小議地鐵工程中的巖土工程困境探討

導語：小議地鐵工程中的巖土工程困境探討一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:地鐵工程是一項建設規模大、工期長、投資多、社會效益倍受關注的工程。沈陽地鐵工程穿過的地層主要為砂性地層,沿線地上穿越多個商業繁華區,地下管線密集,安全要求高,施工引起的環境巖土工程問題是地鐵建設風險的重要組成部分。本文立足于沈陽地鐵一號線工程,結合明挖法、盾構法、施工降水等主要施工工法和手段,分析了砂性地層中與地鐵施工相關的支護結構變形、位移,流沙、管涌,因土體變形和沉降引起的地面、管線和相鄰建筑物的沉降和破壞,以及與施工降水相關的土體固結和地下水環境的變化等環境巖土工程問題。

關鍵詞:砂性地層;地鐵;環境巖土工程問題;沉降;變形

0引言

地鐵工程建設是沈陽自建市以來,規模最大、工期最長、投資最多、社會效益最受關注的一項工程。沈陽地鐵一號線沿線穿越多個商業區、城市主干道、多種型式和規模的建筑,因此對地鐵建筑過程中的安全性和涉及到的環境巖土工程問題進行分析,開展專項研究是十分必要的。孫鈞以上海近年來的工程實踐為例,就當前城市地下工程活動的環境巖土工程問題加以總結,歸納了最突出和困難的問題20多處[1],其中沈陽地鐵建設涉及到的就有10處之多。

本文就沈陽地鐵建設這一特定的工程活動涉及的小環境巖土工程問題加以分析。

1沈陽地鐵一號線概況

1.1基本概況

沈陽城市軌道建設共規劃五條地鐵線路。2005年9月沈陽地鐵一號線獲得批準,并于2005年11月18日開工。沈陽地鐵一號線沿東西向橫穿沈陽市區,自張士經濟開發區至黎明文化宮,全長22.05km,全部為地下線。全線設18座車站,17個區間。

1.2工程地質概況

沈陽城區坐落在遼河平原與東部山區的銜接地帶,地勢東北高、西南低。地鐵沿線地層上部為第四系全新統人工堆積層和沉積層,一般為粘性土、粉土、中砂、粗砂、礫砂和圓礫土;下覆第三系砂礫巖,局部地段部分地層缺失。工程地質分布見表1。

1.3水文地質特征

地下水主要為孔隙潛水,部分地區存在有承壓水,局部有上層滯水。補給來源主要為大氣降水與地表徑流,水位隨季節影響而有所變化,變幅1.0~2.0m。地下水的穩定水位埋深4.3~12.0m,大部分埋深8.0m左右,主要含水層為中粗砂、礫砂、圓礫層。滲透系數在34.0~81.4m/d之間。水文地質特征呈現為顆粒粗、水量大、滲透快、含水層厚度大。

1.4地鐵車站和區間的主要施工方法和圍護結構方案

沈陽地鐵車站采用的施工方法為明挖法、蓋挖順作法、暗挖法,圍護結構主要有型鋼水泥土復合攪拌樁、鉆孔樁加截水帷幕、地下連續墻三種型式;區間主要采用明挖法、盾構法、暗挖法三種施工方法。

2地鐵建設涉及的環境巖土工程問題

2.1盾構施工引起的環境巖土工程問題

問題涉及的主要范圍:①盾構在繁華市區穿越高大建筑物的群樁;②盾構穿越地下管網交叉密集地區;③同一地鐵區間上下行線盾構同時或對向施工掘進;④盾構進出工作井施工。

主要環境巖土工程問題:①盾構機掘進過程中改變了周圍土體的初始應力,破壞了土體的極限平衡狀態,引起土層的下沉,造成地面及其建筑物的沉降和處于工作面上方土體中的各類管線發生沉降,差異沉降過大將造成管線的變形和斷裂,尤其是沈陽地區的供排水管線大都年代較久,腐蝕老化現象嚴重,抵抗變形的能力降低,一旦發生管線破裂,大量的水流入工作面,將造成土體大面積垮塌,后果將十分嚴重,直接影響施工范圍內建筑物和人員的安全。②盾構施工對土體的擠壓和剪切作用,使土體的孔隙比減小,土體被壓密,從而引起地表的下沉,在盾構前方由于擠壓作用,局部產生土體隆起。③盾構在進出工作井時,經常要采取降水措施,降水使土層中的有效應力增加,土層被壓密;另外,由于周圍土體的不斷補給,在一定范圍內會產生動水壓力(沈陽地區地下水埋藏淺,蘊含豐富,水量補給大,施工降深大,更易形成動水壓力),從而使土中有效應力進一步增加,產生土體主固結沉降。對于西部張士站到黃海路站尚存在粘性土的次固結沉降。④盾構掘進后土體處于應力釋放的狀態,如果盾尾空隙充填不足和不及時,將引起土體的下沉[2~4]。

盾構掘進引起的土體變形(地表位移)沿盾構前進方向可以分為五個不同的區段,見圖1。

2.2基坑開挖引起的環境巖土工程問題

沈陽地鐵一號線有10座車站采用明挖法施工。深、大基坑的施工產生的環境巖土工程問題,主要表現為土層的沉降和變形。由于土層的沉降和變形使地表及其周邊建筑物產生沉降、開裂和傾斜,地下管線發生側移、沉降和開裂。

上述問題的出現主要涉及以下幾個方面:

(1)基坑圍護結構的變形

基坑開挖過程中,圍護結構主要承受水平方向的土壓力,產生向基坑方向的水平位移,從而使坑外地表發生變形,并且隨著開挖深度的增加,地表變形的范圍增大,最大變形量增大。當基坑周邊作用有不均勻超載(例如在基坑周邊分布有天然地基或經淺層處理的建構筑物),也將引起土體的側向位移,并且隨著超載量的增大,側向位移量增加。同時隨著開挖的不斷進行,樁體側向位移也將增加。圖2為沈陽地鐵某明挖區間實測圍護樁水平位移曲線,圖3為某圍護樁鋼管支撐軸力變化曲線。

(2)墻外土體的的固結沉降

基坑圍護結構的外側地面上擁有不均勻超載,引起土體的豎向固結,造成地表下沉,并隨著超載量的增加沉降量有所增加。深基坑工程一般都需要進行施工降水,以保證作業面干燥,改善土體的工程性質。但是,無論是坑內降水還是坑外降水,都將引起坑外土體中孔隙水壓力下降,有效應力增加,使土體產生固結沉降。隨著距基坑距離的增加,沉降量減小,使建(構)筑物產生不均勻沉降?？油饨邓鸬某两盗亢陀绊懛秶歼h遠大于坑內降水,因此條件允許的情況下,應優先考慮坑內降水,減少土層的固結沉降量。

(3)基坑坑底隆起變形

坑底隆起通常是指在軟弱粘性土中,連續墻背面的土壓引起基坑底面的滑動破壞現象。在砂性土中,因上下土層透水性相差較大,基底處土質的相對透水性低,土層重量小于浮力,亦會產生基底隆起[6]。因此盡管沈陽的地層多為砂性土,坑底隆起變形仍是沈陽地鐵施工中應加以關注的一個問題。

坑底隆起變形主要由以下幾個因素產生:由于坑內土體的挖除,坑底土的自重應力釋放,向上回彈,土體產生松弛和蠕變,基底隆起;坑內的卸載,使圍護結構在上面(1)所述的多種原因共同作用下,產生向內的位移,在坑底范圍內,向基坑方向擠壓土體,造成坑底隆起;由于施工管理不善、基坑開挖后擱置時間過長、降雨等原因造成作業面大量積水,土體吸水膨脹(尤其是粘性土、軟粘土和膨脹性土),引起坑底隆起。

(4)流沙和管涌問題

基坑施工過程中由于施工降水的作用,造成坑內外水頭差,產生因動水壓力引起的滲流破壞,主要表現為流沙和管涌。該種破壞更多的出現在砂性地層中,因此沈陽地鐵施工應給以足夠的重視。

當基坑以下的土層為疏松的砂土層,當滲流作用產生的動水力坡度大于砂土的極限動水力坡度時,土層將失去穩定,而處于懸浮狀態,并在滲流水壓力的作用下脫離平衡位置,從基底土中流出。流沙嚴重的時候,將引起基坑塌陷和地面下沉。

當土層中的細小顆粒被滲透水流帶走,在滲流口形成空洞,進而逐漸形成水流集中的管道,滲流及其攜帶的泥沙從已形成的管道涌出,形成管涌。管涌使土層變松,孔隙增大,土體強度降低,從而導致坑壁失穩。

砂層、砂礫層地基的施工是近年來隧道施工面臨的重要地質問題。關于含水砂層的穩定性判斷可參考表2[7]。

(5)其他相關問題

除上述引起土體變形和失穩的主要因素外,在地鐵設計和施工過程中還應該考慮下列相關問題:由于管井降水帶走砂土及地下連續墻墻體接縫處砂土流失等造成地層損失,引起沉降;由于施工中開挖面暴露時間過長,一次性開挖范圍過大,未能及時支護等原因,造成土體的滑落、流失。

2.3與地下水相關的問題

沈陽地鐵全部線路都埋藏在地下水位以下,全線砂層、砂礫層分布厚度大、水量豐富、降水深度大;地鐵本身又具有點多、線長、施工時間長的特點,地鐵一號線穿越鐵西廣場、沈陽站、中街等多個商業區,周邊多種型式的建筑物林立,地下管線密集,因此與地下水相關的環境巖土工程問題是沈陽地鐵建設的一個不容忽視的關鍵問題。

與地下水相關的環境巖土工程問題主要涉及兩個方面。一是地鐵建設中的施工降水引起土層壓密和缺失,導致地面及其周邊建筑物的沉降和變形,地下管線的沉降和移位,乃至破壞;二是由于地鐵施工對地下水環境的影響,改變地下水的滲流路徑,污染水質,改變地下水的分布狀態。

(1)地下水引起地面的變形

①施工降水引起地面的固結沉降,土層壓密,地表下沉,該項沉降是施工過程中不可避免的。沈陽地鐵一號線18座車站,其中采用坑內降水的4座,坑外降水的9座,坑內、坑外相結合的4座,坑內降水和堵水相結合的1座?？油饨邓绊懛秶?保證施工的前提下,降排水量大,對地面及周邊建筑物的影響比坑內降水更大。例如青年大街站采用坑外降水,降水深度達16.5m,根據前期的研究,初步確定其降水影響半徑可達150m,形成范圍較大的降落漏斗,從而引起地面及周邊建筑物的不均勻沉降,如圖4。

②在施工過程中,由于施工工藝及管理等問題,造成地下水滲透作用,引起基底隆起,流沙、流土等現象。降水過程中,水流帶走大量的砂土,引起土層缺失,造成土體坍塌、地面沉陷;由于動水壓力的作用,造成連續墻接縫處發生砂土流失,加大圍護結構外側土層的變形;連續墻泥漿溝槽施工中,地下水滲入溝槽,稀釋泥漿,降低泥漿的濃度,喪失護壁作用,導致土體向側向變形,同時引起豎直沉降變形等[8]。

(2)地鐵建設對地下水的影響

①施工期間產生的影響。沈陽地鐵一號線施工降水范圍廣、降水量大、歷時長,將在一個較長時間內形成施工降落漏斗,使地下水的動力場和化學場發生變化,引起地下水中某些物理化學組分和微生物含量的變化,導致地下水的污染加劇;沈陽地鐵一號線的張士站和沈新路站臨近張士水源地,這兩個車站及其區間的施工降水,將對張士水源地的取水產生一定影響;施工中為改善土體的強度和抗滲能力采取化學注漿,施工產生的廢水、洗刷水、廢漿以及機械漏油等,都可能影響地下水質。

②地鐵運營期間對地下水的影響。地鐵沿線全部處于地下水含水層中,地鐵線路猶如一道圍堰貫穿沈陽東西,截住了地下水的徑流路徑,降低了地鐵附近地下水的徑流速度,使得地下水難以及時向渾河、運河排泄,污染物不斷積累,污染加劇。地鐵隧道對地下水的攔截作用,使隧道兩側的地下水位發生變化,迎水面水位壅高,背水面下降,影響城市供水及地表植物的生長,進而影響整個城市的生態環境,這個影響是大范圍、長久的[9]。沈陽地鐵一號線在東西部分別穿越新開河與衛工明渠,地下隧道的攔截作用將影響這兩部分水體的滲流路徑、補給量和排泄量。

4結論

地鐵工程建設是沈陽自建市以來,規模最大、工期最長、投資最多、社會效益最受關注的一項基礎設施建設。地鐵在改善城市交通狀況,加快城市建設,促進經濟發展等方面都將發揮巨大作用,同時還要用科學的觀點和方法,將地鐵建設對環境的影響降到最小,做到科學設計、嚴格管理;加強施工和運營期間的監測,力求實現信息化施工;保證安全施工,減小施工對地面、建筑物和地下管線的影響,做到防患于未然;盡可能減小地鐵建設對城市生態環境的影響和破壞。

參考文獻

[1]孫鈞.城市地下工程活動的環境巖土工程問題(上)、(中)、(下)(J).地下工程與隧道,1999,(3);1999,(4);2000,(1).

[2]孫鈞,朱忠隆,袁金榮.地鐵盾構掘進環境土工安全的智能預測與控制.地下工程與隧道.2002,(3).

[3]徐永福,孫鈞.隧道盾構掘進施工對周圍土體的影響.地下工程與隧道,1999,(2):9~13.

[4]孫鈞,周健,龔曉南,張彌.受施工擾動影響土體環境穩定理論與變形控制.同濟大學學報(自然科學版),2004,(10):1261~1269.

[5]李相然等.基坑開挖中的環境巖土工程問題研究.中國地質災害與防治學報,2001,(2).

[6]施仲衡.地下鐵道設計與施工.西安:陜西科學技術出版社,1997.

[7]關寶樹.隧道工程施工要點集.北京:人民交通出版社,2003.

[8]史佩棟.深基礎工程特殊技術問題.北京:人民交通出版社,2004.

[9]許,王國權,李曉昭.城市地下空間開發對地下水環境影響的初步研究.工程地質學報,1999,(1).