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        地鐵暗挖站體施工過程中的降水沉降分析及意義

        2015-12-02 02:40:12劉文清
        城市地質(zhì) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)洞勁松粉土

        劉 伍 ,劉文清

        (北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)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(gòu)成了極大威脅,同時(shí),站體開挖深度內(nèi)的含水層厚度達(dá)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(huì)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(jìn)行深入分析,并將降水沉降與暗挖施工沉降進(jìn)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(xiǎn)情,地面沉降劇增,高架橋北端側(cè)壁擋墻出現(xiàn)明顯裂縫,導(dǎo)致多次停工,曾多次組織專家進(jìn)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(shí)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(shè)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(cè)。該站為雙層雙柱三連拱島式車站。風(fēng)井采用明挖法

        施工。風(fēng)道、主站體采用PBA暗挖法施工,上層設(shè)4個(gè)導(dǎo)洞,下層設(shè)2個(gè)導(dǎo)洞。

        施工順序:車站施工首先從西北、西南風(fēng)井及臨時(shí)施工豎井處開始,并進(jìn)行提前降水。導(dǎo)洞施工從東北豎井通過上下橫通道進(jìn)入上下層導(dǎo)洞往南、北兩個(gè)方向開挖,主站體結(jié)構(gòu)全部貫通后,即可從主站體結(jié)構(gòu)向出入口通道端施工,同時(shí)可進(jìn)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(jì)新近沉積層:總厚約8m。

        粉土②層;粉土③層;粉質(zhì)粘土④層;粘土④1層;粉土④2層;粉細(xì)砂④3層。

        (3)第四紀(jì)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(zhì)粘土⑥層;粘土⑥1層;粉土⑥2層;卵石圓礫⑦層;粉質(zhì)粘土⑧層;卵石圓礫⑨層;中粗砂⑨1層;粉細(xì)砂⑨2層(圖2)。

        圖2 勁松站主站體縱向地質(zhì)剖面概化圖

        2.2 地下水

        地下水觀測時(shí)間為2003年11月上-中旬。

        第一層地下水:屬上層滯水,水位標(biāo)高31.16~40.13m(水位埋深0.90~7.70m),含水層為粉土③層、粉細(xì)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(xì)砂⑤2層,透水性好,水位標(biāo)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(qiáng)透水層,水頭標(biāo)高為6.0~7.0m(水位埋深為31~32m),水頭在結(jié)構(gòu)底板附近(表1)。

        表1 .地下水情況統(tǒng)計(jì)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(xiǎn),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(zhì)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(gòu)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(gè)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(jīng)長時(shí)間暴露會(huì)因析水而引起細(xì)顆粒土流失,造成隧道拱頂坍塌、側(cè)壁滑落,該層分布在車站的中下部,下層導(dǎo)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(yīng)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(fēng)井風(fēng)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(biāo)高6.91m,低于結(jié)構(gòu)底標(biāo)高約4.78m,對車站施工沒有影響。

        4 降水引起的沉降預(yù)測

        4.1 降水方案簡介

        根據(jù)場地情況及水文地質(zhì)條件,本站具備采用管井進(jìn)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(jìn)行封閉降水:風(fēng)井(臨時(shí)豎井)→風(fēng)道→主站體,將地下水位控制在結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(jìn)行降水沉降預(yù)測及監(jiān)測,降水沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖見圖3。

        (2)降水引起的沉降預(yù)測

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

        圖3 勁松站沉降監(jiān)測點(diǎn)布置圖

        式中:

        s—計(jì)算點(diǎn)的總沉降量(m);

        —第 層土的壓縮模量(MPa);

        在站體開挖深度內(nèi)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(dú)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(gòu)成,上部為中粗砂⑤1層,下部為粉土⑥2層,因含水層土質(zhì)不同及壓縮模量變化較大,本次對其分別計(jì)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(xì)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(jīng)估算,降水引起的長期最大沉降部位處于主站體、風(fēng)井風(fēng)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(cè)一倍開挖深度范圍內(nèi),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(shí)進(jìn)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(fēng)井(臨時(shí)豎井)→風(fēng)道→主站體→出入口順序依次開挖,降水工作與其相對應(yīng)亦分段啟動(dòng),因此,站體不同部位的開挖變形、降水沉降不是同時(shí)發(fā)生的,這點(diǎn)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(shí)程度,以站體西北側(cè)附近的多層住宅110號建筑及主站體西側(cè)的勁松橋監(jiān)測成果為依據(jù)進(jìn)行降水沉降分析[5~6]。

        5.2 110號樓降水沉降分析與結(jié)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(jìn)程、開挖進(jìn)程及沉降曲線,可以看出:

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

        2)監(jiān)測點(diǎn)C J8-1的實(shí)測值為32m m(預(yù)測值29.9mm),明顯高于其外側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)CJ8-3、CJ8-5、CJ8-6、CJ8-7實(shí)測值27~30mm。

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

        (3)結(jié)論

        1)110號樓的監(jiān)測點(diǎn)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(xì)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(shí)5~9個(gè)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(jié)論

        (1)橋樁情況

        橋樁樁端低于主站體底板標(biāo)高1.4~2.1m,主站體的開挖對西側(cè)橋樁會(huì)產(chǎn)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(huì)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(jié)論

        根據(jù)沉降過程曲線成果,并結(jié)合降水進(jìn)程及地下開挖進(jìn)程,可以得出如下結(jié)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(gè)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(dǎo)洞貫穿、下層導(dǎo)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(dǎo)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(xì)顆粒土層的降水沉降發(fā)生緩慢,持續(xù)時(shí)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(xì)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(jié)構(gòu)已封閉,地下開挖及結(jié)構(gòu)施工引起的沉降已結(jié)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(jié)束,降水沉降也基本結(jié)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(dá)到疏干狀態(tài),后經(jīng)2004.12~2006.04持續(xù)降水,歷時(shí)約15個(gè)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(dá)到疏干狀態(tài),后經(jīng)2005.06~2006.04持續(xù)降水,歷時(shí)約10個(gè)月的沉降監(jiān)測;

        3)有效監(jiān)測點(diǎn)的選取

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

        臨近站體一側(cè)(橋區(qū)東界)的監(jiān)測點(diǎn),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(yuǎn)離站體一側(cè)(橋區(qū)西界)的監(jiān)測點(diǎn),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(diǎn)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(diǎn)基本處于主站體開挖變形區(qū)以外,即,可認(rèn)為橋區(qū)西界的沉降監(jiān)測數(shù)值可以認(rèn)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(jié)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(jié)論

        通過對站體西北側(cè)附近的110號樓及橋區(qū)的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,對本站的降水沉降結(jié)果認(rèn)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(jié)沉降,本站歷經(jīng)了大約1~2個(gè)月時(shí)間。

        細(xì)顆粒含水層疏干所需時(shí)間較長,本站含水層⑥2層粉土的疏干大約歷經(jīng)了7個(gè)月,此后大約又歷經(jīng)了4~5個(gè)月才完成因降水引起的地層固結(jié)沉降。細(xì)顆粒含水層自封閉抽降至沉降穩(wěn)定大約歷經(jīng)了1年的時(shí)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(shí)間的延續(xù),降水漏斗會(huì)逐漸擴(kuò)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(yuǎn)點(diǎn)的沉降監(jiān)測值明顯大于預(yù)測值,近點(diǎn)的沉降監(jiān)測值與預(yù)測值基本相符。

        7 探討

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

        (2)對降水沉降監(jiān)測點(diǎn)實(shí)測值造成影響的因素較多,應(yīng)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(yīng)進(jìn)行必要的科研投入,進(jìn)行必要的巖土測試。如,固結(jié)系數(shù)、先期固結(jié)壓力、孔隙水壓力等測試工作,使降水沉降分析更科學(xué)、結(jié)論更具說服力;

        (4)基坑降水所影響的范圍一般較小、歷時(shí)時(shí)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(shí)際工作中,應(yīng)盡可能的收集本地區(qū)降水沉降監(jiān)測成果,采用理論計(jì)算預(yù)測與工程類比相結(jié)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(jìn)行有效控制,是每一個(gè)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。

        [1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范(GB 50911-2013)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

        [2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范(GB 50021-2009)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社.

        [3] 北京市規(guī)劃委員會(huì),北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.城市建設(shè)工程地下水控制技術(shù)規(guī)范(DB11/1115-2014)[S].北京.

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