地鐵暗挖法施工中降水引起地面沉降問(wèn)題的探討

陸云涌，高 博，馬 濤

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

0 引言

近年來(lái)，地鐵施工中輔助降水措施取得了很大成功，有效地保證了施工安全。但伴隨而來(lái)的是由降水施工引起的地面沉降問(wèn)題，降水沉降如何形成、對(duì)既有建筑有多大影響或危害、怎樣避免和控制是人們十分關(guān)心和亟待探索解決的問(wèn)題。

北京地鐵7號(hào)線雙井站埋深31.0m，結(jié)構(gòu)施工需將潛水疏干，將承壓水基本疏干。設(shè)計(jì)采用管井封閉降水，設(shè)計(jì)141眼井，井深43m。按潛水和承壓水完整井計(jì)算車站主體排水量達(dá)18145m3/d。因該區(qū)域含水層主要為中粗砂層，顆粒較細(xì)但水量豐富，不能有效疏干會(huì)造成暗挖施工時(shí)坍塌、流砂等嚴(yán)重危害，地鐵十號(hào)線施工時(shí)勁松、雙井、國(guó)貿(mào)地區(qū)就出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重的地面沉降問(wèn)題。本文結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)降水引起地面沉降原因和如何防治的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和探討。

1 工程概述

北京地鐵7號(hào)線雙井站位于北京市朝陽(yáng)區(qū)，緊鄰北京市CBD核心區(qū)。車站位于廣渠門外大街、廣渠路與東三環(huán)中路交叉口東側(cè)，與既有10號(hào)線雙井站T型換乘，10號(hào)線路為南北走向，2008年通車運(yùn)營(yíng)，7號(hào)線路沿廣渠路東西走向（圖1）。

本站為地下兩層雙柱三跨島式車站，站臺(tái)寬度14m。車站主體長(zhǎng)度237.6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.1m，總高16.1m，有效站臺(tái)中心處拱頂覆土厚約14m，結(jié)構(gòu)底板埋深約31m。施工場(chǎng)區(qū)主要分布兩層地下水，對(duì)結(jié)構(gòu)施工均有影響（圖2）。車站站中軌面標(biāo)高8.714m，標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)底標(biāo)高7.0m，結(jié)構(gòu)施工受潛水、承壓水影響，需將潛水層疏干，將承壓水層降至結(jié)構(gòu)下1.0m。

圖1 北京地鐵7號(hào)線雙井站平面示意圖

圖2 雙井站工程地質(zhì)剖面圖

2 降水方案及設(shè)計(jì)參數(shù)

按潛水和承壓水完整井模型，對(duì)本站的基坑排水量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)勘察資料、現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件、地下管線情況、現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物影響等多方面因素的分析，確定降水方案為：車站主體，采用封閉式管井降水方案；施工豎井前期單獨(dú)封閉降水，后期與車站共同封閉降水。

表1 雙井站排水量計(jì)算表

3 降水沉降分析

3.1 降水沉降原因分析

造成降水沉降的影響因素較多，綜合分析本工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、施工工藝等方面因素，主要有如下幾點(diǎn)：①在成井過(guò)程中采用反循環(huán)成孔工藝，地表以下淺部回填土被水浸泡和大量抽吸地層顆粒都會(huì)引起地面沉降；②由于城區(qū)老地下管線長(zhǎng)年滲漏，在管線附近的回填土地層中形成飽和水囊，長(zhǎng)期浸泡下的地層非常松軟，降水施工中將飽和水釋放出來(lái)后，松軟地層立刻發(fā)生變形引起地面沉降；③由于降水抽取地下水時(shí)，在水動(dòng)力作用下將地層細(xì)顆粒帶出，隨著時(shí)間推移，范圍不斷擴(kuò)大，地層中孔隙加大到一定程度后將重新按最適合穩(wěn)定的方式重新組合，這樣就產(chǎn)生了地面沉降；④由于降水抽取地下水，含水層排水后土顆粒承受的有效應(yīng)力增大，這種附加應(yīng)力使土產(chǎn)生固結(jié)，并通過(guò)地層向上傳導(dǎo)，引起周圍地面產(chǎn)生沉降。

上述因素都會(huì)引起地面沉降，但因含水層排水后產(chǎn)生的固結(jié)沉降作用最大。

3.2 降水固結(jié)沉降計(jì)算

本站降水群井抽水時(shí)，場(chǎng)區(qū)周邊潛水和承壓水水位降深預(yù)測(cè)見(jiàn)圖3、圖4，按沉降理論結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的各重要建筑物預(yù)測(cè)沉降值見(jiàn)表2至表4。

可以看到，由降水引起的沉降不容小視，計(jì)算漏斗中心最大降水沉降值為20.5mm，遠(yuǎn)大于周邊建筑沉降控制要求。而降水漏斗作用造成的同一建筑的差異沉降更加危害建筑物的安全，必須采取有效措施加以防治。

圖3 潛水含水層降深等水位線預(yù)測(cè)圖

圖4 承壓水含水層降深等水位線預(yù)測(cè)圖

表2 既有地鐵10號(hào)線沉降點(diǎn)計(jì)算表

表3 造紙廠家屬樓（14層）沉降點(diǎn)計(jì)算表

表4 造紙廠家屬樓（6層）沉降點(diǎn)計(jì)算表

4 工程措施

4.1 施工中針對(duì)性措施

（1）地層細(xì)顆粒流失控制措施

對(duì)成孔施工時(shí)循環(huán)液抽吸地層顆粒、抽取地下水時(shí)帶出地層細(xì)顆粒的不利影響，在降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝等方面考慮幾項(xiàng)措施：① 成孔施工采用反循環(huán)工藝，為保證鉆進(jìn)過(guò)程中水流循環(huán)及保存鉆孔出渣，不出現(xiàn)因地層漏漿造成塌孔的情況，壘砌單井體積1.5倍的泥漿池；鉆孔通過(guò)易塌孔的流砂層或泥漿漏失嚴(yán)重的地層時(shí)，調(diào)高泥漿比重至1.1～1.3。② 根據(jù)不同地層選擇相應(yīng)的濾料和濾網(wǎng)。雙井站設(shè)計(jì)采用無(wú)砂水泥管外壁包80目尼龍網(wǎng)，考慮到地層顆粒較細(xì)，填2～4mm濾料防止出砂，濾料要求具有一定的磨圓度，含泥量（含石粉）≤3%。③ 無(wú)砂水泥井管接頭對(duì)正連接，用塑料布包裹嚴(yán)密后幫條綁扎牢固，防止接口處出砂，保證抽水含砂量控制在充許范圍內(nèi)，有效控制了抽水出砂引起的沉降。④ 抽水維護(hù)期間每月對(duì)排水口取樣進(jìn)行化驗(yàn)，取樣比例10%，保證降水排水粗砂含量＜1/5萬(wàn)，中砂含量＜1/2萬(wàn)，細(xì)砂含量＜1/1萬(wàn)，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)井立即停止抽水并作相應(yīng)技術(shù)處理，達(dá)標(biāo)后方可使用。

（2）局部飽和水釋放導(dǎo)致地面快速沉降控制措施

局部飽和水囊一般在深6～8m的回填土以上地層中，施工時(shí)采用混凝土或鋼護(hù)筒護(hù)井壁，成井后采用粘土封孔，這樣避免擾動(dòng)回填土地層，工程實(shí)踐證明，這種方法已成功地控制了淺層松軟地層沉降問(wèn)題。本站降水井為避免管井施工造成淺層細(xì)顆粒的流失引起沉降，地面施工管井6m深度范圍內(nèi)井管采用壁管（鋼壁管或水泥壁管，壁管為非進(jìn)水管），管外填粘土封井。

（3）地層固結(jié)沉降控制措施

土層固結(jié)引起的沉降，只要降排水就不可避免要產(chǎn)生，但對(duì)不同的地層、排水量大小、排水時(shí)間長(zhǎng)短，所產(chǎn)生的沉降量的沉降范圍有所不同。

從場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件來(lái)看，降水目的含水層為⑤層中粗砂、園礫和⑦層中粗砂、細(xì)砂。⑥層粉質(zhì)粘土、⑥2層粉土含水量不大，對(duì)暗挖施工影響小，而該層p=5，h=7，Ei=10，理論最大沉降值達(dá)10.5mm，對(duì)該層沒(méi)有降水的必要。

為了防止降水過(guò)程中⑥層粉質(zhì)粘土，⑥2層粉土失水固結(jié)，對(duì)井結(jié)構(gòu)涉及該層的部分采取用水泥管和壁管（不透水材質(zhì)）做井管，管外填粘土球封井的處理方法。

4.2 防止地面沉降綜合性措施

（1）沉降監(jiān)測(cè)

雙井站降水群井抽水時(shí)，其降水影響半徑為1417.7m，為了監(jiān)測(cè)降水引起的地面和建筑物沉降，對(duì)本站4個(gè)象限內(nèi)的高大和較近建筑物布置了建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在路上位置布設(shè)了地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。水準(zhǔn)基點(diǎn)與工作基點(diǎn)的聯(lián)測(cè)定為一級(jí)，構(gòu)筑物變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)定為二級(jí)。

（2）建立地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)

由于降水期較長(zhǎng)，降水使場(chǎng)區(qū)地下水均衡關(guān)系發(fā)生較大變化，必然對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。為了較準(zhǔn)確地掌握?qǐng)鰠^(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)采取必要的處理措施，在降水工程實(shí)施的同時(shí)，建立了地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

（3）殘留水處理

本站開(kāi)挖范圍內(nèi)的潛水含水層疏干，但由于受含水層底板凹凸不平的影響，在含水層底部會(huì)產(chǎn)生殘留水，影響基槽開(kāi)挖和基礎(chǔ)施工。出現(xiàn)這種情況時(shí)，為了防止塌方，應(yīng)放慢挖槽速度，及時(shí)在側(cè)壁做盲管導(dǎo)流，并在挖盲溝集水，再將集水排走。導(dǎo)流盲管一般采用長(zhǎng)0.5m的φ25 mm塑料管，做成花管并纏80目尼龍紗網(wǎng)。由于在降水過(guò)程中不對(duì)⑥層粉質(zhì)粘土，⑥2層粉土中的飽和水進(jìn)行處理，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中可能會(huì)遇到滲水的情況，根據(jù)具體的滲水情況，在側(cè)壁做盲管導(dǎo)流排水，情況嚴(yán)重的采取注漿的方法。

（4）局部異常水處理措施

由于雙井站周圍管線多且復(fù)雜，可能存在管線漏水情況，由于具體位置不明，水量大小不明，往往造成隧道初支失穩(wěn)，給工程帶來(lái)巨大損失。預(yù)防措施如下：① 當(dāng)遇到地下不明構(gòu)筑物時(shí)不要盲目破壞，先查明構(gòu)筑物性質(zhì)以及是否含水；② 當(dāng)確定地下構(gòu)筑物含水時(shí)，先查明是否有補(bǔ)給水源，斷其補(bǔ)給源（引排或封堵），然后將其中的水抽出排走；③ 當(dāng)以上工作需在基坑內(nèi)或隧道內(nèi)進(jìn)行時(shí)，事先準(zhǔn)備好臨時(shí)支護(hù)設(shè)施和緊急排水設(shè)施。

（5）地面沉降處理措施

當(dāng)通過(guò)沉降監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)建筑物沉降已達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，及時(shí)查明引起沉降的具體原因，當(dāng)確認(rèn)降水形成的區(qū)域水位下降是造成建筑沉降的主因時(shí)，立即采取回灌措施。本站預(yù)先在沉降區(qū)域施工了7眼回灌井，回灌井與降水井之間的距離大于5.0m，如情況嚴(yán)重需要大規(guī)模時(shí)，擬應(yīng)急采用豎井周邊降水井充當(dāng)回灌井。如果確認(rèn)降水井質(zhì)量問(wèn)題是引起沉降的主因時(shí)，對(duì)問(wèn)題井進(jìn)行停泵處理。

5 工程實(shí)際效果

北京地鐵7號(hào)線雙井站降水工程于2011年3月開(kāi)始施工，2011年5月完成全部降水井施工并開(kāi)始抽水。降水效果良好，上下層暗挖導(dǎo)洞已基本貫通，降水沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

自2011年3月17日開(kāi)始對(duì)暗挖區(qū)北側(cè)最近的兩個(gè)住宅樓進(jìn)行降水沉降監(jiān)測(cè)，降水施工開(kāi)始后，沉降值一直穩(wěn)定小幅增長(zhǎng)，最終大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定在3～4mm，沉降曲線平緩。部分點(diǎn)最大累積沉降達(dá)5.1mm，考慮暗挖施工沉降疊加，也屬正常范圍（圖5、圖6）。

6 結(jié)論

（1）對(duì)可能引起沉降幾個(gè)方面的原因：成孔施工時(shí)大量抽吸地層顆粒、施工中釋放局部飽和水使地層變形、抽取地下水時(shí)帶出地層細(xì)顆粒、含水層排水后附加應(yīng)力改變引起固結(jié)沉降等分析符合本場(chǎng)區(qū)基本情況。

圖5 雙井站造紙廠家屬樓（14層）沉降曲線

圖6 雙井站造紙廠家屬樓（6層）沉降曲線

（2）針對(duì)降水施工造成地層細(xì)顆粒流失引起沉降的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)上根據(jù)不同地層選擇相應(yīng)的濾料和濾網(wǎng)，考慮了井管接頭和定期檢測(cè)的措施；在施工工藝方面保證循環(huán)液和泥漿比重；針對(duì)局部飽和水釋放導(dǎo)致地面快速沉降的情況，采用成井后粘土封孔的措施，實(shí)踐中能起到有效作用。

（3）降排水不可避免會(huì)產(chǎn)生地層固結(jié)沉降，合理地對(duì)非降水目的層進(jìn)行封井處理，既防止了地面沉降，又減少了地下水抽排保護(hù)環(huán)境，是值得推廣的經(jīng)驗(yàn)。

[1]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì). 工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]周載陽(yáng). 地下水開(kāi)采引起地面沉降的機(jī)理研究[J].工程勘察，2012，40(3)：22～26.