復(fù)雜環(huán)境條件下洞樁法暗挖車站導(dǎo)洞內(nèi)降水方案研究——以北京地鐵8號(hào)線王府井站為例

李鐵生，郝志宏，李松梅，汪玉華

(1.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100089;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司洛陽科學(xué)技術(shù)研究所，河南洛陽 471009)

0 引言

北京地區(qū)暗挖法修建地鐵車站時(shí)，洞樁法被越來越廣泛地采用［1］。與傳統(tǒng)的暗挖工法(如中洞法、側(cè)洞法等)比較，洞樁法是一種暗挖逆作的施工方法，可以較好地控制地層變形［2－3］。

洞樁法修建地鐵車站要求在無水的條件下實(shí)施，隧道開挖前需要采用降水措施將地下水位降至開挖面以下。通常降水井在車站結(jié)構(gòu)周邊布置，自地面打設(shè)。然而，由于暗挖法車站多位于建筑物、道路和地下管線等設(shè)施的密集區(qū)，隨著地鐵建設(shè)的深入開展和周邊環(huán)境條件的日益復(fù)雜，地面打設(shè)降水井的條件將變得越來越困難，因此有必要研究在地下隧洞內(nèi)打設(shè)降水井(簡(jiǎn)稱地下降水)的工程實(shí)施方案。

目前，國(guó)內(nèi)實(shí)施的地下降水方案均是在地下單獨(dú)施作降水導(dǎo)洞，在導(dǎo)洞內(nèi)打設(shè)降水井。比如北京地鐵15號(hào)線奧林匹克公園站，在車站東側(cè)采用礦山法開挖內(nèi)凈空為3.5 m×4.5 m的降水導(dǎo)洞，而后在洞內(nèi)降水。在車站體外單獨(dú)設(shè)置降水導(dǎo)洞，在施工工序上與車站互不干擾，但存在廢棄工程量大、工程造價(jià)高、環(huán)境擾動(dòng)大等一系列問題，應(yīng)加以改進(jìn)。

根據(jù)洞樁法的工藝特點(diǎn)，洞樁法車站上層施工導(dǎo)洞提供邊樁與中柱的施作空間，可考慮將其適當(dāng)放大或合并，在其中打設(shè)降水井。北京地鐵8號(hào)線3期王府井站采用洞樁法施工，是國(guó)內(nèi)第1個(gè)在車站施工導(dǎo)洞內(nèi)降水的暗挖車站，目前國(guó)內(nèi)尚無這方面的實(shí)施案例及相關(guān)報(bào)道。本文以王府井站為工程背景，研究若干種施工導(dǎo)洞內(nèi)降水的方案，并根據(jù)王府井站的自身及環(huán)境特點(diǎn)，最終確定采用與洞樁法上邊導(dǎo)洞結(jié)合的體外地下降水方案，在工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)增加不大的前提下，成功解決洞樁法地鐵車站的地下降水問題。

1 洞樁法的工藝原理

洞樁法，又稱“PBA”法，在傳統(tǒng)淺埋暗挖工法的基礎(chǔ)上吸收了蓋挖逆作法的特點(diǎn)，靈活多變，適應(yīng)性強(qiáng)，能夠較好地控制地層變形。采用洞樁法修建地鐵車站時(shí)，首先在導(dǎo)洞內(nèi)施作圍護(hù)邊樁、中柱、頂?shù)卓v梁和頂拱，共同構(gòu)成樁(柱)、梁、拱支撐框架體系承受施工過程中的荷載，然后在頂拱和邊樁的保護(hù)下，逐層向下開挖土體，施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終形成由外層邊樁、拱頂初期支護(hù)和內(nèi)層二次襯砌組合而成的永久承載體系［4－5］。洞樁法盡管有多種不同的結(jié)構(gòu)型式，但其基本原理是暗挖和逆作，都需要先行開挖導(dǎo)洞并在導(dǎo)洞內(nèi)施作豎向承載體系［6－8］。表1給出的是目前應(yīng)用較多的8導(dǎo)洞洞樁法車站的施工步序，其他型式車站的施工步序可參照其確定。

2 王府井站工程概況

王府井站位于王府井大街路下，東長(zhǎng)安街北側(cè)，與1號(hào)線王府井站通過南端2條換乘通道實(shí)現(xiàn)換乘。王府井大街南起東長(zhǎng)安街，北至中國(guó)美術(shù)館，全長(zhǎng)約1 600 m。王府井站主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)177 m，車站上方路面交通繁忙，且鄰近兩側(cè)的大型商業(yè)建筑。車站總平面布置如圖1所示。

表1 洞樁法地鐵車站結(jié)構(gòu)施工步序Table 1 Construction sequence of Wangfujing station by PBA method

王府井站為3層3跨島式車站，主體結(jié)構(gòu)采用洞樁法施工，高度為21.22 m，寬度為25.3 m，拱頂覆土厚度約9.4 m，底板埋深約30.6 m(下導(dǎo)洞最深處埋深約32 m)。車站上方分布有雨污水、熱力、電力等眾多市政管線。車站主體結(jié)構(gòu)主要穿越細(xì)中砂、粉土、黏土、卵石圓礫等地層。擬建場(chǎng)地內(nèi)賦存3層地下水，分別為上層滯水、層間水和潛水至承壓水。其中層間水水位標(biāo)高約28.1 m，含水層巖性主要為卵石④層和細(xì)中砂④1層;潛水至承壓水水位標(biāo)高約18.8 m，含水層巖性主要為卵石⑥層，滲透系數(shù)為1.5×10－1cm/s，鉆探揭露卵石部分D大=8 cm，D長(zhǎng)=12 cm，D一般=4～6 cm，亞圓形，級(jí)配較好，含中砂25% ～30%，局部含顆粒大于20 cm的漂石。車站底板進(jìn)入潛水至承壓水約7.8 m。車站結(jié)構(gòu)典型橫斷面如圖2所示。

王府井站東側(cè)設(shè)置出入口、風(fēng)道、施工豎井等附屬結(jié)構(gòu)，在東側(cè)的圍擋內(nèi)可打設(shè)地面降水井，故在車站東側(cè)采取地面降水的方案。車站西側(cè)鄰近北京飯店(水平距離約6 m)且上方密布雨污水及熱力等管線，由于商業(yè)協(xié)調(diào)難度大和管線密布等原因，無法在地面打設(shè)降水井，需采取地下降水的方案。

圖1 王府井站總平面圖Fig.1 General plan of Wangfujing station

圖2 王府井站典型橫斷面圖Fig.2 Typical cross-section of Wangfujing station

3 地下降水方案論證比選

地下降水方案可分為單獨(dú)設(shè)置降水導(dǎo)洞和結(jié)合設(shè)置降水導(dǎo)洞2種。由于洞樁法結(jié)構(gòu)型式靈活多變，降水導(dǎo)洞與施工導(dǎo)洞的結(jié)合也有多種方案。

3.1 單獨(dú)設(shè)置降水導(dǎo)洞的地下降水方案

為滿足在地下打設(shè)降水井的需要，可在主體結(jié)構(gòu)外單獨(dú)施作降水導(dǎo)洞，在導(dǎo)洞內(nèi)布置鉆機(jī)、打設(shè)降水井，將其稱為體外單獨(dú)導(dǎo)洞降水方案(如圖3所示)。單獨(dú)降水導(dǎo)洞的尺寸應(yīng)能滿足鉆機(jī)擺放及其操作空間的要求。

對(duì)于體外單獨(dú)導(dǎo)洞降水方案而言，降水導(dǎo)洞設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)外側(cè)，與車站分離施工，在工序上互不干擾。該方案不受暗挖主體結(jié)構(gòu)型式限制，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于中洞法、側(cè)洞法等暗挖工法同樣適用，但也存在如下問題。

1)降水導(dǎo)洞屬于臨時(shí)工程，工后需進(jìn)行回填處理，工程廢棄量大，造價(jià)高。

圖3 體外單獨(dú)導(dǎo)洞降水方案示意圖Fig.3 Dewatering in separate heading outside the main structure

2)降水導(dǎo)洞鄰近主體結(jié)構(gòu)施工，群洞效應(yīng)明顯，且兩者之間的土體穩(wěn)定性差，施工對(duì)地層的擾動(dòng)較大。

3)降水導(dǎo)洞單獨(dú)施作，占用車站外側(cè)的城市地下空間，不利于地下空間的后期開發(fā)利用。

4)降水導(dǎo)洞占用了出入口、風(fēng)道等附屬結(jié)構(gòu)的路由，給后續(xù)工程施工造成了較大障礙。

5)降水導(dǎo)洞與兩側(cè)的建(構(gòu))筑物距離較近，不利于對(duì)其保護(hù)。

體外單獨(dú)導(dǎo)洞降水方案雖然簡(jiǎn)單易行，但也存在上述諸多問題，并不是最優(yōu)的地下降水解決方案。

3.2 與洞樁法上邊導(dǎo)洞結(jié)合的體外地下降水方案

常規(guī)的洞樁法上邊導(dǎo)洞主要用于施作邊樁，導(dǎo)洞外側(cè)空間后期需回填，內(nèi)側(cè)空間立模澆筑二次襯砌結(jié)構(gòu)。為滿足降水空間的需要，可將上邊導(dǎo)洞尺寸適當(dāng)擴(kuò)大，在導(dǎo)洞中布設(shè)鉆機(jī)并打設(shè)降水井，降水井布置在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)，將其稱為體外上邊導(dǎo)洞降水方案(如圖4所示)。

圖4 體外上邊導(dǎo)洞降水方案示意圖Fig.4 Dewatering from the upper heading outside the main structure

此方案中，為了充分利用上邊降水導(dǎo)洞空間，先在導(dǎo)洞中施作降水井和邊樁，而后再架設(shè)導(dǎo)洞中隔壁。此方案應(yīng)盡量?jī)?yōu)化打設(shè)降水井的鉆機(jī)體量，減小上邊降水導(dǎo)洞尺寸。體外上邊導(dǎo)洞降水方案與體外單獨(dú)導(dǎo)洞降水方案相比，臨時(shí)工程量較小，造價(jià)較低，對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)較小，且占用外側(cè)城市地下空間較小。

需要注意的是，由于上邊導(dǎo)洞外擴(kuò)，若按常規(guī)步序施工，將導(dǎo)致在初期支護(hù)及二次襯砌扣拱階段，樁頂冠梁外側(cè)無法提供拱腳推力，該問題可通過合理安排上邊降水導(dǎo)洞的施工步序來解決。在打設(shè)降水井時(shí)，降水導(dǎo)洞需要有較大的空間來布設(shè)鉆機(jī)。當(dāng)降水井打設(shè)完成后，降水導(dǎo)洞僅用來敷設(shè)及維護(hù)降水管路，因此可將降水導(dǎo)洞底部在一定高度范圍進(jìn)行回填，來平衡扣拱階段的拱腳推力。上邊降水導(dǎo)洞施工步序如表2所示。

表2給出的是體外上邊導(dǎo)洞降水方案初期支護(hù)扣拱(含)之前的施工做法，二次襯砌扣拱及下部主體結(jié)構(gòu)等后續(xù)施工見表1。

3.3 與洞樁法上中導(dǎo)洞結(jié)合的體內(nèi)地下降水方案

為滿足降水空間需要，將2個(gè)上中導(dǎo)洞合并，形成新的大尺寸上中導(dǎo)洞，然后在導(dǎo)洞中布設(shè)鉆機(jī)并打設(shè)降水井，降水井布置在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將其稱為體內(nèi)上中導(dǎo)洞降水方案。體內(nèi)上中導(dǎo)洞降水方案如圖5所示。

與體外上邊導(dǎo)洞降水方案相比，體內(nèi)降水方案沒有額外的廢棄工程量，工程費(fèi)用小，而且不會(huì)占用車站外部的空間，但也存在以下缺點(diǎn)。

1)由于降水井布置在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部，要將水位降至開挖面以下，需要加大降深，延長(zhǎng)降水時(shí)間，降水難度及費(fèi)用較大。

表2 上邊降水導(dǎo)洞施工步序Table 2 Construction sequence of dewatering from the upper heading

2)下層導(dǎo)洞開挖時(shí)遇到降水井需采取保護(hù)措施，影響其施工效率和工程安全。

3)降水井與主體結(jié)構(gòu)二次襯砌相交部位防水接頭和施工縫較多，整體質(zhì)量較差。

4)主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的降水井最后需要帶壓進(jìn)行封閉，施工難度和工程風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.4 各導(dǎo)洞內(nèi)降水方案綜合比較

各導(dǎo)洞內(nèi)降水方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

4 王府井站地下降水方案的確定

根據(jù)王府井站的工程水文地質(zhì)條件，車站底板進(jìn)入潛水至承壓水約7.8 m，且含水層為卵石⑥層，滲透系數(shù)大。若采用體內(nèi)地下降水方案，需要在高水頭和高滲透性的地層中進(jìn)行封井施工，難度極大，工程質(zhì)量很難保證。經(jīng)計(jì)算，與體外降水方案相比，采用體內(nèi)降水方案降水量增加值約為2 000 m3/d，將水頭降至底板以下的時(shí)間增加約3個(gè)月，總工期增加約2個(gè)月，綜合工程造價(jià)相當(dāng)。從降水難度、施工降效、工期和封井等多方面因素綜合考慮，本站推薦采用體外降水的方案。

圖5 體內(nèi)上中導(dǎo)洞降水方案示意圖Fig.5 Dewatering from the upper middle heading inside the main structure

表3 導(dǎo)洞內(nèi)降水方案綜合比較表Table 3 Comparison and contrast among different dewatering schemes

如前所述，體外單獨(dú)導(dǎo)洞降水方案和體外上邊導(dǎo)洞降水方案相比，后者更具優(yōu)勢(shì)，所以最終王府井站采用的是與洞樁法上邊導(dǎo)洞相結(jié)合的體外降水方案。

為了盡量減小上邊降水導(dǎo)洞尺寸，將打設(shè)降水井的鉆機(jī)進(jìn)行改裝，改進(jìn)8JH－80型水井鉆機(jī)外輪廓尺寸可優(yōu)化至2.2 m×4.2 m(寬×高)，據(jù)此確定的上邊降水導(dǎo)洞內(nèi)凈空尺寸為5.1 m×5.1 m(寬×高)。目前施工單位已經(jīng)進(jìn)行了該鉆機(jī)的鉆孔試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)孔徑600 mm、孔深40 m，根據(jù)降水導(dǎo)洞的尺寸在地面打設(shè)簡(jiǎn)易棚，模擬洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行鉆孔施工。試驗(yàn)結(jié)果表明，改裝后的鉆機(jī)適合在洞內(nèi)有限空間內(nèi)施工，在類似地層中施工普通降水井單井用時(shí)在10 h左右，施工效率不低于其他型號(hào)的鉆機(jī)設(shè)備。

優(yōu)化后的上邊降水導(dǎo)洞凈空尺寸相比常規(guī)的上邊導(dǎo)洞(3.5 m×4.5 m)增加并不大，故體外上邊導(dǎo)洞降水方案與常規(guī)的地面降水洞樁法車站相比，工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)增加不大。

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合地鐵8號(hào)線3期王府井站的工程背景，提出了洞樁法施工導(dǎo)洞內(nèi)地下降水方案，并對(duì)多種形式的降水方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

1)根據(jù)洞樁法的工藝特點(diǎn)，王府井站創(chuàng)新性地采用上邊導(dǎo)洞內(nèi)地下降水方案，減小了工程廢棄量，對(duì)地下空間額外占用小，相比傳統(tǒng)的單獨(dú)設(shè)置降水導(dǎo)洞的方案優(yōu)勢(shì)明顯，為今后洞樁法車站地下降水工程提供了有益的參考。

2)洞樁法施工導(dǎo)洞內(nèi)地下降水方案中，可根據(jù)車站的具體型式將降水井設(shè)置在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)部或外部。采用何種降水方案應(yīng)根據(jù)車站的結(jié)構(gòu)型式、工程水文地質(zhì)條件等綜合確定。

采用地下降水方案需要在導(dǎo)洞內(nèi)打設(shè)降水井，與地面降水相比施工條件差、工效低，在環(huán)境條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先采取地面降水。并且，施工導(dǎo)洞內(nèi)降水方案實(shí)施的前提是上層導(dǎo)洞未進(jìn)入地下水，當(dāng)水位較高時(shí)需改進(jìn)降水導(dǎo)洞與施工導(dǎo)洞的結(jié)合型式，因地制宜研究地下降水方案。

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