界面水条件下暗挖地铁车站埋深的合理选择

王 宁（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

界面水条件下暗挖地铁车站埋深的合理选择

王 宁
（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

摘要：根据经验，第四系地层中暗挖地铁车站的埋深常常设置为6～8 m，若车站隧道拱部位于界面水影响范围，则车站施工采用常规支护手段难以保证安全。为了有效规避暗挖地铁车站在富水界面时的施工风险，结合北京地铁9号线军事博物馆站设计过程，通过现场抽水试验和计算分析，提出设计阶段应重视水文地质研究，选择车站合理埋深使其拱顶避开界面水影响范围，提高施工安全性。车站拱部留设的防水保护层厚度据水头高度和隧道开挖跨度确定为4.5 m；施工过程中应加强超前探测，结合探测结果设置帷幕注浆或自进式锚杆等拱部超前支护措施。埋深加大后结构钢管柱应根据受力情况进行加强。

关键词：地铁车站；浅埋暗挖；界面水；埋深

0　引言

浅埋暗挖法由于具有不拆迁、不影响交通和不破坏环境等突出优点在城市地铁车站建设中被广泛应用。结合目前各城市建设的实际情况和经验，浅埋暗挖车站覆土一般控制在0.4 D（D为开挖跨度）左右，除此之外，还要考虑下穿的管线及构筑物的标高，并预留一定的安全距离［1－2］。目前的设计过程中，6～8 m的暗挖车站埋深似乎成了通用做法，较少考虑工程和水文地质条件，此时车站施工一般安全可控且具有一定的经济性，使用功能也比较便捷。

浅埋暗挖法要求无水作业，带水作业是非常困难的，开挖面的稳定性时刻受到水的威胁，甚至发生塌方［3］。对于暗挖车站，地下水的处理主要考虑降水的方法，这方面的研究主要集中在对于不同渗透系数地层采用各种降

水方法，如管井降水、辐射井降水和真空降水等［4－6］。但如果遇到特殊水文地质条件（比如存在界面水），界面水存在于透水地层与不透水地层的界面，由于降水很难在界面形成降水漏斗，导致界面处地下水很难疏干，降水则可能失效。按照常规的车站埋深，暗挖车站拱部若处在富水界面附近，常常由于残留界面水的存在，轻则地面沉降过大，重则导致塌方；富水界面一般地下水补给充足，土层中细颗粒的流失和泥化现象严重，加之车站埋深较浅，很容易造成冒顶事故，殃及地面；同时界面水长期存在对界面周围地层力学性质降低影响显著，给暗挖车站拱部开挖施工带来极大的风险。无法有效降低地下水位时暗挖施工必须采取封堵措施，相关文献研究主要集中在注浆、旋喷和冻结等止水技术和沉降控制措施，工程实践和研究表明必须采取地表或洞内帷幕注浆等措施堵住80%以上的地下水才有可能保证顺利施工［7－12］，其付出的投资和工期代价是巨大的。

对于暗挖车站站址存在界面水的地质条件，鲜见类似工程实例处理措施的介绍。结合北京地铁9号线军事博物馆站具体工程，按照常规设计埋深车站拱部位于界面水影响范围时，通过现场试验和计算分析重新选择合适的车站埋深和应对措施，以规避界面水带来的巨大风险。

1　工程概况

北京地铁9号线军事博物馆站位于中华世纪坛东南侧，斜跨复兴路与羊坊店路路口。路口东北角为中国人民革命军事博物馆，西北角为中央电视台，西南角为京西宾馆及新华社宿舍区，东南角为中国铝业大厦、恩菲科技大厦及有色冶金属设计院。路口东约120 m为既有地铁1号线军事博物馆站，车站主体下穿既有1号线军博站西端区间结构。车站为双层三跨结构，暗挖法施工，初始设计车站拱顶埋深8.0 m。

车站所处地层从上到下依次是杂填土①、粉土填土①1、细砂－粉砂④。顶拱主要位于卵石－圆砾⑤层中；中板和底板分别位于砾岩瑏瑡和瑏瑡1层。地质横断面如图1所示。车站范围内地下水类型为潜水，埋深8～8.70 m，含水层为圆砾⑤层，处于车站拱部附近。卵石圆砾层渗透系数为6×10－2～2×10－1cm／s，砾岩层的渗透系数则小于2×10－6cm／s。

图1　车站地质横断面图（单位：mm）Fig.1 Crosssection of Metro station showing geological conditions（mm）

该区域潜水层存在于基岩面上，基岩面起伏不定，降水井很难将这部分水完全疏干，且基岩顶部砾岩层水稳定性较差，遇水易膨胀，这部分残留水若沿槽壁流至结构内，处理不好将造成隧道边坡土扰动，甚至出现坍塌。因此地下水处理方案采用“以降为主，洞内堵、导、排等综合措施结合”的原则。

2　车站施工中地下水的状况

车站在竖井开挖时发现地下水位上升至拱部上方，降水井虽然持续进行抽水，但卵石与砾岩界面处一直涌水，最终只好采取措施在此界面附近进行注浆堵

水方才安全通过。

竖井封底后开始施工横通道管棚，在此期间降水一直在持续，位于砾岩中的管棚未出现管棚渗流水现象，位于含水砂卵石层中的管棚均出现满管渗流水现象（见图2），日出水量约2 000 m3，无法开挖施工通道。

图2　横通道管棚透水情况Fig.2 Water flowing out through roof pipes of connection tunnel

3　抽水试验及分析

为查清原因，在全封闭布井的条件下对车站1号风井及2号风井进行封闭降水实验。观测井布置在竖井中心。1号风井抽水试验在13：00进行，观测孔初始水位埋深8.36 m（标高41.78 m），抽水至观测孔水位稳定，总抽水量较稳定为止（持续48 h），出水量稳定在1 317.6 m3／d左右，观测孔水位降深稳定在1.07 m左右，观测井内剩余含水层（卵石层）厚度约0.9 m。抽水实验S－T历时曲线见图3。2号风井观测孔水位降深稳定在0.71 m左右（水位标高40.86 m），观测井内卵砾石含水层（卵石层）厚度剩余约1.39 m。

图3　1号风井抽水实验S－T历时曲线图Fig.3 S－T curve of water pumping test

抽水试验结果表明：界面水降水效果差，卵石层中残留水厚度大，且降水的效果差异较大。在砾岩标高较高部位（1号风井）含水层疏干效果稍好，残留水厚度较小；在砾岩标高较低部位（2号风井），即使在封闭降水的条件下，其残留水厚度仍然较大。主要原因是降水井的布置不能形成降水漏斗，卵石层渗透性大，地下水补给，同时卵石层中降水井施工质量难以保证。

由于军博周边环境复杂，中华世纪坛、复兴路及下穿既有地铁1号线等地段很多地方没有条件布井，不具备封闭降水条件，这对控制地下水更为不利，因此，单纯依靠降水方法来保证车站暗挖施工有很大风险。若整个车站全部采用注浆止水，不仅会大大增加车站的施工预算，对周围地下水产生污染，还会因此耽误施工进度，对全线工期造成不利影响。

4　车站下沉方案分析

4.1车站主体下沉高度

从试验结果和工程经验分析来看，采用降水手段很难处理干净界面水，采用注浆堵水的方法不经济且实施效果可靠性差，因此提出避开界面水的设计方案，即降低车站轨面标高，将车站拱部和洞身置于不透水的砾岩中。为保证隧道施工安全和切断上部水力联系，必须留设一定的防水保护层厚度。保护层的厚度可借鉴煤矿安全开采的上限确定方法，在顶水采煤中取决于水体类型、煤层倾角、埋藏条件和岩层性质等综合因素，一般取几倍的分层采厚。保护层厚度也可参照下面的经验公式：

式中：s为保护层厚度，m；h1为水头高度，取3.0 m；h2为坑道宽度，取中跨跨度7.2 m；f为普氏强度，查表或取样试验求得，取2。

经计算，保护层厚度不宜小于3.5 m，即确定主体拱部进入砾岩层厚度不小于3.5 m，施工通道进入砾岩中最小厚度2.5 m。由于车站砾岩面起伏较大，为保证暗挖施工的安全并考虑超前支护施工影响，将车站下压8 m，车站覆土厚度约16 m，车站拱顶上方砾岩层覆盖厚度大部在4.5 m左右。下沉后车站纵断面示意图见图4。

4.2车站主体拱部超前支护方案

下沉后车站施工的主要风险为上导洞及拱部施工。拱顶距含水卵石层高度为3.5～5.3 m，受第三系砾岩起伏较大影响，前方可能存在水囊或砾岩低凹含水区；其次，小导洞开挖对地层扰动，难以排除产生次生裂隙的可能，面临砾岩渗漏水的风险。据此，主要采取以下措施：

1）超前探测。小导洞开挖时，先采用钻机超前探测前方地层及地下水情况，一次施作15 m，开挖8 m后施作下一循环探测，探测高度控制在拱顶以上1.5 m，探测范围为小导洞起拱线以上部分，每断面打设3个探测孔。如碰到渗水等情况，提前注浆加固封堵。导洞探测示意图如图5所示。

图4　下沉后车站纵断面示意图（单位：m）Fig.4 Longitudinal profile of lowered Metro station（m）

图5　导洞超前探测示意图（单位：mm）Fig.5 Advance probing made from pilot tunnel（mm）

2）超前支护。根据探测结果，采取不同的超前支护形式。①探测到前方有水，在掌子面距含水区5 m时，采用后退式注浆进行加固处理。加固范围为开挖轮廓线外2.0 m，一次性加固长度15 m，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆；②探测到前方没有含水区，采用R25N自进式中空注浆锚杆进行超前支护，采用自进式锚杆主要为减小对地层的扰动。

4.3车站主体结构设计

车站埋深加大后，结构承受的土压力和水压力增加。车站采用洞桩法施工，对于初期支护，施工阶段主要是土压力的增加，根据计算和经验类比，由于小导洞跨度小且拱形受力性能较好，埋深的增加引起的受力变化对初期支护厚度影响不大。小导洞初期支护厚度300 mm，车站拱部初期支护厚度350 mm。对于二次衬砌，由于土压力和水压力的增加显著影响了车站梁柱体系的受力，车站钢管柱由一般暗挖双层车站的直径800 mm增大到直径1 000 mm。车站结构横断面和参数见图6及表1。

图6　下沉后车站结构横断面图（单位：mm）Fig.6 Crosssection of lowered Metro station（mm）

表1　车站结构参数表Table 1 Parameters of Metro station structure

5　施工效果及监测情况

军事博物馆车站于2009年5月开工，7月两端施工竖井开挖发现界面处地下水丰富，横通道无法施工，随后10月6日、24日2次进行抽水试验，参建各方研究设计施工方案。2009年12月提出变更方案即车站主体下沉。随后施工过程顺利，未发生大的安全事故，车站主体于2011年5月施工完成。

在施工过程中发现，由于车站下沉后避开了界面水，且砾岩层隔水效果比较好，上导洞除局部有渗水进行处理外，大部分地段无渗水出现。下导洞开挖中基本在无水条件下施工，直接取消了自进式锚杆。

车站施工中对地表和周边管线变形进行了监测，监测结果表明，导洞开挖阶段，车站上方地表沉降累计平均在33 mm左右，管线沉降平均在15.5 mm；施工完成后地表沉降累计平均值为52 mm，管线沉降23.7 mm。地面及管线沉降值比同类型车站在卵石层中引起的管线沉降值减少近1／3，因此车站下沉后避开界面水大大提高了施工的安全性。

6　结论与建议

1）第四系地层采用浅埋暗挖法施工的地铁车站，应结合施工方法、结构形式、断面大小、工程地质、水文地质及环境条件等因素综合确定合理的埋置深度［13］，尤其在设计阶段应充分重视水文地质对车站安全施工的影响。本工程由于原先忽视工程地质和水文地质对车站的影响，导致方案进行调整。实际在盾构区间联络通道也出现类似情况，因工程影响小，没有引起大家对地质的重视。

2）在第四系地层中，浅埋暗挖车站在减少地下水影响后，土体自立性和稳定性可以保证暗挖施工的安全进行。

3）界面水作为一种特殊情况，特别是上方透水地层渗透系数较大时，由于界面水处理难度大，应考虑浅埋暗挖车站的拱部避开其影响范围。当然，拱部避开界面水的影响，可以考虑埋深增大，也可考虑埋深减小，而界面水在浅埋暗挖车站拱部则是最不利的状况。

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Selection of Appropriate Cover Depth for Mined Metro Station under Interfacial Water Condition

WANG Ning
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

Abstract：In normal cases，6～8 m cover depth is taken for mined Metro stations in Quaternary strata in accordance with experience.If the arch of the Metro station tunnel is located in the influence scope of the interfacial water，the safety of the construction of the Metro station cannot be guaranteed by the conventional support means.In the design of the Military Museum station on Line 9 of Beijing Metro，field water pump tests are conducted，and calculations and analysis are made，so as to minimize the risks in the construction of the mined Metro station close to waterrich interface.Conclusions drawn are as follows：1）In the design stage，emphasis shall be paid to the study on the hydrogeological conditions and appropriate cover depth shall be selected for the Metro station so that the crown of the Metro station will not be located within the influence scope of the interfacial water and the construction safety can be improved；2）The thickness of the waterproof protection strata reserved on the top of the arch of the Metro station is determined as 4.5 m in accordance with the water head and the tunnel excavation width；3）During construction，advance probing shall be emphasized and advance reinforcement measures such as curtain grouting and selfboring bolts shall be taken on basis of the advance probing results；4）Due to the increase of the cover depth，the structural steel pipe columns shall be strengthened according to the forceundertaking conditions.

Key words：Metro station；excavation under shallow cover；interfacial water；cover depth

作者简介：王宁（1978—），男，河南南阳人，2000年毕业于西南交通大学，隧道与地下工程专业，本科，高级工程师，主要从事岩土工程设计和岩石力学试验研究方面的工作。

收稿日期：2015－01－08；修回日期：2015－03－12

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）05－0443－06

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.009