砂卵石地层中暗挖地铁车站止水方案研究

秦东平

（1.北京市轨道交通建设管理有限公司 北京 100068；2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室 北京 100068）

1 引言

随着我国市政基础设施和地铁建设全面开展，地铁工程穿越的环境越来越复杂。据统计，北京新地铁线网的某些换乘位置，地下30 m范围内新建线路已难以与既有线路在车站位置形成换乘，新建站位及区间将在地下超30 m深度设置[1]。

结构埋深越来越大，地下水处理变得更加困难，地下水控制新技术研发迫在眉睫。在北京，以往的市政、地铁工程暗挖施工，以降水为主，日降水量可达20万～60万m3，年降水量可达数亿立方米。紧缺的水资源，已经成为制约经济发展和城市建设的瓶颈。

北京市政府采用税收手段来引导地下水处理措施由降水向止水转变。对于施工期间抽取地下水直接外排的情况，收取4.3元／m3的水资源税[2]。对于施工期间大量抽取地下水的地铁车站，降水高峰期间，单个车站每天的水资源税竟达数十万元。

以往的暗挖工程大部分都采用降水作为建设的前提，采用止水的地下工程多集中在明挖结构和小体量的暗挖结构，如区间隧道、联络通道等[3－6]。鉴于当前地铁建设形势，无论从社会效益还是经济效益考虑，都需要积极探讨以止水为主的暗挖地铁车站地下水处理方案。

2 工程概况

北京地铁某车站，站位处于北三环，站台为14 m宽的地下三层岛式车站。标准断面宽23.9 m、高23 m，车站总长度为247 m，车站拱顶覆土15 m，底板埋深39 m，采用4导洞“PBA”工法施工（见图1）。

图1 车站结构横剖面（单位：mm）

工程所处场地地貌属于永定河冲洪积扇，主要土层从地面自上而下依次为：素填土①、粉土③、粉质黏土③1、粉细砂③3、粉质黏土④、卵石～圆砾⑤、卵石⑨、粉细砂⑨2、粉质黏土⑨3、卵石○11，其物理力学性质见表1。

表1 场地土层物理力学指标

场地内主要需处理的地下水为层间潜水（四），含水层岩性为卵石⑦层、中粗砂⑦1层、粉细砂⑦2层、卵石⑨层、粉细砂⑨2层、粉细砂⑩3层、卵石○11层及粉细砂○112层等。该含水层由于粉质黏土⑨3层及粉土⑨4层的存在而具有一定的承压性。含水层分布广泛，厚度大，富水性较好，其中卵石⑨层和卵石○11层的渗透系数分别为230 m／d和240 m／d，属于强透水层。车站底板进入层间潜水（四）7.5 m（见图2）。

图2 水文地质纵剖面

3 地下水处理方案

北京地区的暗挖工程，尤其是大体量的暗挖车站，一直以降水为作业环境条件。但由于本站体量大、进入含水层深度大、地层渗透性高，施工期间降水量巨大。根据地勘资料估算，主体施工阶段单日降水量约为10万m3，大约能充满40个标准泳池，整个施工期间的总降水量将高达3 500万m3，将带来地下水的极大浪费。更为严重的是，如此大量的地下水排入市政管网，与强降雨天气下地下管网接纳的雨水叠加，将超出周边地下管网的排水能力极限，市政管网的排水能力无法满足地铁车站施工的安全要求。

本站作为采用暗挖法施工的地铁车站，止水处理存在两大难题：一是由于暗挖工程的作业空间狭小，常规止水施工所采用的咬合式排桩、搅拌桩等大型设备无法使用；二是本工程所处场地存在一层厚度非常大的强透水卵石层（卵石⑨和卵石○11），最深的地质钻孔钻探至地下65 m，仍未钻透卵石层，未能发现能够利用的隔水层。在80 kPa的高水头作用下，一旦暗挖车站的堵水出现漏点，对施工安全会造成严重影响。

鉴于上述原因，研究了一种适用于暗挖地铁车站的新型止水组合方式，即咬合式排桩和冻结法相互组合的堵水方法，来解决暗挖车站的堵水问题。车站止水措施如图3所示。止水体由侧壁和底板两部分构成，其中侧壁由洞内咬合式排桩形成止水帷幕，底板由车站内多排布置的垂直冻结管局部冻结形成冻结底板。

图3 车站止水措施横剖面

对比分析桩间注浆、高压旋喷、N-JET大直径旋喷、冻结法、咬合式排桩，洞内咬合式排桩虽属新工艺，但洞内打桩在北京地铁已属成熟工艺，采用无钢筋笼将地层置换为止水材料，并与钢筋混凝土桩进行刚性咬合，可有效改善地层及其渗透性能[7]。

侧壁咬合式排桩，采用钢筋混凝土桩和素混凝土桩间隔布置，桩径1 m，间距1.2 m，咬合量0.4 m。咬合式排桩桩长为27 m，嵌入车站底板下9 m，桩底与冻结体底齐平。

由于在砂卵石地层中采用冻结止水，在车站底板以下形成不透水的冻结隔水层，将坑底潜水进行阻隔，冻结隔水层底面以下的水压力转换为承压水压力，冻结隔水层的厚度由承压水作用下坑底突涌稳定性确定[8]。

根据《建筑基坑支护技术规程》附录C.0.1[9]：坑底以下有水头高于坑底的承压含水层，且未用截水帷幕隔断其基坑内外的水力联系时，承压水作用下坑底突涌稳定性公式为：

式中：γ为承压水含水层顶面至坑底土层的天然密度（kN／m3），取加权平均值为 20；hw为承压含水层顶面的压力水头高度（m），取值为基坑外侧水位至承压含水层顶面的距离，即7.5＋D；rw为水的重度（kN／m3），取值为10。

计算得承压含水层顶面至坑底的土层厚度D≥9 m。

为满足基底突涌稳定性要求，承压含水层顶面至坑底的止水厚度D不小于9 m，若此高度范围内全部采用冻结工程费用较大。考虑到基底冻结的经济性，冻结分段进行，冻结管的供液管及回液管采用长、短管构造，可以实现局部冻结。分段冻结管如图4所示。基底以下留有3 m的原状土体不冻结，仅做防止基底突涌的压重用，这样不仅减少了工程造价，也避免了开挖冻土，提高了施工工效。

底板冻结孔采用底板满堂钻孔，周边冻结孔采用159 mm钢管，间距1.25 m，中间冻结孔采用127 mm钢筋，间距1.9 m×1.625 m。

图4 分段冻结管

车站上部结构施工与常规的4导洞“PBA”工法类似，其中在上层边导洞内施工咬合式排桩。当土方开挖至负二层中板处，打设冻结管，施工负二层中板，开始积极冻结。积极冻结完成后，分层开挖负三层土方至结构板底，开挖过程中对影响到施工的冻结管进行割除，将剩余冻结管路归集后，施工负三层底板，待负三层底板达到设计强度后，解除冻结（见图5）。

图5 施工工序示意

4 止水方案重难点及应对措施

4．1 洞内咬合式排桩止水技术

咬合式排桩技术在地面上应用较多，一般可分为软咬合和硬咬合两种方式。咬合式排桩硬切割应采用全套管全回转钻机施工，软切割宜采用全套管钻机施工[10]。不论哪种切割方式，都需要用到大型钻机，而在暗挖PBA车站内部有限空间内进行咬合式排桩施工，由于受到导洞净空限制，类似的大型设备无法选用。

针对上述问题，需对适应于洞内有限空间的小体积反循环钻机进行改进：为切削咬合素桩，将连接钻头处的钻杆加重；为控制垂直度，每3～4 m添加一道扶正钻杆（见图6）。

图6 洞内小型反循环钻机及钻杆（单位：mm）

素桩材料为强度较低、弹模较低、抗裂性能好的补偿收缩膨润土砂浆。成孔后，采用超声波检测技术对咬合式排桩成孔孔壁进行检测。开挖前，采用电磁波层析成像技术，对咬合式排桩的渗漏点进行检测。

4．2 分区冻结技术

地铁车站冻结体量大，车站一次冻结电量消耗巨大。为减少峰值用电量，设置冻结分区隔墙和冻结底板隔墙，综合考虑冻结用电量、工期、施工工艺等相关因素将整个车站分为7个冻结分区，每个分区独立冻结（见图7）。

图7 相邻冻结分区

其中单个冻结分区，积极冻结所需冷量100万kcal／h，相当于15个联络通道。

高峰冻结用电量6 000 kW，相当于20个联络通道。

4．3 冻结管路切割归集技术

在以往的轨道交通建设工程中，冻结法一般在联络通道等小范围采用，尚未在暗挖车站中大体量应用。冻结系统难度、冻结工艺与PBA暗挖车站的土建工艺配合难度均有显著增加。

由于冻结管由地下二层中板标高向下垂直打设，地下三层土方开挖过程中势必会对冻结管产生影响。冻结管间距1.9 m，地下三层开挖过程中对冻结管“隔一割一”，保留的冻结管间距为3.8 m，可以满足土方机械开挖要求。

底板浇筑完成后，至达到设计强度前，这段时间仍需对底板下方的冻结体进行维持冻结，不能将冻结管全部割除。为避免大量冻结管路穿越车站底板防水及结构层，在浇筑底板垫层前，将需保留的冻结孔临时割除，并沿车站纵向归集后立即恢复（见图8）。

图8 冻结管纵向归集示意

4．4 冻胀融沉综合防治技术

冻结工法施工后会引起地层温度场的变化，使周围地层产生冻胀、融沉，如不能合理预测和控制，可能会造成地基失稳、邻近建筑物倾斜和产生裂缝、地下管线破坏等不良后果[11]。为应对冻涨融沉问题，可采取以下措施：

（1）采用冻结孔随钻注浆，对土体进行一定程度地改良，降低地层渗透系数，适度堵住土壤中的空隙（阻断水力通道），阻止水分迁移，进而控制水分迁移引起的冻胀和融沉[12]。

（2）采用间隙式冻结。土体产生较大冻胀的主要原因为冻结过程中水分向冻结锋面聚集产生分凝冻胀所造成。通过间歇冻结对冻结锋面附近的拟稳定状态进行扰动，使得分凝冻胀难以形成，可有效控制冻胀率。

（3）采取低温快速冻结，合理控制冻结速度、冻结温度、冻结时间，从而达到控制冻胀融沉的目的。

（4）采用融沉补偿注浆。根据结构底板下土体分层沉降监测数据，采用车站底板下部土层内埋设注浆阀管的形式进行注浆。

5 结束语

侧壁采用咬合式排桩、底板采用冻结体的联合止水方案，能够在暗挖车站作业空间狭小的条件下发挥两种不同止水技术的优点，实现有效地封闭止水。该方案能很好地解决砂卵石地层中暗挖地铁车站施工过程中的地下水处理问题，不但能够实现有效地封闭止水，为施工创造良好的无水作业环境，而且可以减少工程施工对水资源的过度开采和污染，有效保护地下水资源，实现绿色施工。