武汉轨道交通二号线一期地下工程的环境岩土工程问题.pdf

探讨与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 〔 收稿日期 〕 2007 - 6 - 15 武汉轨道交通二号线一期地下工程的 环境岩土工程问题 唐传政 张凯萍 武汉市建设工程设计审查办公室 摘 要 结合武汉轨道交通二号线一期工程,对武汉市轨道交通地下工程可能出现的环境岩土问题进行 了分析,并提出一些解决环境岩土问题的方法和建议。 关键词 环境岩土 地下工程 轨道交通 基坑支护 武汉市轨道交通二号线一期工程以下简称地 铁二号线全程地下轨道,长27198km,站点21座, 沿线交通干道纵横交错,地面交通流量大,高层建筑 鳞次栉比,古建筑及需要保护的文物建筑多,地下管 线错综复杂,沿江一带水利、 堤防及码头设施生产和 施工建设繁忙,给轨道交通地下工程设计和施工带 来了极大的困难。由于本工程贯穿长江南北,第四 系地层分布复杂,具有多种地貌单元,工程地质条 件、 水文地质条件等均有明显差异,使地铁二号线所 涉及环境岩土工程问题更复杂。 1 沿线工程地质和水文地质特点 武汉市区总的地势是东高西低,南高北低,以丘 陵与平原相间的波状起伏地形为主,长江两岸第四 系地层较厚。总体属于丘陵 平原地貌类型。武汉 市轨道交通二号线一期工程沿线通过地段可划分为 5个地貌单元区Ⅰ 长江河床河道区、 Ⅱ 长江一级阶 地区、 Ⅲ 长江二级阶地区 、 Ⅳ 长江三级阶地区、 Ⅴ 剥 蚀丘陵地貌图 1 。 Ⅰ长江河床河道区长江河道及江北岸500～ 1000m范围内,区域南北直线范围约2500m,长江正 常水深1510～2010m,水底面标高为0～210m,水下 由新近沉积的松散粉细砂、 中粗砂组成,厚度20～ 25m,砂层饱和,浅部松散粉细砂具有震动可液化 性;其下为泥质砂岩、 泥岩、 砾岩互层。 Ⅱ长江一级阶地区地貌单元呈现典型的二元 结构,上部由填土层及第四系全新统冲洪积成因的 粘性土组成;中部为稍密 中密的粉细砂、 中密 密 实的中粗砂夹砾石,粉细砂层中分布粘性土透镜体; 下部基岩为白垩系 下第三系砾岩、 砂岩及志留系 粉砂岩、 泥岩组成。在本地铁线路上分布较长,为汉 口区金色雅园站 江汉路站、 武昌区积玉桥站及上 下区间范围。 Ⅲ长江二级阶地区地貌单元上部为薄层填土 和厚度变化较大的全新统冲积成因的软塑 可塑状 态的一般粘性土;中部为第四系上更新统硬塑状老 粘性土及密实状粘质砂土及含砾细砂;下部为白垩 系 下第三系东湖群的砂岩和砾岩。分布于地铁线 路的北端金银潭站 金色雅园站及常青花园车辆段 的范围。 Ⅳ长江三级阶地区地貌单元上部为人工填 土,其下为第四系冲、 洪积成因的上更新统老粘性土 层及粘性土混碎石层;下部基岩主要为志留系坟头 组砂岩、 泥岩。分布于螃蟹甲站 小龟山站及中南 路站一带。在小龟山站和中南路站一带偶见三叠系 大冶组灰岩及泥盆系五通组辉绿色石英砂岩。 Ⅴ剥蚀丘陵地貌该地貌单元场地表层为人工 填土,其下即为志留系坟头组砂岩、 泥岩;在杨家湾站 附近,灰岩较厚,岩溶比较发育。主要分布于小龟山、 洪山基岩出露地段,石牌岭站 光谷广场站一带。 综上所述,不同的地貌单元其地层分布不同,工 程特点也不同。因此,轨道交通地下工程的支护设 计和施工要针对不同的地貌单元,并结合周边环境 情况,提出适宜的方案。 武汉市地铁二号线经过不同的地貌单元,地下 水的特点也有明显的不同,沿线场地地下水按赋存 条件,分为上层滞水、 潜水、 孔隙承压水和基岩裂隙 水 1上层滞水主要赋存于人工填土和粘性土层 中,水位不连续,没有统一的水面标高,水位埋深为 110～315m,主要接受地表水、 管道渗漏水和大气降 水的补给。 03 岩土工程界 第11卷 第2期探讨与分析 图1 武汉市轨道交通二号线一期工程沿线地貌单元划分图 2潜水主要分布于临江、 临湖一带浅部粉 土、 粉细砂地层中,具有局部连续性和统一的地下水 面,水位埋深为210～310m,主要接受地表水体和大 气降水的补给。 3全新统孔隙承压水主要分布在长江两岸一 级阶地,与长江、 汉江的水力联系密切,季节性变化 规律比较明显,具有互补关系,赋水地层为粉土、 粉 细砂、 中粗砂和圆砾、 卵石地层,隔水顶板为上部的 一般粉质粘土、 粘土,底板为基岩,含水层厚度一般 为15～45m,承压水头高度15～20m。 4上更新统孔隙承压水主要分布在长江二级 阶地区,赋水地层为黄色、 灰绿色粉细砂、 中粗砂和 杂色的圆砾、 卵石地层,隔水顶板为老粘性土,底板 为基岩,含水层厚度一般为17～30m,承压水层底面 埋深45m左右。 5基岩裂隙水分为岩溶裂隙水及碎屑岩裂隙 水,岩溶裂隙水主要分布在石牌岭 光谷广场一带, 碎屑岩裂隙水分布在裂隙比较发育的砂岩、 泥岩、 砾 岩等基岩中,水量不大。基岩裂隙水主要通过两侧 裸露基岩接受大气降水入渗补给,水位埋深610～ 2010m。 地铁区间隧道和车站基底埋深一般为16～ 23m,该深度在一级、 二级阶地和过江段多为粉土、 粉细砂,埋藏丰富的孔隙承压水,对地铁深基坑施工 影响最大,施工时应防止流砂和突涌。 2 环境岩土工程问题分析 武汉市地铁二号线工程站点深基坑开挖的环境 岩土工程问题主要为基坑边坡滑移、 基坑涌水、 流砂 及其引起的地面沉陷;基坑降水引起的地面沉降、 道 路开裂、 房屋开裂等。存在的环境岩土工程问题主 要有 1粉土及过渡层长江河床河道区江北岸 500～1000m范围内,存在一层粉质粘土夹粉土、 粉 土粉砂互层,这层土又多呈饱和松散状态,水稳定性 差,且富含上层滞水和潜水,况且场地多为狭窄地 段,周边管线密布、 周边环境十分严峻者居多。由于 侧壁止水设计不当,在基坑开挖时就出现涌土涌砂, 使粉土、 粉砂大量流失而造成边坡坍塌、 地面下沉, 引起邻近建筑物开裂、 管线破坏等。如某广场基坑 就由于侧壁止水设计和施工不当而酿成事故,导致 该工程搁置时间达7年之久。 13 探讨与分析GEOTECHN ICAL ENGI NEER I NGWORLD VOL. 11 No. 2 2长江一级阶地区该地貌单元在本地铁线 路上分布较长,为汉口区金色雅园站 江汉路站、 武 昌区积玉桥站及上下区间范围。地层呈现典型的二 元结构,上部多为填土层及第四系全新统冲洪积成 因的粘性土组成。而地铁区间隧道和车站基底埋深 一般为16 - 23m,深基坑开挖一般为垂直开挖,边坡 以松软粘性土为主,在不采取任何有效支护措施的 情况下,边坡会失稳而产生滑移或坍塌,有的即使采 用支护,如果支护不当,挡墙也会整体位移,使护桩 变形,坑底隆起,边坡会失稳而产生滑移。 3老粘性土长江二级阶地区、 三级阶地区、 剥蚀丘陵地貌区的地铁站均存在老粘性土。由于老 粘性土不同于一般粘性土,是一种超固结土,在天然 埋藏条件下承受着很高的前期固结压力。一旦开挖 暴露,极易产生卸荷裂隙或干缩裂隙。此外,塑性指 数高的老粘性土还可能具有一定的膨胀性,失水干 缩,遇水膨胀,对支护结构会产生一定的膨胀压力。 若保护不当,使水分浸入,土体强度将迅速下将,容 易发生崩塌、 边坡失稳或增加对支护结构的压力。 最典型的工程实例是某广场基坑工程,由于对地下 水对土的潜蚀问题没有引起足够重视,大量生活用 水流入基坑或壁内和挖孔桩孔内,使土体强度急 剧下降,造成17根人工挖孔桩倒塌、 折断,部分桩 严重倾斜变形的重大事故,经济损失巨大。 4软岩和碎屑岩长江三级阶地区、 剥蚀丘陵 地貌区的地铁站存在志留系页岩、 泥岩,页岩和泥岩 是一种泥质岩石,在地质历史上经受过强烈的挤压 褶皱作用,节理裂隙发育,开挖暴露后极易风化、 软 化,导致基坑事故的发生。同时,这些软岩与上部土 层的结合地带往往较破碎,且节理、 裂隙发育。该类 地层中的基坑工程应特别注意对环境水的整治,必 须防止任何水渗入边坡土体,以免造成土体软化,强 度衰减,引发边坡失稳。在存在砂岩、 泥岩、 砾岩等 碎屑岩的地铁站实施边坡工程时,必须注意岩层产 状、 裂隙面产状及泥岩软夹层的产状,并研究它们与 边坡的关系;同时应对环境水进行整治,防止泥岩遇 水软化,引起可能的顺层滑动。同时,碎屑岩中还存 在裂隙水,一般分布在裂隙比较发育的碎屑岩中,水 量不大。 5承压水承压水在地铁站中表现为全新统 孔隙承压水、 更新统孔隙承压水和岩溶裂隙水,其中 全新统孔隙承压水、 更新统孔隙承压水主要分布在 长江两岸一级阶地、 二级阶地,岩溶裂隙水主要分布 在灰岩出露的地段。与长江、 汉江的水力联系密切, 季节性变化规律比较明显,具有互补关系。地铁区 间隧道和车站基底埋深一般为16～23m,该深度在 一级、 二级阶地和过江段多为粉土、 粉细砂,埋藏丰 富的孔隙承压水,对地铁深基坑施工影响最大,施工 时应防止流砂和突涌。 3 环境岩土工程问题的处理对策 为保证地铁站深基坑工程的环境安全应从以下 几个方面下工夫。 311 工程地质和水文地质条件分析 在勘察报告的基础上对工程地质条件以及水文 地质条件进行分析研究,了解基坑工程范围内及其 影响范围内的土层分布,地下水情况以及不良地质 现象,掌握各土层和地下水对基坑工程的影响特点, 对可能产生的不利影响进行充分的估计和考虑,依 据工程实践经验给出可靠的判断,进而选择合理的 土层物理力学参数,进行支护结构的计算分析和环 境影响分析,提出确保环境安全和支护结构安全的 设计方案、 技术措施和有关施工要求。 312 沿线周边环境调查 深基坑工程设计、 施工前,认真地对沿线周边环 境条件进行调查,及时掌握环境信息的动态,也是深 基坑工程设计和施工时确保环境安全的重要环节。 对深基坑周边环境条件进行调查时,首先需要明确 调查范围。从确保安全的角度出发,周边环境条件 的调查范围应不小于基坑开挖和降水的影响范围。 通过走访、 查阅档案和实地踏勘等手段,对调查范围 内的地上、 地下建构筑物、 市政管线以及同期建 设工程等的情况进行调查,尤其是地下工程,需要摸 清详细的工程资料。再需进一步查清这些保护对象 的现状,即查清在修建和施工阶段已经发生的不利 于基坑施工的情况,主要是建筑结构的现有损坏情 况,房屋的倾斜、 沉降现状,管道的变形、 渗漏情况以 及特殊的保护要求等,进而通过计算、 分析和检测等 手段,明确保护对象能够承受的影响程度。 313 合理的设计施工方案 1选择合理的支护设计由于地铁区间隧道 和车站基底埋深一般为16～23m,应该分别针对不 同的环境岩土工程问题制定比较合理的基坑支护设 计。一般来说,支护方式可以采取桩加内撑,外加一 定厚度的止水帷幕,或地下连续墙加内撑,再辅以逆 作法施工技术。由于逆作法施工技术对减小施工对 周边环境影响、 充分利用地下空间、 缩短工期等方面 23 岩土工程界 第11卷 第2期探讨与分析 具有显著的优点。对周边需要保护的既有建筑进行 加固处理。对存在地下水突涌的基坑采取中深井降 水处理。与此同时,对监测和应急方案提出具体措 施。 2加固既有建筑由于地下工程的不确定性, 施工过程中各个阶段均可能发生某些偏离预测值的 情况而发生安全问题,需要事先对保护对象采取加 固等技术措施,以增强保护对象承受影响的能力。 基坑周边建筑物受基坑影响而产生的沉降与建筑物 基础情况密切相关的,对于浅埋及整体性较差的基 础,需要考虑其不利状况,必要时可采取基础加固措 施,如隔断法、 基础托换、 地基加固、 结构补强等方 法。建筑物周边施工时,尽管采取各种扰动小的工 艺,但对既有建筑一般均会产生或多或少的影响。 3实施预降水措施,防止降水对环境的影响 由于地铁区间隧道和车站基底埋深一般为16～ 23m,该深度在一级、 二级阶地和过江段多为粉土、 粉细砂,埋藏丰富的孔隙承压水,对地铁深基坑施工 影响最大,施工时应防止流砂和突涌。为防止基坑 边坡失稳,保证基坑顺利开挖,避免水下作业,就要 进行基坑降排水。工程降水会产生周围地面沉降, 进而引起建筑物倾斜和开裂、 地下管线断裂、 道路开 裂及其它设施的损坏等。要防止降水对环境的影 响,就要采取有效的防范措施。为此,选择合理的降 水方案及防范措施尤为重要。主要措施是坑内降 水,辅以竖向防渗帷幕的方法。根据以往基坑降水 经验,在深基坑降水工程中,可以采用预降水措施, 即设计在基坑开挖前先进行一段时间的满负荷降 水。一方面可以检验、 检测施工质量,以便在基坑开 挖之前发现问题,争取时间采取有效措施补救;并根 据预降水期间地面沉降趋势预测大开挖正常降水时 地面沉降发展趋势,进一步优化降水设计参数和降 水井的运行;另一方面可以使基坑降水所引起的地 面沉降在基坑开挖之前部分完成,以防止基坑开挖 后支护结构位移所引起的地面沉降与基坑降水所引 起的地面沉降叠加放大效应对周边环境的破坏。同 时,预降水后使基坑内外土体强度增加并预固结,减 少基坑支护结构位移变形,有利于基坑安全。 4重视施工顺序在长条形地铁车站深基坑 中,基坑开挖和支撑的施工技术要点是根据“ 时空 效应 ” 原理,采用信息化施工。按一定长度分段开 挖和浇筑结构,在每段开挖中再分层、 每层分小段地 开挖和支撑,随挖随撑,施加支撑预应力,完成每小 段的开挖和支撑的施工时间限制在一定范围之内。 每个分步的开挖和支撑施工时间,根据支撑形式等 具体情况,具有明确的控制值。控制及时加撑的时 间,减小无支撑的暴露时间等。对于保护要求十分 严格的环境条件,有条件的工程可采用逆作法进行 设计和施工,以减小对周边环境的影响。 314 加强基坑信息化施工 地下建筑物安全往往由变形控制。因此,根据 现场监测数据资料实施深基坑施工变形位移的智能 预测与控制,是信息化施工的重要环节,也是动态控 制基坑施工安全的重要方法。 施工中应随时将现场测试的基坑变形数据与预 测值及变形警戒和报警值进行比较。运用反演分 析,进行开挖工况变形位移值模拟计算,通过采取技 术措施,以改善预测结果,确保施工中各受力部位的 稳定与安全。 315 重视工程实践 基坑工程具有很强的区域性和显著的个性。由 于岩土工程的复杂性以及其工程性质研究的滞后 性,基坑工程的计算理论并不能切合实际地解决设 计与施工问题,还得从大量的原始积累开始。多年 的基坑工程实践表明实际工程是最好的原形试验, 在试验室中无法考虑的诸多可变因素在实际工程中 均得到了充分的反映。所以,应该用实际工程中积 累得到的实测资料来建立新的设计施工理论或修正 改进现有的基坑工程的设计理论,进一步提高设计 参数的精度。由于地铁站有21个,施工有不同的时 间,因此,对前段施工的地铁站的工程总结尤为重 要,以指导下一个地铁站基坑的设计与施工,使地铁 站基坑的设计和施工进一步优化,使其更合理。 参考文献 [1 ] 彭友君.武汉地铁二号线一期工程岩土工程勘察特点分析.岩 土工程技术, 2006. [2 ] 廖建生,刘连喜,唐传政.浅析武汉地区环境岩土工程问题.城 市勘测, 2000. [3 ] 王 军,吴君侯,等.上海地区深基坑工程的环境安全问题.岩 土工程学报, 2006. [4 ] 胡仁众.沈阳市城市地下工程主要环境岩土问题.土工基础, 2007. 第一作者通讯地址武汉市江岸区台北路106号武汉市建设 工程设计审查办公室 邮编 430015 33