北京地鐵19號(hào)線金融街站軌道交通暗挖工程堵水與降水方案的綜合分析

張愛(ài)平、聶志理、黎小輝

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

0 引言

軌道交通建設(shè)項(xiàng)目屬于重大市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，根據(jù)城市的整體交通與用地規(guī)劃，線路多采用地下敷設(shè)方式，屬于大型地下工程。地下工程建設(shè)時(shí)，如工程結(jié)構(gòu)位于地下水位以下，地下水的恰當(dāng)處理將是工程安全施工的重要保障。常用的地下水處理有降水和堵水兩種方法，暗挖法施工的地下工程通常采用降水方法，將地下水抽排至市政管網(wǎng)或附近的河湖。

近年來(lái)，隨著同時(shí)期建設(shè)的軌道交通項(xiàng)目增多，線路埋深越來(lái)越大，地下水抽排越來(lái)越多。為保護(hù)地下水資源，減少工程建設(shè)項(xiàng)目的降水規(guī)模，2017年北京市出臺(tái)《北京市水資源稅改革試點(diǎn)實(shí)施辦法》[京政發(fā)（2017）36 號(hào)]，對(duì)工程建設(shè)抽排的地下水征收水資源稅。為加強(qiáng)水資源保護(hù)，貫徹執(zhí)行水資源節(jié)約與合理開(kāi)發(fā)利用的指示精神，軌道交通領(lǐng)域應(yīng)積極推動(dòng)不降水（少降水）的相關(guān)堵水試驗(yàn)工作。

北京在建軌道交通線路的車站工程大多采用暗挖法施工，為減少地下水的抽排數(shù)量，自2018年起，北京軌道交通建設(shè)管理單位著手選擇部分暗挖工程工點(diǎn)，試驗(yàn)研究應(yīng)用洞內(nèi)超高壓噴射攪拌樁、洞內(nèi)咬合樁、車站（聯(lián)絡(luò)通道）冷凍法、深孔注漿等暗挖工程堵水新工藝。

北京地鐵19 號(hào)線一期金融街站為堵水新工藝試驗(yàn)工點(diǎn)之一，對(duì)于地下水的處理，招標(biāo)階段采用降水方案，實(shí)施階段變更為車站側(cè)壁洞內(nèi)咬合樁與基底洞內(nèi)超高壓噴射攪拌樁組合的堵水方案。

1 金融街站的工程概況

1.1 總體情況

北京地鐵19 號(hào)線一期南起新宮站，終至牡丹園站。金融街站是地鐵19 號(hào)線一期的中間站，位于北京市西城區(qū)復(fù)興門(mén)內(nèi)大街和鬧市口北街交叉口北側(cè)，沿鬧市口北街南北向敷設(shè)。車站為島式站臺(tái)，全長(zhǎng)317.6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為25.3m，高16.87m。車站為雙層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，采用暗挖PBA 工法施工，共設(shè)置4個(gè)出入口及疏散口、2 組風(fēng)亭、2 個(gè)安全出口、1 個(gè)無(wú)障礙出入口、1 個(gè)換乘通道及4 個(gè)豎井和橫通道。

根據(jù)詳勘資料，車站施工場(chǎng)地內(nèi)有2 層地下水，分別為潛水（二）、潛水（微承壓）（三）層。潛水（二）含水層分布在第⑤層卵石的底部，潛水（微承壓）（三）層賦存于第⑨層卵石及以下卵石、砂層中。地下水特征情況詳見(jiàn)表1。

表1 地下水情況表

1.2 招標(biāo)階段的降水方案

金融街站于2015年完成招標(biāo)，招標(biāo)圖紙中采用地面管井降水方案處理地下水，降水井分別布置在車站主體、附屬結(jié)構(gòu)的外圍，并分別形成封閉的降水單元，涌水量計(jì)算參數(shù)以及降水井設(shè)計(jì)參數(shù)分別見(jiàn)表2、表3。

表2 金融街站涌水量計(jì)算參數(shù)表

表3 金融街站降水井設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.3 實(shí)施階段的堵水方案

為積極響應(yīng)北京市不降水（少降水）的政策要求，2018年，金融街站地下水處理的實(shí)施方案變更為車站側(cè)壁咬合樁與基底超高壓噴射攪拌樁相結(jié)合，將地下水阻隔在車站結(jié)構(gòu)外圍的堵水方案（見(jiàn)圖1），側(cè)壁由直徑1000@1600mm 的邊樁（鋼筋混凝土灌注樁）變更為直徑900mm@1200mm、咬合厚度300mm 的洞內(nèi)咬合樁（咬合膨潤(rùn)土砂漿樁＋鋼筋混凝土樁），用于側(cè)壁堵水。車站基底利用基坑底部的粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂地層，采用直徑1500@1200mm、咬合度為300mm、排距950mm 的超高壓噴射攪拌樁（壓力40±2MPa）進(jìn)行堵水封底，旋噴樁體高度為3～5m，與底板間預(yù)留2.94～5m 原狀土。

圖1 金融街站的堵水方案剖面圖

2 堵水新工藝的施工情況介紹

2.1 洞內(nèi)咬合樁的施工情況

金融街站洞內(nèi)咬合樁由膨潤(rùn)土砂漿樁和鋼筋混凝土樁間隔布置，相互咬合搭接形成具有擋土和堵水作用的連續(xù)樁墻。 咬合樁樁徑為900mm，間距1200mm，相鄰樁的咬合厚度為300mm。咬合樁采用“跳三打一”法施工，先施工膨潤(rùn)土砂漿樁，后施工鋼筋混凝土樁，施工順序如圖2 所示，單樁的施工流程如圖3 所示。膨潤(rùn)土砂漿樁樁體材料采用M7.5 膨潤(rùn)土砂漿，7 天后抗壓強(qiáng)度為2～8MPa，抗?jié)B性能滲透系數(shù)≤1×10～6cm/s，在達(dá)到堵水效果的同時(shí)，便于鋼筋混凝土樁切削鉆孔。鋼筋混凝土樁樁體采用C30 鋼筋混凝土。金融街站洞內(nèi)咬合膨潤(rùn)土砂漿樁樁共計(jì)613 根，總樁長(zhǎng)13189m，鋼筋混凝土樁共計(jì)580 根，總樁長(zhǎng)16528m。

圖2 咬合樁施工順序

圖3 單樁的施工流程

2.2 洞內(nèi)超高壓噴射攪拌樁的施工情況

金融街站的超高壓噴射攪拌樁主要用于車站基底堵水，對(duì)滲透系數(shù)和成樁質(zhì)量要求較高，借鑒從日本引進(jìn)的MJS（Metro Jet System）工法，采用自主研發(fā)適用于洞內(nèi)低凈空的國(guó)產(chǎn)化引孔、噴漿機(jī)械（見(jiàn)圖4、圖5），采取超高壓、大流量、大直徑的施工工藝，分為引孔和噴漿兩個(gè)施工工序施工。

圖4 引孔鉆機(jī)

圖5 噴漿鉆機(jī)

引孔的施工流程包括引孔機(jī)就位、鉆進(jìn)引孔、引孔測(cè)斜、下PVC 管、提鉆成孔、引孔機(jī)移位等。噴漿的施工流程包括旋噴鉆機(jī)就位、下噴頭及噴桿、噴漿、拔噴管及拔噴頭、噴漿機(jī)移位等。引孔、噴漿的施工流程分別見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 引孔施工流程圖

圖7 噴漿施工程圖

封底超高壓噴射攪拌樁直徑1500mm，間距1200mm，咬合度為300mm，共計(jì)8079 根，樁體旋噴高度3～5m，旋噴加固土體體積43574.72m3。另外，施工參數(shù)分別為：水泥漿的水灰比0.8，旋噴樁提鉆速度4～5cm/min，轉(zhuǎn)速8～10r/min，注漿壓力38MPa，噴漿量180L/min。

3 堵水與降水方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

針對(duì)金融街站處理地下水的降水方案（招標(biāo)方案）與堵水方案（實(shí)施方案），將從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)意義三個(gè)方面開(kāi)展對(duì)比分析。

3.1 技術(shù)對(duì)比分析

從地下水處理方案對(duì)車站施工工期的影響開(kāi)展對(duì)比分析，采用降水方案與堵水方案的車站施工順序圖分別見(jiàn)圖8、圖9。降水方案的降水管井布置在車站結(jié)構(gòu)外圍，從地面打設(shè)，施工速度較快，可同步施工車站主體未入水的結(jié)構(gòu)工程，車站主體入水部位施工時(shí)能做到及時(shí)抽排地下水，不影響車站主體結(jié)構(gòu)的工期。堵水方案的洞內(nèi)咬合樁與洞內(nèi)超高壓噴射攪拌樁為車站結(jié)構(gòu)施工的組成部分,如圖1 所示，與降水方案相比，車站結(jié)構(gòu)側(cè)壁由間隔布置的邊樁變更為咬合樁，車站基底增加超高壓噴射攪拌樁。位于水位以下的土方需待車站基底的超高壓噴射攪拌樁施工完成，形成封閉的堵水帷幕后，方可開(kāi)挖。依據(jù)車站的工期籌劃，降水方案和堵水方案的車站工期分別為37個(gè)月和43 個(gè)月。

圖8 降水方案車站施工順序圖

圖9 堵水方案車站施工順序圖

從地下水處理方案對(duì)土方開(kāi)挖的影響效果對(duì)比分析，經(jīng)過(guò)北京軌道交通建設(shè)多年的實(shí)踐，降水施工技術(shù)比較成熟，能依據(jù)地下水的埋藏條件、涌水量大小，通過(guò)調(diào)整抽水時(shí)間、水泵功率等，保證土方不帶水作業(yè)，確保開(kāi)挖安全。采用堵水方案時(shí)，金融街站車站主體結(jié)構(gòu)土方開(kāi)挖至地下水位線以下時(shí)，車站側(cè)壁咬合樁樁體出現(xiàn)夾泥且局部存在滲漏水點(diǎn)，特別是土方開(kāi)挖至⑨卵石地層時(shí)，車站側(cè)壁和基底滲漏水量及流速隨著開(kāi)挖深度出現(xiàn)加大現(xiàn)象，對(duì)樁體側(cè)壁滲漏水點(diǎn)輔以注漿封堵，并對(duì)基底積水進(jìn)行疏干處理，土方開(kāi)挖最終順利完成。

3.2 經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

3.2.1 降水方案的地下水處理造價(jià)

針對(duì)金融街站招標(biāo)時(shí)采用的降水方案，招標(biāo)工程量清單中設(shè)置了“降水工程”和“堵水工程”兩項(xiàng)清單，并以“項(xiàng)”為計(jì)量單位，費(fèi)用總價(jià)包干。合同價(jià)款僅在車站出入口數(shù)量發(fā)生增減、車站主體工法或圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、水文地質(zhì)條件發(fā)生重大變化時(shí)可調(diào)整。降水工程與堵水工程兩項(xiàng)清單的合同金額分別為1154.97 萬(wàn)元和18.11 萬(wàn)元，合計(jì)1173.08 萬(wàn)元。金融街站實(shí)施階段未發(fā)生上述價(jià)款調(diào)整的情況，如采用降水方案，則結(jié)算的費(fèi)用與合同金額相同，即1173.08萬(wàn)元。

依據(jù)《北京市水資源稅改革試點(diǎn)實(shí)施辦法》[京政發(fā)（2017）36 號(hào)]的要求，工程建設(shè)采用降水方案處理地下水時(shí)，需在降水井出水口安裝水計(jì)量裝置，并繳納4.3 元/m3的水資源稅。水資源稅未包含在施工合同價(jià)款中，由建設(shè)單位單獨(dú)繳納。依據(jù)金融街站的施工工期籌劃、降水的地下水位線變化規(guī)律以及涌水量參數(shù)，計(jì)算預(yù)估的總抽水量為30852059m3，水資源稅需繳納13266.39 萬(wàn)元。

統(tǒng)籌考慮降水的工程費(fèi)以及水資源稅，金融街站采用降水方案的地下水處理總造價(jià)約為14439.47萬(wàn)元。

3.2.2 堵水方案的地下水處理造價(jià)

地下水處理由招標(biāo)階段的降水方案變更為實(shí)施階段的堵水方案后，車站主體結(jié)構(gòu)的側(cè)壁由邊樁（鋼筋混凝土樁）變更為洞內(nèi)咬合樁（咬合膨潤(rùn)土砂漿樁+鋼筋混凝土樁），同時(shí)車站基底增加了封底的超高壓噴射攪拌樁。堵水方案與降水方案車站主體結(jié)構(gòu)的差異費(fèi)用可以認(rèn)為是堵水方案下的地下水處理工程造價(jià)。堵水方案的結(jié)構(gòu)費(fèi)用包括咬合膨潤(rùn)土砂漿樁、咬合鋼筋混凝土樁、鋼筋籠、超高壓噴射攪拌樁等四項(xiàng)費(fèi)用，降水方案的結(jié)構(gòu)費(fèi)用包括邊樁及邊樁鋼筋籠兩項(xiàng)費(fèi)用。

依據(jù)北京2012年預(yù)算定額洞內(nèi)機(jī)械鉆孔樁相關(guān)定額以及金融街站的投標(biāo)報(bào)價(jià)開(kāi)展增補(bǔ)單價(jià)分析，咬合膨潤(rùn)土砂漿樁和咬合鋼筋混凝土樁的綜合單價(jià)分別 為1647.6 元/m 和1672.59 元/m，造價(jià)分別為2173.02 和2764.46 萬(wàn)元。咬合鋼筋混凝土樁鋼筋籠的重量2049.482t，采用合同價(jià)格計(jì)算，造價(jià)為1034.01萬(wàn)元。考慮到北京市現(xiàn)行預(yù)算定額中無(wú)洞內(nèi)超高壓噴射攪拌樁的相關(guān)定額，建設(shè)單位自主開(kāi)展了定額的測(cè)算分析。綜合引孔和噴漿兩道工序，以扣除咬合的旋噴土體體積m3為計(jì)量單位，金融街站洞內(nèi)超高壓噴射攪拌樁的綜合單價(jià)為2689.96 元/m3，總造價(jià)為11721.43 萬(wàn)元。堵水方案的車站結(jié)構(gòu)費(fèi)用合計(jì)為17692.92 萬(wàn)元。

合同內(nèi)車站主體結(jié)構(gòu)的邊樁及邊樁鋼筋籠的造價(jià)分別為509.62 和309.38 萬(wàn)元，降水方案的結(jié)構(gòu)費(fèi)用合計(jì)為819 萬(wàn)元。降水方案與堵水方案的結(jié)構(gòu)費(fèi)用差為16873.92 萬(wàn)元，即堵水方案的地下水處理工程造價(jià)，見(jiàn)表4。對(duì)比堵水與降水兩種方案的地下水處理造價(jià)，堵水方案高2434.45 萬(wàn)元。

表4 堵水方案的地下水處理工程造價(jià)

3.3 社會(huì)意義分析

地下水具有重要的資源屬性和生態(tài)功能，在保障城鄉(xiāng)生活生產(chǎn)供水、支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維系良好生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。為保護(hù)地下水資源，北京市自2017年起，對(duì)工程建設(shè)的降水方案施行了更為嚴(yán)格的審批制度，城市排水許可證申請(qǐng)日漸困難。隨著北京軌道交通建設(shè)項(xiàng)目的增多，如均采用降水方案處理地下水，將面臨地下水超采問(wèn)題。建設(shè)項(xiàng)目采用堵水方案處理地下水，可節(jié)約地下水資源，產(chǎn)生社會(huì)效益。另外，隨著軌道交通線網(wǎng)的加密，線路埋深不斷加大，周邊構(gòu)筑物環(huán)境日益復(fù)雜，降水難度越來(lái)越大，有些項(xiàng)目甚至可能無(wú)法實(shí)施降水，被迫只能采用堵水方式處理地下水，因此，研究堵水技術(shù)在工程建設(shè)項(xiàng)目的應(yīng)用具有戰(zhàn)略意義。

4 結(jié)論

總結(jié)金融街站降水與堵水兩種地下水處理方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)意義分析，可以得出如下結(jié)論：第一，降水方案與堵水方案均能使土方達(dá)到作業(yè)條件，但堵水方案因施工技術(shù)不成熟存在滲漏水現(xiàn)象，需輔以注漿、疏干等輔助措施，否則可能存在安全隱患。第二，工程建設(shè)項(xiàng)目采用降水方案工期短，造價(jià)低，更經(jīng)濟(jì)。第三，堵水方案將延長(zhǎng)工程建設(shè)的工期，造價(jià)更高，但可節(jié)約水資源，并可用于無(wú)法降水的項(xiàng)目。從施工安全和工程造價(jià)出發(fā)，建議軌道交通暗挖工程在滿足北京市地下水取用政策的前提下，優(yōu)先采用降水方案處理地下水，同時(shí)針對(duì)抽排的地下水開(kāi)展多元化的再利用，有效降低水資源浪費(fèi)。從保護(hù)水資源以及技術(shù)儲(chǔ)備出發(fā)，建議選擇部分工程風(fēng)險(xiǎn)較小的區(qū)段繼續(xù)開(kāi)展暗挖堵水技術(shù)研究，進(jìn)一步提高堵水施工工藝的施工水平，改善堵水效果的同時(shí)，降低超高壓噴射攪拌樁等堵水工藝的工程造價(jià)，以期為堵水工藝的推廣運(yùn)用提供經(jīng)濟(jì)可行性。