小议地铁工程中的岩土工程困境探讨

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摘要:地铁工程是一项建设规模大、工期长、投资多、社会效益倍受关注的工程。沈阳地铁工程穿过的地层主要为砂性地层,沿线地上穿越多个商业繁华区,地下管线密集,安全要求高,施工引起的环境岩土工程问题是地铁建设风险的重要组成部分。本文立足于沈阳地铁一号线工程,结合明挖法、盾构法、施工降水等主要施工工法和手段,分析了砂性地层中与地铁施工相关的支护结构变形、位移,流沙、管涌,因土体变形和沉降引起的地面、管线和相邻建筑物的沉降和破坏,以及与施工降水相关的土体固结和地下水环境的变化等环境岩土工程问题。

关键词:砂性地层;地铁;环境岩土工程问题;沉降;变形

0引言

地铁工程建设是沈阳自建市以来,规模最大、工期最长、投资最多、社会效益最受关注的一项工程。沈阳地铁一号线沿线穿越多个商业区、城市主干道、多种型式和规模的建筑,因此对地铁建筑过程中的安全性和涉及到的环境岩土工程问题进行分析,开展专项研究是十分必要的。孙钧以上海近年来的工程实践为例,就当前城市地下工程活动的环境岩土工程问题加以总结,归纳了最突出和困难的问题20多处[1],其中沈阳地铁建设涉及到的就有10处之多。

本文就沈阳地铁建设这一特定的工程活动涉及的小环境岩土工程问题加以分析。

1沈阳地铁一号线概况

1.1基本概况

沈阳城市轨道建设共规划五条地铁线路。2005年9月沈阳地铁一号线获得批准,并于2005年11月18日开工。沈阳地铁一号线沿东西向横穿沈阳市区,自张士经济开发区至黎明文化宫,全长22.05km,全部为地下线。全线设18座车站,17个区间。

1.2工程地质概况

沈阳城区坐落在辽河平原与东部山区的衔接地带,地势东北高、西南低。地铁沿线地层上部为第四系全新统人工堆积层和沉积层,一般为粘性土、粉土、中砂、粗砂、砾砂和圆砾土;下覆第三系砂砾岩,局部地段部分地层缺失。工程地质分布见表1。

1.3水文地质特征

地下水主要为孔隙潜水,部分地区存在有承压水,局部有上层滞水。补给来源主要为大气降水与地表径流,水位随季节影响而有所变化,变幅1.0~2.0m。地下水的稳定水位埋深4.3~12.0m,大部分埋深8.0m左右,主要含水层为中粗砂、砾砂、圆砾层。渗透系数在34.0~81.4m/d之间。水文地质特征呈现为颗粒粗、水量大、渗透快、含水层厚度大。

1.4地铁车站和区间的主要施工方法和围护结构方案

沈阳地铁车站采用的施工方法为明挖法、盖挖顺作法、暗挖法,围护结构主要有型钢水泥土复合搅拌桩、钻孔桩加截水帷幕、地下连续墙三种型式;区间主要采用明挖法、盾构法、暗挖法三种施工方法。

2地铁建设涉及的环境岩土工程问题

2.1盾构施工引起的环境岩土工程问题

问题涉及的主要范围:①盾构在繁华市区穿越高大建筑物的群桩;②盾构穿越地下管网交叉密集地区;③同一地铁区间上下行线盾构同时或对向施工掘进;④盾构进出工作井施工。

主要环境岩土工程问题:①盾构机掘进过程中改变了周围土体的初始应力,破坏了土体的极限平衡状态,引起土层的下沉,造成地面及其建筑物的沉降和处于工作面上方土体中的各类管线发生沉降,差异沉降过大将造成管线的变形和断裂,尤其是沈阳地区的供排水管线大都年代较久,腐蚀老化现象严重,抵抗变形的能力降低,一旦发生管线破裂,大量的水流入工作面,将造成土体大面积垮塌,后果将十分严重,直接影响施工范围内建筑物和人员的安全。②盾构施工对土体的挤压和剪切作用,使土体的孔隙比减小,土体被压密,从而引起地表的下沉,在盾构前方由于挤压作用,局部产生土体隆起。③盾构在进出工作井时,经常要采取降水措施,降水使土层中的有效应力增加,土层被压密;另外,由于周围土体的不断补给,在一定范围内会产生动水压力(沈阳地区地下水埋藏浅,蕴含丰富,水量补给大,施工降深大,更易形成动水压力),从而使土中有效应力进一步增加,产生土体主固结沉降。对于西部张士站到黄海路站尚存在粘性土的次固结沉降。④盾构掘进后土体处于应力释放的状态,如果盾尾空隙充填不足和不及时,将引起土体的下沉[2~4]。

盾构掘进引起的土体变形(地表位移)沿盾构前进方向可以分为五个不同的区段,见图1。

2.2基坑开挖引起的环境岩土工程问题

沈阳地铁一号线有10座车站采用明挖法施工。深、大基坑的施工产生的环境岩土工程问题,主要表现为土层的沉降和变形。由于土层的沉降和变形使地表及其周边建筑物产生沉降、开裂和倾斜,地下管线发生侧移、沉降和开裂。

上述问题的出现主要涉及以下几个方面:

(1)基坑围护结构的变形

基坑开挖过程中,围护结构主要承受水平方向的土压力,产生向基坑方向的水平位移,从而使坑外地表发生变形,并且随着开挖深度的增加,地表变形的范围增大,最大变形量增大。当基坑周边作用有不均匀超载(例如在基坑周边分布有天然地基或经浅层处理的建构筑物),也将引起土体的侧向位移,并且随着超载量的增大,侧向位移量增加。同时随着开挖的不断进行,桩体侧向位移也将增加。图2为沈阳地铁某明挖区间实测围护桩水平位移曲线,图3为某围护桩钢管支撑轴力变化曲线。

(2)墙外土体的的固结沉降

基坑围护结构的外侧地面上拥有不均匀超载,引起土体的竖向固结,造成地表下沉,并随着超载量的增加沉降量有所增加。深基坑工程一般都需要进行施工降水,以保证作业面干燥,改善土体的工程性质。但是,无论是坑内降水还是坑外降水,都将引起坑外土体中孔隙水压力下降,有效应力增加,使土体产生固结沉降。随着距基坑距离的增加,沉降量减小,使建(构)筑物产生不均匀沉降。坑外降水引起的沉降量和影响范围都远远大于坑内降水,因此条件允许的情况下,应优先考虑坑内降水,减少土层的固结沉降量。

(3)基坑坑底隆起变形

坑底隆起通常是指在软弱粘性土中,连续墙背面的土压引起基坑底面的滑动破坏现象。在砂性土中,因上下土层透水性相差较大,基底处土质的相对透水性低,土层重量小于浮力,亦会产生基底隆起[6]。因此尽管沈阳的地层多为砂性土,坑底隆起变形仍是沈阳地铁施工中应加以关注的一个问题。

坑底隆起变形主要由以下几个因素产生:由于坑内土体的挖除,坑底土的自重应力释放,向上回弹,土体产生松弛和蠕变,基底隆起;坑内的卸载,使围护结构在上面(1)所述的多种原因共同作用下,产生向内的位移,在坑底范围内,向基坑方向挤压土体,造成坑底隆起;由于施工管理不善、基坑开挖后搁置时间过长、降雨等原因造成作业面大量积水,土体吸水膨胀(尤其是粘性土、软粘土和膨胀性土),引起坑底隆起。

(4)流沙和管涌问题

基坑施工过程中由于施工降水的作用,造成坑内外水头差,产生因动水压力引起的渗流破坏,主要表现为流沙和管涌。该种破坏更多的出现在砂性地层中,因此沈阳地铁施工应给以足够的重视。

当基坑以下的土层为疏松的砂土层,当渗流作用产生的动水力坡度大于砂土的极限动水力坡度时,土层将失去稳定,而处于悬浮状态,并在渗流水压力的作用下脱离平衡位置,从基底土中流出。流沙严重的时候,将引起基坑塌陷和地面下沉。

当土层中的细小颗粒被渗透水流带走,在渗流口形成空洞,进而逐渐形成水流集中的管道,渗流及其携带的泥沙从已形成的管道涌出,形成管涌。管涌使土层变松,孔隙增大,土体强度降低,从而导致坑壁失稳。

砂层、砂砾层地基的施工是近年来隧道施工面临的重要地质问题。关于含水砂层的稳定性判断可参考表2[7]。

(5)其他相关问题

除上述引起土体变形和失稳的主要因素外,在地铁设计和施工过程中还应该考虑下列相关问题:由于管井降水带走砂土及地下连续墙墙体接缝处砂土流失等造成地层损失,引起沉降;由于施工中开挖面暴露时间过长,一次性开挖范围过大,未能及时支护等原因,造成土体的滑落、流失。

2.3与地下水相关的问题

沈阳地铁全部线路都埋藏在地下水位以下,全线砂层、砂砾层分布厚度大、水量丰富、降水深度大;地铁本身又具有点多、线长、施工时间长的特点,地铁一号线穿越铁西广场、沈阳站、中街等多个商业区,周边多种型式的建筑物林立,地下管线密集,因此与地下水相关的环境岩土工程问题是沈阳地铁建设的一个不容忽视的关键问题。

与地下水相关的环境岩土工程问题主要涉及两个方面。一是地铁建设中的施工降水引起土层压密和缺失,导致地面及其周边建筑物的沉降和变形,地下管线的沉降和移位,乃至破坏;二是由于地铁施工对地下水环境的影响,改变地下水的渗流路径,污染水质,改变地下水的分布状态。

(1)地下水引起地面的变形

①施工降水引起地面的固结沉降,土层压密,地表下沉,该项沉降是施工过程中不可避免的。沈阳地铁一号线18座车站,其中采用坑内降水的4座,坑外降水的9座,坑内、坑外相结合的4座,坑内降水和堵水相结合的1座。坑外降水影响范围大,保证施工的前提下,降排水量大,对地面及周边建筑物的影响比坑内降水更大。例如青年大街站采用坑外降水,降水深度达16.5m,根据前期的研究,初步确定其降水影响半径可达150m,形成范围较大的降落漏斗,从而引起地面及周边建筑物的不均匀沉降,如图4。

②在施工过程中,由于施工工艺及管理等问题,造成地下水渗透作用,引起基底隆起,流沙、流土等现象。降水过程中,水流带走大量的砂土,引起土层缺失,造成土体坍塌、地面沉陷;由于动水压力的作用,造成连续墙接缝处发生砂土流失,加大围护结构外侧土层的变形;连续墙泥浆沟槽施工中,地下水渗入沟槽,稀释泥浆,降低泥浆的浓度,丧失护壁作用,导致土体向侧向变形,同时引起竖直沉降变形等[8]。

(2)地铁建设对地下水的影响

①施工期间产生的影响。沈阳地铁一号线施工降水范围广、降水量大、历时长,将在一个较长时间内形成施工降落漏斗,使地下水的动力场和化学场发生变化,引起地下水中某些物理化学组分和微生物含量的变化,导致地下水的污染加剧;沈阳地铁一号线的张士站和沈新路站临近张士水源地,这两个车站及其区间的施工降水,将对张士水源地的取水产生一定影响;施工中为改善土体的强度和抗渗能力采取化学注浆,施工产生的废水、洗刷水、废浆以及机械漏油等,都可能影响地下水质。

②地铁运营期间对地下水的影响。地铁沿线全部处于地下水含水层中,地铁线路犹如一道围堰贯穿沈阳东西,截住了地下水的径流路径,降低了地铁附近地下水的径流速度,使得地下水难以及时向浑河、运河排泄,污染物不断积累,污染加剧。地铁隧道对地下水的拦截作用,使隧道两侧的地下水位发生变化,迎水面水位壅高,背水面下降,影响城市供水及地表植物的生长,进而影响整个城市的生态环境,这个影响是大范围、长久的[9]。沈阳地铁一号线在东西部分别穿越新开河与卫工明渠,地下隧道的拦截作用将影响这两部分水体的渗流路径、补给量和排泄量。

4结论

地铁工程建设是沈阳自建市以来,规模最大、工期最长、投资最多、社会效益最受关注的一项基础设施建设。地铁在改善城市交通状况,加快城市建设,促进经济发展等方面都将发挥巨大作用,同时还要用科学的观点和方法,将地铁建设对环境的影响降到最小,做到科学设计、严格管理;加强施工和运营期间的监测,力求实现信息化施工;保证安全施工,减小施工对地面、建筑物和地下管线的影响,做到防患于未然;尽可能减小地铁建设对城市生态环境的影响和破坏。

参考文献

[1]孙钧.城市地下工程活动的环境岩土工程问题(上)、(中)、(下)(J).地下工程与隧道,1999,(3);1999,(4);2000,(1).

[2]孙钧,朱忠隆,袁金荣.地铁盾构掘进环境土工安全的智能预测与控制.地下工程与隧道.2002,(3).

[3]徐永福,孙钧.隧道盾构掘进施工对周围土体的影响.地下工程与隧道,1999,(2):9~13.

[4]孙钧,周健,龚晓南,张弥.受施工扰动影响土体环境稳定理论与变形控制.同济大学学报(自然科学版),2004,(10):1261~1269.

[5]李相然等.基坑开挖中的环境岩土工程问题研究.中国地质灾害与防治学报,2001,(2).

[6]施仲衡.地下铁道设计与施工.西安:陕西科学技术出版社,1997.

[7]关宝树.隧道工程施工要点集.北京:人民交通出版社,2003.

[8]史佩栋.深基础工程特殊技术问题.北京:人民交通出版社,2004.

[9]许,王国权,李晓昭.城市地下空间开发对地下水环境影响的初步研究.工程地质学报,1999,(1).