砂卵石地層中暗挖地鐵車站止水方案研究

秦東平

（1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京 100068；2.城市軌道交通全自動運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室 北京 100068）

1 引言

隨著我國市政基礎(chǔ)設(shè)施和地鐵建設(shè)全面開展，地鐵工程穿越的環(huán)境越來越復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計，北京新地鐵線網(wǎng)的某些換乘位置，地下30 m范圍內(nèi)新建線路已難以與既有線路在車站位置形成換乘，新建站位及區(qū)間將在地下超30 m深度設(shè)置[1]。

結(jié)構(gòu)埋深越來越大，地下水處理變得更加困難，地下水控制新技術(shù)研發(fā)迫在眉睫。在北京，以往的市政、地鐵工程暗挖施工，以降水為主，日降水量可達(dá)20萬～60萬m3，年降水量可達(dá)數(shù)億立方米。緊缺的水資源，已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的瓶頸。

北京市政府采用稅收手段來引導(dǎo)地下水處理措施由降水向止水轉(zhuǎn)變。對于施工期間抽取地下水直接外排的情況，收取4.3元／m3的水資源稅[2]。對于施工期間大量抽取地下水的地鐵車站，降水高峰期間，單個車站每天的水資源稅竟達(dá)數(shù)十萬元。

以往的暗挖工程大部分都采用降水作為建設(shè)的前提，采用止水的地下工程多集中在明挖結(jié)構(gòu)和小體量的暗挖結(jié)構(gòu)，如區(qū)間隧道、聯(lián)絡(luò)通道等[3－6]。鑒于當(dāng)前地鐵建設(shè)形勢，無論從社會效益還是經(jīng)濟(jì)效益考慮，都需要積極探討以止水為主的暗挖地鐵車站地下水處理方案。

2 工程概況

北京地鐵某車站，站位處于北三環(huán)，站臺為14 m寬的地下三層島式車站。標(biāo)準(zhǔn)斷面寬23.9 m、高23 m，車站總長度為247 m，車站拱頂覆土15 m，底板埋深39 m，采用4導(dǎo)洞“PBA”工法施工（見圖1）。

圖1 車站結(jié)構(gòu)橫剖面（單位：mm）

工程所處場地地貌屬于永定河沖洪積扇，主要土層從地面自上而下依次為：素填土①、粉土③、粉質(zhì)黏土③1、粉細(xì)砂③3、粉質(zhì)黏土④、卵石～圓礫⑤、卵石⑨、粉細(xì)砂⑨2、粉質(zhì)黏土⑨3、卵石○11，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 場地土層物理力學(xué)指標(biāo)

場地內(nèi)主要需處理的地下水為層間潛水（四），含水層巖性為卵石⑦層、中粗砂⑦1層、粉細(xì)砂⑦2層、卵石⑨層、粉細(xì)砂⑨2層、粉細(xì)砂⑩3層、卵石○11層及粉細(xì)砂○112層等。該含水層由于粉質(zhì)黏土⑨3層及粉土⑨4層的存在而具有一定的承壓性。含水層分布廣泛，厚度大，富水性較好，其中卵石⑨層和卵石○11層的滲透系數(shù)分別為230 m／d和240 m／d，屬于強(qiáng)透水層。車站底板進(jìn)入層間潛水（四）7.5 m（見圖2）。

圖2 水文地質(zhì)縱剖面

3 地下水處理方案

北京地區(qū)的暗挖工程，尤其是大體量的暗挖車站，一直以降水為作業(yè)環(huán)境條件。但由于本站體量大、進(jìn)入含水層深度大、地層滲透性高，施工期間降水量巨大。根據(jù)地勘資料估算，主體施工階段單日降水量約為10萬m3，大約能充滿40個標(biāo)準(zhǔn)泳池，整個施工期間的總降水量將高達(dá)3 500萬m3，將帶來地下水的極大浪費(fèi)。更為嚴(yán)重的是，如此大量的地下水排入市政管網(wǎng)，與強(qiáng)降雨天氣下地下管網(wǎng)接納的雨水疊加，將超出周邊地下管網(wǎng)的排水能力極限，市政管網(wǎng)的排水能力無法滿足地鐵車站施工的安全要求。

本站作為采用暗挖法施工的地鐵車站，止水處理存在兩大難題：一是由于暗挖工程的作業(yè)空間狹小，常規(guī)止水施工所采用的咬合式排樁、攪拌樁等大型設(shè)備無法使用；二是本工程所處場地存在一層厚度非常大的強(qiáng)透水卵石層（卵石⑨和卵石○11），最深的地質(zhì)鉆孔鉆探至地下65 m，仍未鉆透卵石層，未能發(fā)現(xiàn)能夠利用的隔水層。在80 kPa的高水頭作用下，一旦暗挖車站的堵水出現(xiàn)漏點，對施工安全會造成嚴(yán)重影響。

鑒于上述原因，研究了一種適用于暗挖地鐵車站的新型止水組合方式，即咬合式排樁和凍結(jié)法相互組合的堵水方法，來解決暗挖車站的堵水問題。車站止水措施如圖3所示。止水體由側(cè)壁和底板兩部分構(gòu)成，其中側(cè)壁由洞內(nèi)咬合式排樁形成止水帷幕，底板由車站內(nèi)多排布置的垂直凍結(jié)管局部凍結(jié)形成凍結(jié)底板。

圖3 車站止水措施橫剖面

對比分析樁間注漿、高壓旋噴、N-JET大直徑旋噴、凍結(jié)法、咬合式排樁，洞內(nèi)咬合式排樁雖屬新工藝，但洞內(nèi)打樁在北京地鐵已屬成熟工藝，采用無鋼筋籠將地層置換為止水材料，并與鋼筋混凝土樁進(jìn)行剛性咬合，可有效改善地層及其滲透性能[7]。

側(cè)壁咬合式排樁，采用鋼筋混凝土樁和素混凝土樁間隔布置，樁徑1 m，間距1.2 m，咬合量0.4 m。咬合式排樁樁長為27 m，嵌入車站底板下9 m，樁底與凍結(jié)體底齊平。

由于在砂卵石地層中采用凍結(jié)止水，在車站底板以下形成不透水的凍結(jié)隔水層，將坑底潛水進(jìn)行阻隔，凍結(jié)隔水層底面以下的水壓力轉(zhuǎn)換為承壓水壓力，凍結(jié)隔水層的厚度由承壓水作用下坑底突涌穩(wěn)定性確定[8]。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》附錄C.0.1[9]：坑底以下有水頭高于坑底的承壓含水層，且未用截水帷幕隔斷其基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系時，承壓水作用下坑底突涌穩(wěn)定性公式為：

式中：γ為承壓水含水層頂面至坑底土層的天然密度（kN／m3），取加權(quán)平均值為 20；hw為承壓含水層頂面的壓力水頭高度（m），取值為基坑外側(cè)水位至承壓含水層頂面的距離，即7.5＋D；rw為水的重度（kN／m3），取值為10。

計算得承壓含水層頂面至坑底的土層厚度D≥9 m。

為滿足基底突涌穩(wěn)定性要求，承壓含水層頂面至坑底的止水厚度D不小于9 m，若此高度范圍內(nèi)全部采用凍結(jié)工程費(fèi)用較大。考慮到基底凍結(jié)的經(jīng)濟(jì)性，凍結(jié)分段進(jìn)行，凍結(jié)管的供液管及回液管采用長、短管構(gòu)造，可以實現(xiàn)局部凍結(jié)。分段凍結(jié)管如圖4所示。基底以下留有3 m的原狀土體不凍結(jié)，僅做防止基底突涌的壓重用，這樣不僅減少了工程造價，也避免了開挖凍土，提高了施工工效。

底板凍結(jié)孔采用底板滿堂鉆孔，周邊凍結(jié)孔采用159 mm鋼管，間距1.25 m，中間凍結(jié)孔采用127 mm鋼筋，間距1.9 m×1.625 m。

圖4 分段凍結(jié)管

車站上部結(jié)構(gòu)施工與常規(guī)的4導(dǎo)洞“PBA”工法類似，其中在上層邊導(dǎo)洞內(nèi)施工咬合式排樁。當(dāng)土方開挖至負(fù)二層中板處，打設(shè)凍結(jié)管，施工負(fù)二層中板，開始積極凍結(jié)。積極凍結(jié)完成后，分層開挖負(fù)三層土方至結(jié)構(gòu)板底，開挖過程中對影響到施工的凍結(jié)管進(jìn)行割除，將剩余凍結(jié)管路歸集后，施工負(fù)三層底板，待負(fù)三層底板達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，解除凍結(jié)（見圖5）。

圖5 施工工序示意

4 止水方案重難點及應(yīng)對措施

4．1 洞內(nèi)咬合式排樁止水技術(shù)

咬合式排樁技術(shù)在地面上應(yīng)用較多，一般可分為軟咬合和硬咬合兩種方式。咬合式排樁硬切割應(yīng)采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工，軟切割宜采用全套管鉆機(jī)施工[10]。不論哪種切割方式，都需要用到大型鉆機(jī)，而在暗挖PBA車站內(nèi)部有限空間內(nèi)進(jìn)行咬合式排樁施工，由于受到導(dǎo)洞凈空限制，類似的大型設(shè)備無法選用。

針對上述問題，需對適應(yīng)于洞內(nèi)有限空間的小體積反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)：為切削咬合素樁，將連接鉆頭處的鉆桿加重；為控制垂直度，每3～4 m添加一道扶正鉆桿（見圖6）。

圖6 洞內(nèi)小型反循環(huán)鉆機(jī)及鉆桿（單位：mm）

素樁材料為強(qiáng)度較低、彈模較低、抗裂性能好的補(bǔ)償收縮膨潤土砂漿。成孔后，采用超聲波檢測技術(shù)對咬合式排樁成孔孔壁進(jìn)行檢測。開挖前，采用電磁波層析成像技術(shù)，對咬合式排樁的滲漏點進(jìn)行檢測。

4．2 分區(qū)凍結(jié)技術(shù)

地鐵車站凍結(jié)體量大，車站一次凍結(jié)電量消耗巨大。為減少峰值用電量，設(shè)置凍結(jié)分區(qū)隔墻和凍結(jié)底板隔墻，綜合考慮凍結(jié)用電量、工期、施工工藝等相關(guān)因素將整個車站分為7個凍結(jié)分區(qū)，每個分區(qū)獨(dú)立凍結(jié)（見圖7）。

圖7 相鄰凍結(jié)分區(qū)

其中單個凍結(jié)分區(qū)，積極凍結(jié)所需冷量100萬kcal／h，相當(dāng)于15個聯(lián)絡(luò)通道。

高峰凍結(jié)用電量6 000 kW，相當(dāng)于20個聯(lián)絡(luò)通道。

4．3 凍結(jié)管路切割歸集技術(shù)

在以往的軌道交通建設(shè)工程中，凍結(jié)法一般在聯(lián)絡(luò)通道等小范圍采用，尚未在暗挖車站中大體量應(yīng)用。凍結(jié)系統(tǒng)難度、凍結(jié)工藝與PBA暗挖車站的土建工藝配合難度均有顯著增加。

由于凍結(jié)管由地下二層中板標(biāo)高向下垂直打設(shè)，地下三層土方開挖過程中勢必會對凍結(jié)管產(chǎn)生影響。凍結(jié)管間距1.9 m，地下三層開挖過程中對凍結(jié)管“隔一割一”，保留的凍結(jié)管間距為3.8 m，可以滿足土方機(jī)械開挖要求。

底板澆筑完成后，至達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度前，這段時間仍需對底板下方的凍結(jié)體進(jìn)行維持凍結(jié)，不能將凍結(jié)管全部割除。為避免大量凍結(jié)管路穿越車站底板防水及結(jié)構(gòu)層，在澆筑底板墊層前，將需保留的凍結(jié)孔臨時割除，并沿車站縱向歸集后立即恢復(fù)（見圖8）。

圖8 凍結(jié)管縱向歸集示意

4．4 凍脹融沉綜合防治技術(shù)

凍結(jié)工法施工后會引起地層溫度場的變化，使周圍地層產(chǎn)生凍脹、融沉，如不能合理預(yù)測和控制，可能會造成地基失穩(wěn)、鄰近建筑物傾斜和產(chǎn)生裂縫、地下管線破壞等不良后果[11]。為應(yīng)對凍漲融沉問題，可采取以下措施：

（1）采用凍結(jié)孔隨鉆注漿，對土體進(jìn)行一定程度地改良，降低地層滲透系數(shù)，適度堵住土壤中的空隙（阻斷水力通道），阻止水分遷移，進(jìn)而控制水分遷移引起的凍脹和融沉[12]。

（2）采用間隙式凍結(jié)。土體產(chǎn)生較大凍脹的主要原因為凍結(jié)過程中水分向凍結(jié)鋒面聚集產(chǎn)生分凝凍脹所造成。通過間歇凍結(jié)對凍結(jié)鋒面附近的擬穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行擾動，使得分凝凍脹難以形成，可有效控制凍脹率。

（3）采取低溫快速凍結(jié)，合理控制凍結(jié)速度、凍結(jié)溫度、凍結(jié)時間，從而達(dá)到控制凍脹融沉的目的。

（4）采用融沉補(bǔ)償注漿。根據(jù)結(jié)構(gòu)底板下土體分層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用車站底板下部土層內(nèi)埋設(shè)注漿閥管的形式進(jìn)行注漿。

5 結(jié)束語

側(cè)壁采用咬合式排樁、底板采用凍結(jié)體的聯(lián)合止水方案，能夠在暗挖車站作業(yè)空間狹小的條件下發(fā)揮兩種不同止水技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)有效地封閉止水。該方案能很好地解決砂卵石地層中暗挖地鐵車站施工過程中的地下水處理問題，不但能夠?qū)崿F(xiàn)有效地封閉止水，為施工創(chuàng)造良好的無水作業(yè)環(huán)境，而且可以減少工程施工對水資源的過度開采和污染，有效保護(hù)地下水資源，實現(xiàn)綠色施工。