暗挖地鐵車站埋深的合理選擇范文
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淺埋暗挖法由于具有不拆遷、不影響交通和不破壞環境等突出優點在城市地鐵車站建設中被廣泛應用。結合目前各城市建設的實際情況和經驗，淺埋暗挖車站覆土一般控制在0．4D（D為開挖跨度）左右，除此之外，還要考慮下穿的管線及構筑物的標高，并預留一定的安全距離。目前的設計過程中，6～8m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條件，此時車站施工一般安全可控且具有一定的經濟性，使用功能也比較便捷。淺埋暗挖法要求無水作業，帶水作業是非常困難的，開挖面的穩定性時刻受到水的威脅，甚至發生塌方［3］。對于暗挖車站，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于不同滲透系數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。但如果遇到特殊水文地質條件（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，導致界面處地下水很難疏干，降水則可能失效。按照常規的車站埋深，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，重則導致塌方；富水界面一般地下水補給充足，土層中細顆粒的流失和泥化現象嚴重，加之車站埋深較淺，很容易造成冒頂事故，殃及地面；同時界面水長期存在對界面周圍地層力學性質降低影響顯著，給暗挖車站拱部開挖施工帶來極大的風險。無法有效降低地下水位時暗挖施工必須采取封堵措施，相關文獻研究主要集中在注漿、旋噴和凍結等止水技術和沉降控制措施，工程實踐和研究表明必須采取地表或洞內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，其付出的投資和工期代價是巨大的。對于暗挖車站站址存在界面水的地質條件，鮮見類似工程實例處理措施的介紹。結合北京地鐵9號線軍事博物館站具體工程，按照常規設計埋深車站拱部位于界面水影響范圍時，通過現場試驗和計算分析重新選擇合適的車站埋深和應對措施，以規避界面水帶來的巨大風險。
1工程概況
北京地鐵9號線軍事博物館站位于中華世紀壇東南側，斜跨復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，西南角為京西賓館及新華社宿舍區，東南角為中國鋁業大廈、恩菲科技大廈及有色冶金屬設計院。路口東約120m為既有地鐵1號線軍事博物館站，車站主體下穿既有1號線軍博站西端區間結構。車站為雙層三跨結構，暗挖法施工，初始設計車站拱頂埋深8．0m。車站所處地層從上到下依次是雜填土①、粉土填土①1、細砂－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。地質橫斷面如圖1所示。車站范圍內地下水類型為潛水，埋深8～8．70m，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為6×10－2～2×10－1cm／s，礫巖層的滲透系數則小于2×10－6cm／該區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定性較差，遇水易膨脹，這部分殘留水若沿槽壁流至結構內，處理不好將造成隧道邊坡土擾動，甚至出現坍塌。因此地下水處理方案采用“以降為主，洞內堵、導、排等綜合措施結合”的原則。
2車站施工中地下水的狀況
車站在豎井開挖時發現地下水位上升至拱部上方，降水井雖然持續進行抽水，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，位于礫巖中的管棚未出現管棚滲流水現象，位于含水砂卵石層中的管棚均出現滿管滲流水現象（見圖2），日出水量約2000m3，無法開挖施工通道。
3抽水試驗及分析
為查清原因，在全封閉布井的條件下對車站1號風井及2號風井進行封閉降水實驗。觀測井布置在豎井中心。1號風井抽水試驗在13：00進行，觀測孔初始水位埋深8．36m（標高41．78m），抽水至觀測孔水位穩定，總抽水量較穩定為止（持續48h），出水量穩定在1317．6m3／d左右，觀測孔水位降深穩定在1．07m左右，觀測井內剩余含水層（卵石層）厚度約09m。抽水實驗S－T歷時曲線見圖3。2號風井觀測孔水位降深穩定在0．71m左右（水位標高40．86m），觀測井內卵礫石含水層（卵石層）厚度剩余約139m。抽水試驗結果表明：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。在礫巖標高較高部位（1號風井）含水層疏干效果稍好，殘留水厚度較小；在礫巖標高較低部位（2號風井），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，地下水補給，同時卵石層中降水井施工質量難以保證。由于軍博周邊環境復雜，中華世紀壇、復興路及下穿既有地鐵1號線等地段很多地方沒有條件布井，不具備封閉降水條件，這對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險。若整個車站全部采用注漿止水，不僅會大大增加車站的施工預算，對周圍地下水產生污染，還會因此耽誤施工進度，對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結果和工程經驗分析來看，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濟且實施效果可靠性差，因此提出避開界面水的設計方案，即降低車站軌面標高，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系，必須留設一定的防水保護層厚度。保護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等綜合因素，一般取幾倍的分層采厚。保護層厚度也可參照下面的經驗公式。經計算，保護層厚度不宜小于3．5m，即確定主體拱部進入礫巖層厚度不小于3．5m，施工通道進入礫巖中最小厚度2．5m。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施工影響，將車站下壓8m，車站覆土厚度約16m，車站拱頂上方礫巖層覆蓋厚度大部在4．5m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方案下沉后車站施工的主要風險為上導洞及拱部施工。拱頂距含水卵石層高度為3．5～5．3m，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；其次，小導洞開挖對地層擾動，難以排除產生次生裂隙的可能，面臨礫巖滲漏水的風險。據此，主要采取以下措施：1）超前探測。小導洞開挖時，先采用鉆機超前探測前方地層及地下水情況，一次施作15m，開挖8m后施作下一循環探測，探測高度控制在拱頂以上1．5m，探測范圍為小導洞起拱線以上部分，每斷面打設3個探測孔。如碰到滲水等情況，提前注漿加固封堵。導洞探測示意圖如圖5所示。2）超前支護。根據探測結果，采取不同的超前支護形式。①探測到前方有水，在掌子面距含水區5m時，采用后退式注漿進行加固處理。加固范圍為開挖輪廓線外2．0m，一次性加固長度15m，注漿漿液采用水泥水玻璃雙液漿；②探測到前方沒有含水區，采用R25N自進式中空注漿錨桿進行超前支護，采用自進式錨桿主要為減小對地層的擾動。
4．3車站主體結構設計車站埋深加大后，結構承受的土壓力和水壓力增加。車站采用洞樁法施工，對于初期支護，施工階段主要是土壓力的增加，根據計算和經驗類比，由于小導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初期支護厚度影響不大。小導洞初期支護厚度300mm，車站拱部初期支護厚度350mm。對于二次襯砌，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800mm增大到直徑1000mm。車站結構橫斷面和參數見圖6及表1。
5施工效果及監測情況
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現界面處地下水豐富，橫通道無法施工，隨后10月6日、24日2次進行抽水試驗，參建各方研究設計施工方案。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。在施工過程中發現，由于車站下沉后避開了界面水，且礫巖層隔水效果比較好，上導洞除局部有滲水進行處理外，大部分地段無滲水出現。下導洞開挖中基本在無水條件下施工，直接取消了自進式錨桿。車站施工中對地表和周邊管線變形進行了監測，監測結果表明，導洞開挖階段，車站上方地表沉降累計平均在33mm左右，管線沉降平均在15．5mm；施工完成后地表沉降累計平均值為52mm，管線沉降23．7mm。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，應結合施工方法、結構形式、斷面大小、工程地質、水文地質及環境條件等因素綜合確定合理的埋置深度［13］，尤其在設計階段應充分重視水文地質對車站安全施工的影響。本工程由于原先忽視工程地質和水文地質對車站的影響，導致方案進行調整。實際在盾構區間聯絡通道也出現類似情況，因工程影響小，沒有引起大家對地質的重視。2）在第四系地層中，淺埋暗挖車站在減少地下水影響后，土體自立性和穩定性可以保證暗挖施工的安全進行。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較大時，由于界面水處理難度大，應考慮淺埋暗挖車站的拱部避開其影響范圍。當然，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。
作者：王寧 單位：中鐵隧道勘測設計院有限公司