地铁暗挖站体施工过程中的降水沉降分析及意义

刘 伍 ，刘文清

（北京市地质工程设计研究院，北京 100050）

0 引言

北京地铁10号线劲松站是一座暗挖站体，站体位于大型立交桥（劲松桥）正下方，暗挖施工对已有高架桥构成了极大威胁，同时，站体开挖深度内的含水层厚度达12.0m，含水层以中粗砂层及粉土层为主，其中的粉土含水层的抽降疏干会引起显著的降水沉降，暗挖施工沉降与降水沉降相互叠加，极大的增加了站体在安全性评估方面的难度，因此，对站体的降水沉降进行深入分析，并将降水沉降与暗挖施工沉降进行分解显得非常重要[1]。

北京地铁劲松站在暗挖施工过程中曾多次出现险情，地面沉降剧增，高架桥北端侧壁挡墙出现明显裂缝，导致多次停工，曾多次组织专家进行讨论、分析、研究，试图找出控制沉降的有效办法。但对于暗挖站体来讲，沉降监测数值是暗挖施工沉降与降水沉降相互叠加的综合值，为搞清暗挖施工沉降的真实数值，将降水沉降从地铁沉降监测综合数值中合理分解出来，具有重要意义。下面就以北京地铁10号线劲松站为例，来分析暗挖施工沉降与降水沉降的叠加与分解问题。

1 工程概况

地铁劲松站设置在东三环路与劲松路相交的十字路口处，并位于东三环东辅路下，劲松桥东侧。该站为双层双柱三连拱岛式车站。风井采用明挖法

施工。风道、主站体采用PBA暗挖法施工，上层设4个导洞，下层设2个导洞。

施工顺序：车站施工首先从西北、西南风井及临时施工竖井处开始，并进行提前降水。导洞施工从东北竖井通过上下横通道进入上下层导洞往南、北两个方向开挖，主站体结构全部贯通后，即可从主站体结构向出入口通道端施工，同时可进行出入口明挖段的施工（图1）。

图1 劲松站降水井平面布置图

2 地层及地下水条件

2.1 地层

自上而下依次为：

（1）人工填土层：总厚度1～3m。

粉土填土①层、杂填土①1层；

（2）第四纪新近沉积层：总厚约8m。

粉土②层；粉土③层；粉质粘土④层；粘土④1层；粉土④2层；粉细砂④3层。

（3）第四纪晚更新世冲洪积层：厚度巨大。

圆砾卵石⑤层；中粗砂⑤1层；粉质粘土⑥层；粘土⑥1层；粉土⑥2层；卵石圆砾⑦层；粉质粘土⑧层；卵石圆砾⑨层；中粗砂⑨1层；粉细砂⑨2层（图2）。

图2 劲松站主站体纵向地质剖面概化图

2.2 地下水

地下水观测时间为2003年11月上-中旬。

第一层地下水：属上层滞水，水位标高31.16～40.13m（水位埋深0.90～7.70m），含水层为粉土③层、粉细砂③3层，局部为粉土填土①层；

第二层地下水：属潜水，主要为圆砾卵石⑤层、中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层，透水性好，水位标高为25～26m（水位埋深为12～13m）；

第三层地下水：属承压水，含水层主要为卵石圆砾⑨层，渗透系数大，为强透水层，水头标高为6.0～7.0m（水位埋深为31～32m），水头在结构底板附近（表1）。

表1 .地下水情况统计表

3 地下水控制分析

3.1 上层滞水

本站上层滞水处于站体正上方，局部存在，水量不大，但很危险，需要疏干，否则，在站体暗挖施工过程中，非常容易引起车站顶部突然涌水，造成冒顶坍塌。

3.2 潜水

潜水含水层由2种土质组成，上部为中粗砂

⑤1层，下部为粉土⑥2层。

对于传统的明挖基坑，超饱和的粉土⑥2层构不成真正的含水层，危害相对较小，但对于暗挖站体来说，它就是一个致命的含水层，比粗颗粒含水层更可怕。

主要原因是：本站体的粉土⑥2层塑性指数Ip=8.1(5.0～9.9)，对于Ip＜7的饱和粉土在开挖后，经长时间暴露会因析水而引起细颗粒土流失，造成隧道拱顶坍塌、侧壁滑落，该层分布在车站的中下部，下层导洞的顶部及中部，该层能否有效疏干对暗挖施工影响很大，否则，土建施工应采取必要的注浆加固等止水等措施。因此需要考虑将该层水疏干。

该层潜水厚度较大，约12.0m，几乎与主站体断面相重叠，直接影响主站体、风井风道、各出入口横通道及部分斜通道段的开挖施工，须对其抽降疏干；

3.3 承压水

水头标高6.91m，低于结构底标高约4.78m，对车站施工没有影响。

4 降水引起的沉降预测

4.1 降水方案简介

根据场地情况及水文地质条件，本站具备采用管井进行封闭布井的降水条件。为最大程度的减少排水量，本工程按土建施工顺序，依次进行封闭降水：风井（临时竖井）→风道→主站体，将地下水位控制在结构底板以下1m（图1）。

4.2 降水引起的沉降估算

（1）降水监测

本次重点对站体附近的劲松大厦、12层公寓楼、多层住宅（108#、110#、111#、114#）、劲松桥桥桩进行降水沉降预测及监测，降水沉降监测点布置图见图3。

（2）降水引起的沉降预测

在降水漏斗范围内，对因降水引起的地层再固结沉降量采用分层总合法计算[2-4]。计算公式如下：

图3 劲松站沉降监测点布置图

式中：

s—计算点的总沉降量（m）；

—第 层土的压缩模量（MPa）；

在站体开挖深度内存在2层地下水，上层滞水及潜水，其中上层滞水水量较小，不用单独考虑，主要考虑对潜水的控制，潜水含水层由上下2种地层构成，上部为中粗砂⑤1层，下部为粉土⑥2层，因含水层土质不同及压缩模量变化较大，本次对其分别计算疏干条件下引起的沉降，其叠加值即为总沉降量。

上部含水层：含水层岩性为中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层，压缩模量ES0-1=20～30MPa。

下部含水层：含水层岩性为粉土⑥2层，塑性指数Ip=8.1(5.0～9.9)，压缩模量ES0-1=7.8(4.9～11.2)MPa。

经估算，降水引起的长期最大沉降部位处于主站体、风井风道部位，估算最大值为32.7mm。

5 降水引起的沉降监测成果及分析

5.1 降水沉降数值分析原则

（1）在暗挖部位的正上方及向两侧一倍开挖深度范围内，存在开挖变形（竖向及水平向）与降水引起的沉降相叠加的现象，由于降水与开挖工作近于同时进行，因此，将降水沉降与开挖沉降分解难度较大。

（2）地铁暗挖站体一般按分段开挖施工，如，按风井（临时竖井）→风道→主站体→出入口顺序依次开挖，降水工作与其相对应亦分段启动，因此，站体不同部位的开挖变形、降水沉降不是同时发生的，这点在分析过程中须引起足够注意。

（3）根据监测资料的详实程度，以站体西北侧附近的多层住宅110号建筑及主站体西侧的劲松桥监测成果为依据进行降水沉降分析[5~6]。

5.2 110号楼降水沉降分析与结论

（1）沉降监测成果

110号楼-沉降过程曲线（图4）。

图4 劲松站-劲松1区110号楼-沉降过程曲线(2-48期)

（2）沉降分析

根据降水进程、开挖进程及沉降曲线，可以看出：

1）主站体自2004年11月开始进行整体降水，历时5～9个月，于2005年4～8月，110号楼沉降值进入稳定状态；

2）监测点C J8-1的实测值为32m m（预测值29.9mm），明显高于其外侧的监测点CJ8-3、CJ8-5、CJ8-6、CJ8-7实测值27～30mm。

3）从监测点与站体的相对位置关系来分析，监测点（CJ8-1）位于西北风井南侧（风井临时封底深度21m）约18m处，约为风井的1倍开挖深度。同时距西北风道最近距离约13m，此期间西北风道正在施工上层导洞，导洞底板埋深约16m，可见，监测点（CJ8-1）与风道的距离也近于1倍开挖深度。因此，监测点CJ8-1（32mm）的沉降结果可近似认为不受开挖变形影响，基本为降水沉降引起。

（3）结论

1）110号楼的监测点CJ8-1最大降水沉降的监测稳定值为32mm，属于潜水含水层中粗砂⑤1层、粉细砂⑤2层及层间含水层粉土⑥2层在基本疏干条件下的累记稳定沉降量；

2）两层水在疏干后，历时5～9个月，基本完成了降水沉降。

5.3 劲松桥桥区降水沉降分析与结论

（1）桥桩情况

桥桩桩端低于主站体底板标高1.4～2.1m，主站体的开挖对西侧桥桩会产生明显影响。

桥桩桩身自上而下贯穿潜水含水层，降水沉降会全部叠加在桥桩上，并通过桥台沉降监测显现出来。因此，桥台沉降监测值包含了站体开挖沉降及降水沉降。

（2）桥桩沉降监测成果

劲松桥-沉降过程曲线（图5）。

图5 劲松站-劲松桥-沉降过程曲线（2-45期）

（3）桥桩沉降监测成果分析与结论

根据沉降过程曲线成果，并结合降水进程及地下开挖进程，可以得出如下结论：

1）降水引起地层沉降的阶段划分

依据沉降监测曲线，可大致划分3个阶段：

a.早期直线增长阶段（自降水及开挖起～2004年12月）,即，上层导洞贯穿、下层导洞起挖阶段:

本期已完成主站体部位的上层潜水（中粗砂⑤1层）疏干，粗颗粒土层的降水沉降快速形成并趋于稳定；

b.中期缓慢增长阶段（2005年1月～2005年6月）,即，下层导洞开挖并贯穿阶段:

本期下层潜水靠正常降水渗流及自开挖断面快速渗出，向疏干方向发展，细颗粒土层的降水沉降发生缓慢，持续时间较长；

c.后期稳定阶段（2005年7月～10月）:

本期下层潜水（粉土⑥2层）趋于疏干，细颗粒土层形成的降水沉降已基本完成。

d.主站体扣拱阶段：

为2005年10月～12月，即，主站体结构已封闭，地下开挖及结构施工引起的沉降已结束，这种稳定已持续到2006年4月，表明劲松站主站体的土建施工沉降已结束，降水沉降也基本结束。

2）降水疏干周期的判定

主站体部位的潜水上部含水层（中粗砂⑤1层），自2004.11起封闭抽降，很快达到疏干状态，后经2004.12～2006.04持续降水，历时约15个月的沉降监测；

主站体部位的潜水下部含水层（粉土⑥2层），自2004.11起封闭抽降，于2004.11～2005.06基本达到疏干状态，后经2005.06～2006.04持续降水，历时约10个月的沉降监测；

3）有效监测点的选取

受主站体、风道、横通道双重开挖影响的监测点，其沉降监测数值一般较大，应排除。如Q701、Q801；

临近站体一侧（桥区东界）的监测点，受站体开挖影响，监测值一般也明显偏大，不宜采用。如Q301、Q401、Q501、Q601，其沉降数值一般为30～36mm；

远离站体一侧（桥区西界）的监测点，如Q404、Q504、Q604，其沉降数值一般为24～28mm。桥区西界的监测点距主站体约25m，主站体最大埋深约26m，恰为主站体开挖深度的1倍，桥区西界的监测点基本处于主站体开挖变形区以外，即，可认为桥区西界的沉降监测数值可以认为是降水沉降值，即，此值为潜水含水层（中粗砂⑤1层及粉土⑥2层）基本疏干状态下的降水沉降值。

4）结论

桥区因降水引起的沉降最大值约25mm，属于将潜水含水层（中粗砂⑤1层及粉土⑥2层）基本疏干条件下的降水沉降值。

6 结论

通过对站体西北侧附近的110号楼及桥区的沉降监测数据进行深入分析，对本站的降水沉降结果认识如下：

（1）本站降水沉降最大值约30mm；

（2）本站粗颗粒含水层（中粗砂⑤1层）疏干后，可快速完成因降水引起的地层固结沉降，本站历经了大约1～2个月时间。

细颗粒含水层疏干所需时间较长，本站含水层⑥2层粉土的疏干大约历经了7个月，此后大约又历经了4～5个月才完成因降水引起的地层固结沉降。细颗粒含水层自封闭抽降至沉降稳定大约历经了1年的时间；

（3）在满足降深条件下，初步形成的稳定降水漏斗，随着降水时间的延续，降水漏斗会逐渐扩大，降水影响半径明显变大，造成降水沉降的范围随之变大，在劲松站沉降监测成果中表现明显，远点的沉降监测值明显大于预测值，近点的沉降监测值与预测值基本相符。

7 探讨

（1）对于地铁暗挖站体，须合理布设降水沉降监测点，必须测到初始值，保护好测量基准点不被破坏，并根据开挖及降水进程及时监测沉降数值、量测水位，这是准确分析降水沉降的依据；

（2）对降水沉降监测点实测值造成影响的因素较多，应合理剔除降水以外因素所造成的沉降叠加数值；

（3）对大型、超大型降水工程应进行必要的科研投入，进行必要的岩土测试。如，固结系数、先期固结压力、孔隙水压力等测试工作，使降水沉降分析更科学、结论更具说服力；

（4）基坑降水所影响的范围一般较小、历时时间较短，不易形成充分的降水沉降，其发生的沉降效果明显不同于大面积的区域降水造成的沉降。在实际工作中，应尽可能的收集本地区降水沉降监测成果，采用理论计算预测与工程类比相结合的办法更为稳妥。

（5）降水效果对地铁暗挖施工的安全性影响极大，如何对地下水进行有效控制，是每一个从事地铁工程地下水控制的工作者必须深入思考、研究的课题。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通工程检测技术规范(GB 50911-2013)[S].北京：中国建筑工业出版社.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.岩土工程勘察规范(GB 50021-2009)[S].北京：中国建筑工业出版社.

[3] 北京市规划委员会，北京市质量技术监督局.城市建设工程地下水控制技术规范(DB11/1115-2014)[S].北京.

[4] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽 教育出版社,2004.

[5] 唐益群，栾长青.上海某地铁车站室内模型试验降水沉降分析[J].重庆建筑大学学报.2008.(2).68～72

[6] 刘 波，徐 薇，杨春英.深基坑开挖降水引起地铁隧道沉降的分析预测[J].安徽理工大学学报（自然科学版）.2010,30(4):17～21.

[7] 王 霆，刘维宁，罗富荣，李兴高.地铁区间浅埋暗挖施工的地表沉降特征[J].都市快轨交通 2009,22(6):81～85.

[8] 姚 斌，吴 坚.在市中心紧邻地铁和保护建筑的大型深基坑设计与施工[J].建筑施工 2008,30(6):428～430.