复杂环境条件下洞桩法暗挖车站导洞内降水方案研究——以北京地铁8号线王府井站为例

李铁生，郝志宏，李松梅，汪玉华

(1.北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100089;2.中铁隧道集团有限公司洛阳科学技术研究所，河南洛阳 471009)

0 引言

北京地区暗挖法修建地铁车站时，洞桩法被越来越广泛地采用［1］。与传统的暗挖工法(如中洞法、侧洞法等)比较，洞桩法是一种暗挖逆作的施工方法，可以较好地控制地层变形［2－3］。

洞桩法修建地铁车站要求在无水的条件下实施，隧道开挖前需要采用降水措施将地下水位降至开挖面以下。通常降水井在车站结构周边布置，自地面打设。然而，由于暗挖法车站多位于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，随着地铁建设的深入开展和周边环境条件的日益复杂，地面打设降水井的条件将变得越来越困难，因此有必要研究在地下隧洞内打设降水井(简称地下降水)的工程实施方案。

目前，国内实施的地下降水方案均是在地下单独施作降水导洞，在导洞内打设降水井。比如北京地铁15号线奥林匹克公园站，在车站东侧采用矿山法开挖内净空为3.5 m×4.5 m的降水导洞，而后在洞内降水。在车站体外单独设置降水导洞，在施工工序上与车站互不干扰，但存在废弃工程量大、工程造价高、环境扰动大等一系列问题，应加以改进。

根据洞桩法的工艺特点，洞桩法车站上层施工导洞提供边桩与中柱的施作空间，可考虑将其适当放大或合并，在其中打设降水井。北京地铁8号线3期王府井站采用洞桩法施工，是国内第1个在车站施工导洞内降水的暗挖车站，目前国内尚无这方面的实施案例及相关报道。本文以王府井站为工程背景，研究若干种施工导洞内降水的方案，并根据王府井站的自身及环境特点，最终确定采用与洞桩法上边导洞结合的体外地下降水方案，在工程造价和施工风险增加不大的前提下，成功解决洞桩法地铁车站的地下降水问题。

1 洞桩法的工艺原理

洞桩法，又称“PBA”法，在传统浅埋暗挖工法的基础上吸收了盖挖逆作法的特点，灵活多变，适应性强，能够较好地控制地层变形。采用洞桩法修建地铁车站时，首先在导洞内施作围护边桩、中柱、顶底纵梁和顶拱，共同构成桩(柱)、梁、拱支撑框架体系承受施工过程中的荷载，然后在顶拱和边桩的保护下，逐层向下开挖土体，施作内部结构，最终形成由外层边桩、拱顶初期支护和内层二次衬砌组合而成的永久承载体系［4－5］。洞桩法尽管有多种不同的结构型式，但其基本原理是暗挖和逆作，都需要先行开挖导洞并在导洞内施作竖向承载体系［6－8］。表1给出的是目前应用较多的8导洞洞桩法车站的施工步序，其他型式车站的施工步序可参照其确定。

2 王府井站工程概况

王府井站位于王府井大街路下，东长安街北侧，与1号线王府井站通过南端2条换乘通道实现换乘。王府井大街南起东长安街，北至中国美术馆，全长约1 600 m。王府井站主体结构总长177 m，车站上方路面交通繁忙，且邻近两侧的大型商业建筑。车站总平面布置如图1所示。

表1 洞桩法地铁车站结构施工步序Table 1 Construction sequence of Wangfujing station by PBA method

王府井站为3层3跨岛式车站，主体结构采用洞桩法施工，高度为21.22 m，宽度为25.3 m，拱顶覆土厚度约9.4 m，底板埋深约30.6 m(下导洞最深处埋深约32 m)。车站上方分布有雨污水、热力、电力等众多市政管线。车站主体结构主要穿越细中砂、粉土、黏土、卵石圆砾等地层。拟建场地内赋存3层地下水，分别为上层滞水、层间水和潜水至承压水。其中层间水水位标高约28.1 m，含水层岩性主要为卵石④层和细中砂④1层;潜水至承压水水位标高约18.8 m，含水层岩性主要为卵石⑥层，渗透系数为1.5×10－1cm/s，钻探揭露卵石部分D大=8 cm，D长=12 cm，D一般=4～6 cm，亚圆形，级配较好，含中砂25% ～30%，局部含颗粒大于20 cm的漂石。车站底板进入潜水至承压水约7.8 m。车站结构典型横断面如图2所示。

王府井站东侧设置出入口、风道、施工竖井等附属结构，在东侧的围挡内可打设地面降水井，故在车站东侧采取地面降水的方案。车站西侧邻近北京饭店(水平距离约6 m)且上方密布雨污水及热力等管线，由于商业协调难度大和管线密布等原因，无法在地面打设降水井，需采取地下降水的方案。

图1 王府井站总平面图Fig.1 General plan of Wangfujing station

图2 王府井站典型横断面图Fig.2 Typical cross-section of Wangfujing station

3 地下降水方案论证比选

地下降水方案可分为单独设置降水导洞和结合设置降水导洞2种。由于洞桩法结构型式灵活多变，降水导洞与施工导洞的结合也有多种方案。

3.1 单独设置降水导洞的地下降水方案

为满足在地下打设降水井的需要，可在主体结构外单独施作降水导洞，在导洞内布置钻机、打设降水井，将其称为体外单独导洞降水方案(如图3所示)。单独降水导洞的尺寸应能满足钻机摆放及其操作空间的要求。

对于体外单独导洞降水方案而言，降水导洞设置在车站结构外侧，与车站分离施工，在工序上互不干扰。该方案不受暗挖主体结构型式限制，适应性强，对于中洞法、侧洞法等暗挖工法同样适用，但也存在如下问题。

1)降水导洞属于临时工程，工后需进行回填处理，工程废弃量大，造价高。

图3 体外单独导洞降水方案示意图Fig.3 Dewatering in separate heading outside the main structure

2)降水导洞邻近主体结构施工，群洞效应明显，且两者之间的土体稳定性差，施工对地层的扰动较大。

3)降水导洞单独施作，占用车站外侧的城市地下空间，不利于地下空间的后期开发利用。

4)降水导洞占用了出入口、风道等附属结构的路由，给后续工程施工造成了较大障碍。

5)降水导洞与两侧的建(构)筑物距离较近，不利于对其保护。

体外单独导洞降水方案虽然简单易行，但也存在上述诸多问题，并不是最优的地下降水解决方案。

3.2 与洞桩法上边导洞结合的体外地下降水方案

常规的洞桩法上边导洞主要用于施作边桩，导洞外侧空间后期需回填，内侧空间立模浇筑二次衬砌结构。为满足降水空间的需要，可将上边导洞尺寸适当扩大，在导洞中布设钻机并打设降水井，降水井布置在主体结构外侧，将其称为体外上边导洞降水方案(如图4所示)。

图4 体外上边导洞降水方案示意图Fig.4 Dewatering from the upper heading outside the main structure

此方案中，为了充分利用上边降水导洞空间，先在导洞中施作降水井和边桩，而后再架设导洞中隔壁。此方案应尽量优化打设降水井的钻机体量，减小上边降水导洞尺寸。体外上边导洞降水方案与体外单独导洞降水方案相比，临时工程量较小，造价较低，对周边环境的扰动较小，且占用外侧城市地下空间较小。

需要注意的是，由于上边导洞外扩，若按常规步序施工，将导致在初期支护及二次衬砌扣拱阶段，桩顶冠梁外侧无法提供拱脚推力，该问题可通过合理安排上边降水导洞的施工步序来解决。在打设降水井时，降水导洞需要有较大的空间来布设钻机。当降水井打设完成后，降水导洞仅用来敷设及维护降水管路，因此可将降水导洞底部在一定高度范围进行回填，来平衡扣拱阶段的拱脚推力。上边降水导洞施工步序如表2所示。

表2给出的是体外上边导洞降水方案初期支护扣拱(含)之前的施工做法，二次衬砌扣拱及下部主体结构等后续施工见表1。

3.3 与洞桩法上中导洞结合的体内地下降水方案

为满足降水空间需要，将2个上中导洞合并，形成新的大尺寸上中导洞，然后在导洞中布设钻机并打设降水井，降水井布置在主体结构内部，将其称为体内上中导洞降水方案。体内上中导洞降水方案如图5所示。

与体外上边导洞降水方案相比，体内降水方案没有额外的废弃工程量，工程费用小，而且不会占用车站外部的空间，但也存在以下缺点。

1)由于降水井布置在车站结构内部，要将水位降至开挖面以下，需要加大降深，延长降水时间，降水难度及费用较大。

表2 上边降水导洞施工步序Table 2 Construction sequence of dewatering from the upper heading

2)下层导洞开挖时遇到降水井需采取保护措施，影响其施工效率和工程安全。

3)降水井与主体结构二次衬砌相交部位防水接头和施工缝较多，整体质量较差。

4)主体结构内部的降水井最后需要带压进行封闭，施工难度和工程风险较大。

3.4 各导洞内降水方案综合比较

各导洞内降水方案的优缺点比较如表3所示。

4 王府井站地下降水方案的确定

根据王府井站的工程水文地质条件，车站底板进入潜水至承压水约7.8 m，且含水层为卵石⑥层，渗透系数大。若采用体内地下降水方案，需要在高水头和高渗透性的地层中进行封井施工，难度极大，工程质量很难保证。经计算，与体外降水方案相比，采用体内降水方案降水量增加值约为2 000 m3/d，将水头降至底板以下的时间增加约3个月，总工期增加约2个月，综合工程造价相当。从降水难度、施工降效、工期和封井等多方面因素综合考虑，本站推荐采用体外降水的方案。

图5 体内上中导洞降水方案示意图Fig.5 Dewatering from the upper middle heading inside the main structure

表3 导洞内降水方案综合比较表Table 3 Comparison and contrast among different dewatering schemes

如前所述，体外单独导洞降水方案和体外上边导洞降水方案相比，后者更具优势，所以最终王府井站采用的是与洞桩法上边导洞相结合的体外降水方案。

为了尽量减小上边降水导洞尺寸，将打设降水井的钻机进行改装，改进8JH－80型水井钻机外轮廓尺寸可优化至2.2 m×4.2 m(宽×高)，据此确定的上边降水导洞内净空尺寸为5.1 m×5.1 m(宽×高)。目前施工单位已经进行了该钻机的钻孔试验，试验钻孔设计孔径600 mm、孔深40 m，根据降水导洞的尺寸在地面打设简易棚，模拟洞内环境进行钻孔施工。试验结果表明，改装后的钻机适合在洞内有限空间内施工，在类似地层中施工普通降水井单井用时在10 h左右，施工效率不低于其他型号的钻机设备。

优化后的上边降水导洞净空尺寸相比常规的上边导洞(3.5 m×4.5 m)增加并不大，故体外上边导洞降水方案与常规的地面降水洞桩法车站相比，工程造价和施工风险增加不大。

5 结论与建议

本文结合地铁8号线3期王府井站的工程背景，提出了洞桩法施工导洞内地下降水方案，并对多种形式的降水方案进行对比分析，得出如下结论。

1)根据洞桩法的工艺特点，王府井站创新性地采用上边导洞内地下降水方案，减小了工程废弃量，对地下空间额外占用小，相比传统的单独设置降水导洞的方案优势明显，为今后洞桩法车站地下降水工程提供了有益的参考。

2)洞桩法施工导洞内地下降水方案中，可根据车站的具体型式将降水井设置在车站结构内部或外部。采用何种降水方案应根据车站的结构型式、工程水文地质条件等综合确定。

采用地下降水方案需要在导洞内打设降水井，与地面降水相比施工条件差、工效低，在环境条件允许的情况下应优先采取地面降水。并且，施工导洞内降水方案实施的前提是上层导洞未进入地下水，当水位较高时需改进降水导洞与施工导洞的结合型式，因地制宜研究地下降水方案。

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