁扎牢固，防止接口處出砂，保證抽水含砂量控制在充許范圍內(nèi)，有效控制了抽水出砂引起的沉降。④ 抽水維護期間每月對排水口取樣進行化驗，取樣比例10%，保證降水排水粗砂含量＜1/5萬，中砂含量＜1/2萬，細砂含量＜1/1萬，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)井立即停止抽水并作相應(yīng)技術(shù)處理，達標(biāo)后方可使用。

（2）局部飽和水釋放導(dǎo)致地面快速沉降控制措施

局部飽和水囊一般在深6～8m的回填土以上地層中，施工時采用混凝土或鋼護筒護井壁，成井后采用粘土封孔，這樣避免擾動回填土地層，工程實踐證明，這種方法已成功地控制了淺層松軟地層沉降問題。本站降水井為避免管井施工造成淺層細顆粒的流失引起沉降，地面施工管井6m深度范圍內(nèi)井管采用壁管（鋼壁管或水泥壁管，壁管為非進水管），管外填粘土封井。

（3）地層固結(jié)沉降控制措施

土層固結(jié)引起的沉降，只要降排水就不可避免要產(chǎn)生，但對不同的地層、排水量大小、排水時間長短，所產(chǎn)生的沉降量的沉降范圍有所不同。

從場區(qū)水文地質(zhì)條件來看，降水目的含水層為⑤層中粗砂、園礫和⑦層中粗砂、細砂。⑥層粉質(zhì)粘土、⑥2層粉土含水量不大，對暗挖施工影響小，而該層p=5，h=7，Ei=10，理論最大沉降值達10.5mm，對該層沒有降水的必要。

為了防止降水過程中⑥層粉質(zhì)粘土，⑥2層粉土失水固結(jié)，對井結(jié)構(gòu)涉及該層的部分采取用水泥管和壁管（不透水材質(zhì)）做井管，管外填粘土球封井的處理方法。

4.2 防止地面沉降綜合性措施

（1）沉降監(jiān)測

雙井站降水群井抽水時，其降水影響半徑為1417.7m，為了監(jiān)測降水引起的地面和建筑物沉降，對本站4個象限內(nèi)的高大和較近建筑物布置了建筑物沉降監(jiān)測點。在路上位置布設(shè)了地面沉降監(jiān)測點。水準(zhǔn)基點與工作基點的聯(lián)測定為一級，構(gòu)筑物變形點監(jiān)測定為二級。

（2）建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)

由于降水期較長，降水使場區(qū)地下水均衡關(guān)系發(fā)生較大變化，必然對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。為了較準(zhǔn)確地掌握場區(qū)地下水動態(tài)變化，及時采取必要的處理措施，在降水工程實施的同時，建立了地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)。

（3）殘留水處理

本站開挖范圍內(nèi)的潛水含水層疏干，但由于受含水層底板凹凸不平的影響，在含水層底部會產(chǎn)生殘留水，影響基槽開挖和基礎(chǔ)施工。出現(xiàn)這種情況時，為了防止塌方，應(yīng)放慢挖槽速度，及時在側(cè)壁做盲管導(dǎo)流，并在挖盲溝集水，再將集水排走。導(dǎo)流盲管一般采用長0.5m的φ25 mm塑料管，做成花管并纏80目尼龍紗網(wǎng)。由于在降水過程中不對⑥層粉質(zhì)粘土，⑥2層粉土中的飽和水進行處理，在隧道開挖的過程中可能會遇到滲水的情況，根據(jù)具體的滲水情況，在側(cè)壁做盲管導(dǎo)流排水，情況嚴(yán)重的采取注漿的方法。

（4）局部異常水處理措施

由于雙井站周圍管線多且復(fù)雜，可能存在管線漏水情況，由于具體位置不明，水量大小不明，往往造成隧道初支失穩(wěn)，給工程帶來巨大損失。預(yù)防措施如下：① 當(dāng)遇到地下不明構(gòu)筑物時不要盲目破壞，先查明構(gòu)筑物性質(zhì)以及是否含水；② 當(dāng)確定地下構(gòu)筑物含水時，先查明是否有補給水源，斷其補給源（引排或封堵），然后將其中的水抽出排走；③ 當(dāng)以上工作需在基坑內(nèi)或隧道內(nèi)進行時，事先準(zhǔn)備好臨時支護設(shè)施和緊急排水設(shè)施。

（5）地面沉降處理措施

當(dāng)通過沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)建筑物沉降已達到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時，及時查明引起沉降的具體原因，當(dāng)確認(rèn)降水形成的區(qū)域水位下降是造成建筑沉降的主因時，立即采取回灌措施。本站預(yù)先在沉降區(qū)域施工了7眼回灌井，回灌井與降水井之間的距離大于5.0m，如情況嚴(yán)重需要大規(guī)模時，擬應(yīng)急采用豎井周邊降水井充當(dāng)回灌井。如果確認(rèn)降水井質(zhì)量問題是引起沉降的主因時，對問題井進行停泵處理。

5 工程實際效果

北京地鐵7號線雙井站降水工程于2011年3月開始施工，2011年5月完成全部降水井施工并開始抽水。降水效果良好，上下層暗挖導(dǎo)洞已基本貫通，降水沉降監(jiān)測結(jié)果符合設(shè)計要求。

自2011年3月17日開始對暗挖區(qū)北側(cè)最近的兩個住宅樓進行降水沉降監(jiān)測，降水施工開始后，沉降值一直穩(wěn)定小幅增長，最終大部分監(jiān)測點穩(wěn)定在3～4mm，沉降曲線平緩。部分點最大累積沉降達5.1mm，考慮暗挖施工沉降疊加，也屬正常范圍（圖5、圖6）。

6 結(jié)論

（1）對可能引起沉降幾個方面的原因：成孔施工時大量抽吸地層顆粒、施工中釋放局部飽和水使地層變形、抽取地下水時帶出地層細顆粒、含水層排水后附加應(yīng)力改變引起固結(jié)沉降等分析符合本場區(qū)基本情況。

圖5 雙井站造紙廠家屬樓（14層）沉降曲線

圖6 雙井站造紙廠家屬樓（6層）沉降曲線

（2）針對降水施工造成地層細顆粒流失引起沉降的問題，在設(shè)計上根據(jù)不同地層選擇相應(yīng)的濾料和濾網(wǎng)，考慮了井管接頭和定期檢測的措施；在施工工藝方面保證循環(huán)液和泥漿比重；針對局部飽和水釋放導(dǎo)致地面快速沉降的情況，采用成井后粘土封孔的措施，實踐中能起到有效作用。

（3）降排水不可避免會產(chǎn)生地層固結(jié)沉降，合理地對非降水目的層進行封井處理，既防止了地面沉降，又減少了地下水抽排保護環(huán)境，是值得推廣的經(jīng)驗。

[1]《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會. 工程地質(zhì)手冊（第四版）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]周載陽. 地下水開采引起地面沉降的機理研究[J].工程勘察，2012，40(3)：22～26.