摘要:地鐵工程是一項建設(shè)規(guī)模大、工期長、投資多、社會效益倍受關(guān)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(shè)風(fēng)險的重要組成部分。本文立足于沈陽地鐵一號線工程,結(jié)合明挖法、盾構(gòu)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(guān)的支護結(jié)構(gòu)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(guān)的土體固結(jié)和地下水環(huán)境的變化等環(huán)境巖土工程問題。
關(guān)鍵詞:砂性地層;地鐵;環(huán)境巖土工程問題;沉降;變形
0引言
地鐵工程建設(shè)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(guān)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(dāng)前城市地下工程活動的環(huán)境巖土工程問題加以總結(jié),歸納了最突出和困難的問題20多處[1],其中沈陽地鐵建設(shè)涉及到的就有10處之多。
本文就沈陽地鐵建設(shè)這一特定的工程活動涉及的小環(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(shè)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(zhǔn),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),自張士經(jīng)濟開發(fā)區(qū)至黎明文化宮,全長22.05km,全部為地下線。全線設(shè)18座車站,17個區(qū)間。
1.2工程地質(zhì)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、礫砂和圓礫土;下覆第三系砂礫巖,局部地段部分地層缺失。工程地質(zhì)分布見表1。
1.3水文地質(zhì)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1.0~2.0m。地下水的穩(wěn)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(shù)在34.0~81.4m/d之間。水文地質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主要有型鋼水泥土復(fù)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(gòu)法、暗挖法三種施工方法。
2地鐵建設(shè)涉及的環(huán)境巖土工程問題
2.1盾構(gòu)施工引起的環(huán)境巖土工程問題
問題涉及的主要范圍:①盾構(gòu)在繁華市區(qū)穿越高大建筑物的群樁;②盾構(gòu)穿越地下管網(wǎng)交叉密集地區(qū);③同一地鐵區(qū)間上下行線盾構(gòu)同時或?qū)ο蚴┕ぞ蜻M;④盾構(gòu)進出工作井施工。
主要環(huán)境巖土工程問題:①盾構(gòu)機掘進過程中改變了周圍土體的初始應(yīng)力,破壞了土體的極限平衡狀態(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(yán)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(yán)重,直接影響施工范圍內(nèi)建筑物和人員的安全。②盾構(gòu)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(gòu)前方由于擠壓作用,局部產(chǎn)生土體隆起。③盾構(gòu)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(yīng)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,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(yīng)力進一步增加,產(chǎn)生土體主固結(jié)沉降。對于西部張士站到黃海路站尚存在粘性土的次固結(jié)沉降。④盾構(gòu)掘進后土體處于應(yīng)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[2~4]。
盾構(gòu)掘進引起的土體變形(地表位移)沿盾構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)的變形
基坑開挖過程中,圍護結(jié)構(gòu)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(dāng)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(gòu)筑物),也將引起土體的側(cè)向位移,并且隨著超載量的增大,側(cè)向位移量增加。同時隨著開挖的不斷進行,樁體側(cè)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(jié)沉降
基坑圍護結(jié)構(gòu)的外側(cè)地面上擁有不均勻超載,引起土體的豎向固結(jié),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(zhì)。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(yīng)力增加,使土體產(chǎn)生固結(jié)沉降。隨著距基坑距離的增加,沉降量減小,使建(構(gòu))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(yīng)優(yōu)先考慮坑內(nèi)降水,減少土層的固結(jié)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(zhì)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(yīng)加以關(guān)注的一個問題。
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(yīng)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(jié)構(gòu)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(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(yīng)給以足夠的重視。
當(dāng)基坑以下的土層為疏松的砂土層,當(dāng)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(yán)重的時候,將引起基坑塌陷和地面下沉。
當(dāng)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(dǎo)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(zhì)問題。關(guān)于含水砂層的穩(wěn)定性判斷可參考表2[7]。
(5)其他相關(guān)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(shè)計和施工過程中還應(yīng)該考慮下列相關(guān)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。
2.3與地下水相關(guān)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(guān)的環(huán)境巖土工程問題是沈陽地鐵建設(shè)的一個不容忽視的關(guān)鍵問題。
與地下水相關(guān)的環(huán)境巖土工程問題主要涉及兩個方面。一是地鐵建設(shè)中的施工降水引起土層壓密和缺失,導(dǎo)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(zhì),改變地下水的分布狀態(tài)。
(1)地下水引起地面的變形
①施工降水引起地面的固結(jié)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(nèi)降水的4座,坑外降水的9座,坑內(nèi)、坑外相結(jié)合的4座,坑內(nèi)降水和堵水相結(jié)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(nèi)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(jù)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(xiàn)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(xù)墻接縫處發(fā)生砂土流失,加大圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)土層的變形;連續(xù)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(dǎo)致土體向側(cè)向變形,同時引起豎直沉降變形等[8]。
(2)地鐵建設(shè)對地下水的影響
①施工期間產(chǎn)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(nèi)形成施工降落漏斗,使地下水的動力場和化學(xué)場發(fā)生變化,引起地下水中某些物理化學(xué)組分和微生物含量的變化,導(dǎo)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(qū)間的施工降水,將對張士水源地的取水產(chǎn)生一定影響;施工中為改善土體的強度和抗?jié)B能力采取化學(xué)注漿,施工產(chǎn)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(zhì)。
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(cè)的地下水位發(fā)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(tài)環(huán)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(wèi)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(jié)論
地鐵工程建設(shè)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(guān)注的一項基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。地鐵在改善城市交通狀況,加快城市建設(shè),促進經(jīng)濟發(fā)展等方面都將發(fā)揮巨大作用,同時還要用科學(xué)的觀點和方法,將地鐵建設(shè)對環(huán)境的影響降到最小,做到科學(xué)設(shè)計、嚴(yán)格管理;加強施工和運營期間的監(jiān)測,力求實現(xiàn)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(shè)對城市生態(tài)環(huán)境的影響和破壞。
參考文獻
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