武汉汉口高承压水地区地铁建设实践思考

摘　要：近几年来，各全国大中城市掀起了地铁修建的热潮，地下工程的无论仍何围护形式，在考虑结构安全的同时，关键是地下水的控制。本文以工程实例讲述了在地下连续墙围护形式下对地下各种水的控制，对施工可能出现的安全问题进行分析并提出相应的预防、处理措施。

关键词：地下水、结论、处理措施
　　随着武汉地铁建设的提速，汉口地区有多条地铁线开工，地铁车站的施工产生了众多形态的深大基坑，这些基坑的开挖施工，使原有的基坑周围的水、土应力平衡受到破坏，土体发生变形，危及到地下管线、道路地面建筑物的安全，严重时给工程建设带来无法估量的损失和影响。特别是软土地基中的基坑工程经常会受到地下水的影响，对地下水处置不当就会导致工程事故的发生。
　　一、汉口地区水文地质特点
　　1：地处长江一级阶地，地层为典型的二元结构
　　一级阶地主要分布在张公堤以南，沿长江向东北延伸至滠口，向西至舵落口以西。长江一级阶地主要由第四系全新统河流相及部分河湖相冲洪积及冲湖积物构成，具有典型的二元结构，深度在50m左右为基岩；地表层一般分布有填土。
　　2：承压水头高，季节性强，年变化大
　　武汉地区长江、汉江两岸Ⅰ级阶地第四系砂（卵石）土层孔隙承压水储量丰富，与地表水具有密切的水力联系，水位随季节变化较大，年变幅3～4米。
　　3：地铁站点的基本特点
　　地铁车站开挖深度一般在16～25m之间，基坑开挖后，破坏了承压水上部作为隔水层的3-1粘性土层，承压水的危害性会显现。此外，武汉地区汛期长江水位常大于25m，长江水位高于地铁基坑地面，考虑江水与基坑承压水的补给作用，承压水的危害性更大。
　　
　　

图1. 长江一级阶地典型基坑断面图



　　二、典型地铁深基坑介绍
　　1、金色雅园站
　　金色雅园站为地下两层车站，总长534.2m，处于长江一级阶地，基坑最大开挖深度为17.8m，地面标高为21.1 m，承压水头在地面下4.2 m，压力水头为16.9m。
　　2、汉口火车站站
　　汉口火车站为标准地下两层车站，基坑工程由二号线汉口火车站基坑和七号线换乘节点基坑组成，站长为262m。车站处于长江一级阶地，基坑最大开挖深度为23m，地面标高为21 m承压水头在地面下3.5 m，压力水头为17.5m。
　　3、范湖站
　　范湖站为标准地下两层车站，总长224 m。车站处于长江一级阶地，基坑最大开挖深度为17.2m，地面标高为21.2 m：承压水头在地面下3.7米，压力水头为17.5m。
　　4、中山公园站
　　车站为地下双柱三跨岛式车站，长538.6m，处于长江一级阶地，基坑最大开挖深度为17.5m，地面标高为21 m，承压水头在地面下4m，压力水头为17m。
　　三、施工案例
    1、金色雅园站

　图2. 金色雅园南端盾构平面图         
　
    （1）关于车站加固处理
    该站南端盾构井开挖到地面以下约14.5ｍ深处时，出现淤泥质粉质黏土，含水量高，扰动情况下土体强度显剧降低，无法继续开挖。经讨论决定对坑内土体进行加固设计，土体加固完成后，开始第二次土方开挖至基坑封底。
    （2）关于南端基底涌水的处理
    基坑开挖期间，南盾构井西南角的二号降水井突然出现抽水带沙情况，不能正常抽水，造成地下水位回升，降水井管壁周边出现了向基坑内带砂涌水的问题，并逐渐加大。为了保证基坑安全，及时对基坑进行了回填反压，稳定了基坑漏水出沙隐患。
    最初采用封堵、抽排相结合的处理方案，险情未从根本上得到解决。经反复讨论，决定采用确保降水效果的降水方案，在坑外增加16口井的降水施工方案，基坑水位降至约18.6米后，现场清理回填的瓜米石并成功浇注基坑底板，基坑突涌险情得到消除。

　　图3.降水井承压水带砂涌出                图4.采用回填反压
　　该案例说明：地铁车站深基坑开挖前，必须认真讨论降水方案，确保降水的实施效果。降水井的布置位置必须结合地层条件，深入分析，科学设计，否则可能出现一方面因基坑内水压较大而突涌，另一方面基坑外降水却无水的现象。
    （3）关于盾构始发降水对周边建筑物沉降控制的问题
    汉口地区承压水比较高，对盾构进出洞有较大的安全威胁，综合地质情况、盾构区间埋深、端头井加固情况分析，在始发时设置降水井13口，并利用原有车站基坑内外降水井发挥群井作用，采取短时、密集型集中抽水，既降低地下水位满足盾构始发要求，又要尽可能减少因降水对周边房屋的沉降影响。
    该案例说明：由于盾构始发与接收的特殊性，要求在盾构始发前进行集中大强度抽水，待水位低于安全水位后开始进入始发、接收程序，当盾构始发完成后应立即停抽，尽可能减少因降水对周边建（构）筑物的影响。
    2、汉口火车站
    （1） 汉口火车站站南端盾构井第一幅地连墙成槽塌孔处理
    汉口站南端盾构井长28.8米，宽15.7米，连续墙需在6.45m深的人防工程底板上施工，见图5。

图5.既有人防工程和地铁连续墙的关系
    现场测量承压水水位正好位于既有人防底板面,完成2口降水井后开始连续墙成槽，成槽6m时，有小面积的塌孔现象，11m时仍出现了大面积的塌孔，无法继续下挖成槽，最后回填。
    原因：A、降水井数量不够，承压水位处于连续墙施工平台处，高压水头没有被消减，造成成槽困难。B、既有人防底板面以下2m为粘土层，2m以下则为粉质粘土、粉土粉砂层，透水性极高，成槽若穿透粘土层，继续下挖就会出现塌孔现象。
    措施：加快降水井施工进度，提前投入使用11口降水井，水位降到既有人防底板以下2.6m，再次开始成槽，这时就不存在塌孔了。
    该案例说明：连续墙成槽若穿越承压水层，槽内液面高度必须高于承压水水位1m左右，否则可能因承压水水位较高，导致承压水上涌，进而造成槽壁塌孔。此时，需加大降水力度，降低地下水位。
    （2）汉口火车站涌水事件处理
    汉口火车站在基坑施工过程中， 7号线和2号线结合处出现碗口粗涌水点，并伴有黑色泥沙，及时处理措施是先用碎石填埋，保证出水不带泥沙。随后涌水口不断增大，基底部分经触探已经有2m×2m见方的一个空洞，经实测每小时突涌量约120m3。
　涌水原因：
　　A、连续降雨三天导致地下水位上升，超过标准段的底板顶板标高以上2m，没有保护好的降水井不能满足瞬时间的降水需求。
　　B、涌水位置正好位于地质条件较为薄弱的互层位置，基底与3-5粉砂粉土层仅有50cm厚 的粘土层相隔，这样，在承压水水压超过一定极限的时候，便会突涌。
　　解决措施：采取先回填反压后在连续墙外侧与人防工程边缘狭长的范围内打设4口降水井，间距5m，涌水量得到控制，顺利完成垫层和底板浇筑。
　　该案例说明：车站底板没有全部封闭之前，需有一定数量的降水井，保证开挖面内的地下水位在底板以下2m。要加强地下承压水位的观测，及时根据承压水水位变化调整降水措施和方案；在封底之前加强对降水井的保护，保证其正常使用；保证施工降水井的成井质量，同时在基坑开挖期间，及时浇筑底板，避免基底暴漏时间太长而导致的任何事件发生。
　　3、范湖站
　　该端头隧道断面内地层为：（3-4）粉质粘土夹粉土、粉砂和（3-5）粉质粘土、粉土、粉砂夹层。地面标高21.2m, 基底标高5 m，见图6。
　　
　　
　　
　　
　　
　　




图6. 范湖站北端头洞门所处地层剖面图

　　范汉区间右线盾构原计划在2008年6月-8月始发，此时长江水位已经高于车站地面标高3.8 m，6月份成功的降水方案已不能满足降水要求。导致在8月份洞门凿除过程中，先后发生涌水现象。处理措施是在端头井周围增补6口井，其中施工围挡内打4口井，围挡外打2口井，最终将地下水位成功降低1.5m，使盾构机成功始发。
　　该案例说明：
　　A、降水井成井深度
　　通过范湖站北端头降水情况反映，中深井比深井(完整井)抽水效果要好一点，中深井降水漏斗比较小，数量密集，降水效果迅速。深井的抽水量大，水位下降速度慢，降水周期长对周边建筑物沉降影响大，但深井降水漏斗覆盖范围广，井数量可相对减少。
　　B、抽水泵安装深度
　　所有降水井内的水泵应该抽取同一层地下水，形成一个完整的拦截水头断面。通过调整泵的大小和泵的安装深度，让所有水泵满负荷抽水，抽水效果良好。
　　C、降水的时效性
　　根据季节和长江水位及时调整降水方案。
　　D、降水井抽排时间控制
　　降水井长期抽水，会疏通周边的渗流水通道，补给水量大量增大，将降低降水井的降水效果，因此采用中深井、多口井同时短期抽水效果好。
　　E、端头加固质量控制
　　盾构始发的端头加固质量控制非常重要。应将所有端头加固施工全部调整为由盾构施工单位负责实施。
　　4、中山公园站
　　中山公园站施工过程中，近距离的大楼和立交桥的采取的保护措施：（1）采取两排28m深的旋喷隔离桩进行加固处理。（2）西盾构井的第一道支撑采用钢筋混凝土支撑减少基坑变形。
　　基坑开挖的降水方案，坚持“坑内为主、坑外为辅”的原则，共设74口降水井。在施工中根据观测井水位调整降水井的工作数量和工作时间。在达到设计要求的情况下，尽量少的开启降水井数量，减小降水对周边环境的影响。
　　四、结论与建议
　　1、基坑降水和地基加固相辅相成，降水必不可少
　　对于汉口地区高地下承压水，无论是基坑开挖，还是盾构机进出洞，降水必不可少，且降水必须降到工作面以下，以防止突水、涌水等事故的发生。同时，对于基坑内大量分布淤泥质粘土的地层，必须进行预加固处理，大大提高基坑开挖的安全系数，避免基坑出现涌水、涌砂的风险。
　　2、降水井布置采用“坑内为主、坑外为辅”的原则
　　从施工角度来说，基坑内降水井多可能给施工带来不便，但坑内降水可以减少降水井的数量，有利于降低对环境的影响，降低造价。降水井布置坚持“坑内为主、坑外为辅”的原则，既达到了降水效果，又减少了降水对周边构筑物的影响程度。
　　3、充分利用承压水的季节性特点
　　季节和长江水位对降水效果影响明显。要充分利用承压水的季节性特点，尽量选择在长江枯水期进行盾构始发及接收，降低降水施工难度，控制周边沉降。
　　4、抽水时机把握和强度的控制
　　要根据需求按需降水，严格控制降水井涌水量及含沙量，避免超降。在盾构进出洞过程中，为控制降水强度，降水井井群应在洞门凿除前3-4天启动为宜，加强始发到达前的降水水位观测。原则上在承压水对洞门破除、前端加固区掘进影响不大时，尽量少开启降水井数量或减少降水维持时间，降水井的启动和关闭尽量采用对称、均匀交错的方式运行，以便减小抽水对周边房屋、道路、管线等构筑物产生的沉降，降低对周边环境的影响。
　　5、严格把关降水方案审查
　　汉口地区地铁深基坑施工的降水是必须做的一个非常重要的工作，因此降水方案必须要有业主参加，并经过专家评审委员会评审。选择的降水施工单位必须具有相应的资质，并且在武汉地区有较丰富的降水实战经验；同时对降水井的施工，要从施工设备、人员技术控制水平、成孔质量、井型设计、材料质量（井管质量和滤料、滤网质量）、成井质量、出水验收、出水量控制、备用电源等方面，进行全过程控制。
　　6、高度重视地质勘察工作
　　工程地质勘察工作是设计和施工的基础，如果在地质勘察工作中稍有疏忽，将会对后续的设计和施工造成很大的影响。因此，一方面要求勘察单位认真做好地勘工作，另一方面，也要加强对地勘工作的监督，严格审查地勘报告，避免偷工减料，弄虚作假。同时施工人员、监理人员和甲方代表在编制施工组织设计、组织施工过程中，要认真研究地质报告，充分发挥地质报告对施工的指导作用。
　　参考文献：
　　1.《地下铁道工程施工及验收规程》（GB50299-2003）
　　2.《建筑施工手册》中国建筑工业出版社
　　3.地下工程防水技术规范（GB50108-2001）
　　4.铁路隧道施工技术安全规范（GBJ404-87）