地鐵建設中的環(huán)境巖土工程問題分析

1、地鐵建設中的環(huán)境巖土工程問題分析     摘要:地工程是一項建設規(guī)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(yè)繁華區(qū),地下管線密集,安全要求高,施工引起的環(huán)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(huán)境的變化等環(huán)境巖土工程問題。關鍵詞:砂性地層;地鐵;環(huán)境巖土工程

2、問題;沉降;變形 0 引言      地鐵工程建設是沈陽自建市以來,規(guī)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(yè)區(qū)、城市主干道、多種型式和規(guī)模的建筑,因此對地鐵建筑過程中的安全性和涉及到的環(huán)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(huán)境巖土工程問題加總結,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

3、及的小環(huán)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(guī)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(qū),自張經(jīng)濟開發(fā)區(qū)至黎文化宮,全長22.05km,全部為地下線。全線設18座車站,17個區(qū)間。1.2 工程地質概況      沈陽城區(qū)坐落在遼河平原與東部山區(qū)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(tǒng)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

4、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(qū)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(jié)影響而有所變化,變幅1.02.0m。地下水的穩(wěn)定水位埋深4.312.0m,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(shù)在34.081.4m/d之間。水文地質特征呈現(xiàn)為顆粒粗、水量大、滲透快、含水層厚度大。1.4 地鐵車站和區(qū)間的主要施工方法和圍護結構方案      沈陽地鐵車

5、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(xù)墻三種型式;區(qū)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(huán)境巖土工程問題2.1 盾構施工引起的環(huán)境巖土工程問題      問題涉及的主要范圍:盾構在繁華市區(qū)穿越高大建筑物的群樁;盾構穿越地下管網(wǎng)交叉密集地區(qū);同一地鐵區(qū)間上下行線盾構同時或對向施工掘進;盾構進出工作井施工。      主要環(huán)境巖土工程問題: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

6、態(tài),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(fā)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(qū)的供排水管線大都年代較久,腐蝕老化現(xiàn)象嚴重,抵抗變形的能力降低,一旦發(fā)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(nèi)建筑物和人員的安全。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(chǎn)生土體隆起。盾構在進出工作井時,經(jīng)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(nèi)會產(chǎn)生動水壓力(沈陽地區(qū)地下水埋藏淺,

7、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(chǎn)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。盾構掘進后土體處于應力釋放的狀態(tài),如果盾尾空隙充填不足和不及時,將引起土體的下沉24。      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(qū)段,見圖1。2.2 基坑開挖引起的環(huán)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(chǎn)生的環(huán)境巖土工程問題,主要表現(xiàn)為土層的沉降和變形。由于土層

8、的沉降和變形使地表及其周邊建筑物產(chǎn)生沉降、開裂和傾斜,地下管線發(fā)生側移、沉降和開裂。      上述問題的出現(xiàn)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(chǎn)生向基坑方向的水平位移,從而使坑外地表發(fā)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(jīng)淺層處理的建構筑物),也將引起土體的側向位移,并且

9、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(qū)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(yè)面干燥,改善土體的工程性質。但是,無論是坑內(nèi)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(chǎn)生固結沉降。隨

10、著距基坑距離的增加,沉降量減小,使建(構)筑物產(chǎn)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(nèi)降水,因此條件允許的情況下,應優(yōu)先考慮坑內(nèi)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(xù)墻背面的土壓引起基坑底面的滑動破壞現(xiàn)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(chǎn)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。 

11、60;    坑底隆起變形主要由以下幾個因素產(chǎn)生:由于坑內(nèi)土體的挖除,坑底土的自重應力釋放,向上回彈,土體產(chǎn)生松弛和蠕變,基底隆起;坑內(nèi)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(chǎn)生向內(nèi)的位移,在坑底范圍內(nèi),向基坑方向擠壓土體,造成坑底隆起;由于施管理不善、基坑開挖后擱置時間過長、降雨等原因造成作業(yè)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

12、坑內(nèi)外水頭差,產(chǎn)生因動水壓力引起的滲流破壞,主要表現(xiàn)為流沙和管涌。該種破壞更多的出現(xiàn)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(chǎn)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(wěn)定,而處于懸浮狀態(tài),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

13、使土層變松,孔隙增大,土體強度降低,從而導致坑壁失穩(wěn)。           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(wěn)定性判斷可參考表27。 (5)其他相關問題      除上述引起土體變形和失穩(wěn)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(xù)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.

14、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(yè)區(qū),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(huán)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(huán)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(huán)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(tài)。      (1)地下水引起地面的變形      施工降