復雜環境條件下洞樁法暗挖車站導洞內降水方案研究——以北京地鐵8號線王府井站為例

李鐵生，郝志宏，李松梅，汪玉華

(1.北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100089;2.中鐵隧道集團有限公司洛陽科學技術研究所，河南洛陽 471009)

0 引言

北京地區暗挖法修建地鐵車站時，洞樁法被越來越廣泛地采用［1］。與傳統的暗挖工法(如中洞法、側洞法等)比較，洞樁法是一種暗挖逆作的施工方法，可以較好地控制地層變形［2－3］。

洞樁法修建地鐵車站要求在無水的條件下實施，隧道開挖前需要采用降水措施將地下水位降至開挖面以下。通常降水井在車站結構周邊布置，自地面打設。然而，由于暗挖法車站多位于建筑物、道路和地下管線等設施的密集區，隨著地鐵建設的深入開展和周邊環境條件的日益復雜，地面打設降水井的條件將變得越來越困難，因此有必要研究在地下隧洞內打設降水井(簡稱地下降水)的工程實施方案。

目前，國內實施的地下降水方案均是在地下單獨施作降水導洞，在導洞內打設降水井。比如北京地鐵15號線奧林匹克公園站，在車站東側采用礦山法開挖內凈空為3.5 m×4.5 m的降水導洞，而后在洞內降水。在車站體外單獨設置降水導洞，在施工工序上與車站互不干擾，但存在廢棄工程量大、工程造價高、環境擾動大等一系列問題，應加以改進。

根據洞樁法的工藝特點，洞樁法車站上層施工導洞提供邊樁與中柱的施作空間，可考慮將其適當放大或合并，在其中打設降水井。北京地鐵8號線3期王府井站采用洞樁法施工，是國內第1個在車站施工導洞內降水的暗挖車站，目前國內尚無這方面的實施案例及相關報道。本文以王府井站為工程背景，研究若干種施工導洞內降水的方案，并根據王府井站的自身及環境特點，最終確定采用與洞樁法上邊導洞結合的體外地下降水方案，在工程造價和施工風險增加不大的前提下，成功解決洞樁法地鐵車站的地下降水問題。

1 洞樁法的工藝原理

洞樁法，又稱“PBA”法，在傳統淺埋暗挖工法的基礎上吸收了蓋挖逆作法的特點，靈活多變，適應性強，能夠較好地控制地層變形。采用洞樁法修建地鐵車站時，首先在導洞內施作圍護邊樁、中柱、頂底縱梁和頂拱，共同構成樁(柱)、梁、拱支撐框架體系承受施工過程中的荷載，然后在頂拱和邊樁的保護下，逐層向下開挖土體，施作內部結構，最終形成由外層邊樁、拱頂初期支護和內層二次襯砌組合而成的永久承載體系［4－5］。洞樁法盡管有多種不同的結構型式，但其基本原理是暗挖和逆作，都需要先行開挖導洞并在導洞內施作豎向承載體系［6－8］。表1給出的是目前應用較多的8導洞洞樁法車站的施工步序，其他型式車站的施工步序可參照其確定。

2 王府井站工程概況

王府井站位于王府井大街路下，東長安街北側，與1號線王府井站通過南端2條換乘通道實現換乘。王府井大街南起東長安街，北至中國美術館，全長約1 600 m。王府井站主體結構總長177 m，車站上方路面交通繁忙，且鄰近兩側的大型商業建筑。車站總平面布置如圖1所示。

表1 洞樁法地鐵車站結構施工步序Table 1 Construction sequence of Wangfujing station by PBA method

王府井站為3層3跨島式車站，主體結構采用洞樁法施工，高度為21.22 m，寬度為25.3 m，拱頂覆土厚度約9.4 m，底板埋深約30.6 m(下導洞最深處埋深約32 m)。車站上方分布有雨污水、熱力、電力等眾多市政管線。車站主體結構主要穿越細中砂、粉土、黏土、卵石圓礫等地層。擬建場地內賦存3層地下水，分別為上層滯水、層間水和潛水至承壓水。其中層間水水位標高約28.1 m，含水層巖性主要為卵石④層和細中砂④1層;潛水至承壓水水位標高約18.8 m，含水層巖性主要為卵石⑥層，滲透系數為1.5×10－1cm/s，鉆探揭露卵石部分D大=8 cm，D長=12 cm，D一般=4～6 cm，亞圓形，級配較好，含中砂25% ～30%，局部含顆粒大于20 cm的漂石。車站底板進入潛水至承壓水約7.8 m。車站結構典型橫斷面如圖2所示。

王府井站東側設置出入口、風道、施工豎井等附屬結構，在東側的圍擋內可打設地面降水井，故在車站東側采取地面降水的方案。車站西側鄰近北京飯店(水平距離約6 m)且上方密布雨污水及熱力等管線，由于商業協調難度大和管線密布等原因，無法在地面打設降水井，需采取地下降水的方案。

圖1 王府井站總平面圖Fig.1 General plan of Wangfujing station

圖2 王府井站典型橫斷面圖Fig.2 Typical cross-section of Wangfujing station

3 地下降水方案論證比選

地下降水方案可分為單獨設置降水導洞和結合設置降水導洞2種。由于洞樁法結構型式靈活多變，降水導洞與施工導洞的結合也有多種方案。

3.1 單獨設置降水導洞的地下降水方案

為滿足在地下打設降水井的需要，可在主體結構外單獨施作降水導洞，在導洞內布置鉆機、打設降水井，將其稱為體外單獨導洞降水方案(如圖3所示)。單獨降水導洞的尺寸應能滿足鉆機擺放及其操作空間的要求。

對于體外單獨導洞降水方案而言，降水導洞設置在車站結構外側，與車站分離施工，在工序上互不干擾。該方案不受暗挖主體結構型式限制，適應性強，對于中洞法、側洞法等暗挖工法同樣適用，但也存在如下問題。

1)降水導洞屬于臨時工程，工后需進行回填處理，工程廢棄量大，造價高。

圖3 體外單獨導洞降水方案示意圖Fig.3 Dewatering in separate heading outside the main structure

2)降水導洞鄰近主體結構施工，群洞效應明顯，且兩者之間的土體穩定性差，施工對地層的擾動較大。

3)降水導洞單獨施作，占用車站外側的城市地下空間，不利于地下空間的后期開發利用。

4)降水導洞占用了出入口、風道等附屬結構的路由，給后續工程施工造成了較大障礙。

5)降水導洞與兩側的建(構)筑物距離較近，不利于對其保護。

體外單獨導洞降水方案雖然簡單易行，但也存在上述諸多問題，并不是最優的地下降水解決方案。

3.2 與洞樁法上邊導洞結合的體外地下降水方案

常規的洞樁法上邊導洞主要用于施作邊樁，導洞外側空間后期需回填，內側空間立模澆筑二次襯砌結構。為滿足降水空間的需要，可將上邊導洞尺寸適當擴大，在導洞中布設鉆機并打設降水井，降水井布置在主體結構外側，將其稱為體外上邊導洞降水方案(如圖4所示)。

圖4 體外上邊導洞降水方案示意圖Fig.4 Dewatering from the upper heading outside the main structure

此方案中，為了充分利用上邊降水導洞空間，先在導洞中施作降水井和邊樁，而后再架設導洞中隔壁。此方案應盡量優化打設降水井的鉆機體量，減小上邊降水導洞尺寸。體外上邊導洞降水方案與體外單獨導洞降水方案相比，臨時工程量較小，造價較低，對周邊環境的擾動較小，且占用外側城市地下空間較小。

需要注意的是，由于上邊導洞外擴，若按常規步序施工，將導致在初期支護及二次襯砌扣拱階段，樁頂冠梁外側無法提供拱腳推力，該問題可通過合理安排上邊降水導洞的施工步序來解決。在打設降水井時，降水導洞需要有較大的空間來布設鉆機。當降水井打設完成后，降水導洞僅用來敷設及維護降水管路，因此可將降水導洞底部在一定高度范圍進行回填，來平衡扣拱階段的拱腳推力。上邊降水導洞施工步序如表2所示。

表2給出的是體外上邊導洞降水方案初期支護扣拱(含)之前的施工做法，二次襯砌扣拱及下部主體結構等后續施工見表1。

3.3 與洞樁法上中導洞結合的體內地下降水方案

為滿足降水空間需要，將2個上中導洞合并，形成新的大尺寸上中導洞，然后在導洞中布設鉆機并打設降水井，降水井布置在主體結構內部，將其稱為體內上中導洞降水方案。體內上中導洞降水方案如圖5所示。

與體外上邊導洞降水方案相比，體內降水方案沒有額外的廢棄工程量，工程費用小，而且不會占用車站外部的空間，但也存在以下缺點。

1)由于降水井布置在車站結構內部，要將水位降至開挖面以下，需要加大降深，延長降水時間，降水難度及費用較大。

表2 上邊降水導洞施工步序Table 2 Construction sequence of dewatering from the upper heading

2)下層導洞開挖時遇到降水井需采取保護措施，影響其施工效率和工程安全。

3)降水井與主體結構二次襯砌相交部位防水接頭和施工縫較多，整體質量較差。

4)主體結構內部的降水井最后需要帶壓進行封閉，施工難度和工程風險較大。

3.4 各導洞內降水方案綜合比較

各導洞內降水方案的優缺點比較如表3所示。

4 王府井站地下降水方案的確定

根據王府井站的工程水文地質條件，車站底板進入潛水至承壓水約7.8 m，且含水層為卵石⑥層，滲透系數大。若采用體內地下降水方案，需要在高水頭和高滲透性的地層中進行封井施工，難度極大，工程質量很難保證。經計算，與體外降水方案相比，采用體內降水方案降水量增加值約為2 000 m3/d，將水頭降至底板以下的時間增加約3個月，總工期增加約2個月，綜合工程造價相當。從降水難度、施工降效、工期和封井等多方面因素綜合考慮，本站推薦采用體外降水的方案。

圖5 體內上中導洞降水方案示意圖Fig.5 Dewatering from the upper middle heading inside the main structure

表3 導洞內降水方案綜合比較表Table 3 Comparison and contrast among different dewatering schemes

如前所述，體外單獨導洞降水方案和體外上邊導洞降水方案相比，后者更具優勢，所以最終王府井站采用的是與洞樁法上邊導洞相結合的體外降水方案。

為了盡量減小上邊降水導洞尺寸，將打設降水井的鉆機進行改裝，改進8JH－80型水井鉆機外輪廓尺寸可優化至2.2 m×4.2 m(寬×高)，據此確定的上邊降水導洞內凈空尺寸為5.1 m×5.1 m(寬×高)。目前施工單位已經進行了該鉆機的鉆孔試驗，試驗鉆孔設計孔徑600 mm、孔深40 m，根據降水導洞的尺寸在地面打設簡易棚，模擬洞內環境進行鉆孔施工。試驗結果表明，改裝后的鉆機適合在洞內有限空間內施工，在類似地層中施工普通降水井單井用時在10 h左右，施工效率不低于其他型號的鉆機設備。

優化后的上邊降水導洞凈空尺寸相比常規的上邊導洞(3.5 m×4.5 m)增加并不大，故體外上邊導洞降水方案與常規的地面降水洞樁法車站相比，工程造價和施工風險增加不大。

5 結論與建議

本文結合地鐵8號線3期王府井站的工程背景，提出了洞樁法施工導洞內地下降水方案，并對多種形式的降水方案進行對比分析，得出如下結論。

1)根據洞樁法的工藝特點，王府井站創新性地采用上邊導洞內地下降水方案，減小了工程廢棄量，對地下空間額外占用小，相比傳統的單獨設置降水導洞的方案優勢明顯，為今后洞樁法車站地下降水工程提供了有益的參考。

2)洞樁法施工導洞內地下降水方案中，可根據車站的具體型式將降水井設置在車站結構內部或外部。采用何種降水方案應根據車站的結構型式、工程水文地質條件等綜合確定。

采用地下降水方案需要在導洞內打設降水井，與地面降水相比施工條件差、工效低，在環境條件允許的情況下應優先采取地面降水。并且，施工導洞內降水方案實施的前提是上層導洞未進入地下水，當水位較高時需改進降水導洞與施工導洞的結合型式，因地制宜研究地下降水方案。

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