摘要:地鐵工程是一項(xiàng)建設(shè)規(guī)模大、工期長(zhǎng)、投資多、社會(huì)效益倍受關(guān)注的工程。沈陽(yáng)地鐵工程穿過(guò)的地層主要為砂性地層,沿線(xiàn)地上穿越多個(gè)商業(yè)繁華區(qū),地下管線(xiàn)密集,安全要求高,施工引起的環(huán)境巖土工程問(wèn)題是地鐵建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的重要組成部分。本文立足于沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)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(hù)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(xiàn)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(wèn)題。

關(guān)鍵詞:砂性地層;地鐵;環(huán)境巖土工程問(wèn)題;沉降;變形

0引言

地鐵工程建設(shè)是沈陽(yáng)自建市以來(lái),規(guī)模最大、工期最長(zhǎng)、投資最多、社會(huì)效益最受關(guān)注的一項(xiàng)工程。沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)沿線(xiàn)穿越多個(gè)商業(yè)區(qū)、城市主干道、多種型式和規(guī)模的建筑,因此對(duì)地鐵建筑過(guò)程中的安全性和涉及到的環(huán)境巖土工程問(wèn)題進(jìn)行分析,開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究是十分必要的。孫鈞以上海近年來(lái)的工程實(shí)踐為例,就當(dāng)前城市地下工程活動(dòng)的環(huán)境巖土工程問(wèn)題加以總結(jié),歸納了最突出和困難的問(wèn)題20多處[1],其中沈陽(yáng)地鐵建設(shè)涉及到的就有10處之多。

本文就沈陽(yáng)地鐵建設(shè)這一特定的工程活動(dòng)涉及的小環(huán)境巖土工程問(wèn)題加以分析。

1沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)概況

1.1基本概況

沈陽(yáng)城市軌道建設(shè)共規(guī)劃五條地鐵線(xiàn)路。2005年9月沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)獲得批準(zhǔn),并于2005年11月18日開(kāi)工。沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)沿東西向橫穿沈陽(yáng)市區(qū),自張士經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)至黎明文化宮,全長(zhǎng)22.05km,全部為地下線(xiàn)。全線(xiàn)設(shè)18座車(chē)站,17個(gè)區(qū)間。

1.2工程地質(zhì)概況

沈陽(yáng)城區(qū)坐落在遼河平原與東部山區(qū)的銜接地帶,地勢(shì)東北高、西南低。地鐵沿線(xiàn)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(jiàn)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(bǔ)給來(lái)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(chē)站和區(qū)間的主要施工方法和圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案

沈陽(yáng)地鐵車(chē)站采用的施工方法為明挖法、蓋挖順作法、暗挖法,圍護(hù)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(wèn)題

2.1盾構(gòu)施工引起的環(huán)境巖土工程問(wèn)題

問(wèn)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(xiàn)盾構(gòu)同時(shí)或?qū)ο蚴┕ぞ蜻M(jìn);④盾構(gòu)進(jìn)出工作井施工。

主要環(huán)境巖土工程問(wèn)題:①盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中改變了周?chē)�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(lèi)管線(xiàn)發(fā)生沉降,差異沉降過(guò)大將造成管線(xiàn)的變形和斷裂,尤其是沈陽(yáng)地區(qū)的供排水管線(xiàn)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(xiàn)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(duì)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(jìn)出工作井時(shí),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?chē)�土體的不斷補(bǔ)給,在一定范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力(沈陽(yáng)地區(qū)地下水埋藏淺,蘊(yùn)含豐富,水量補(bǔ)給大,施工降深大,更易形成動(dòng)水壓力),從而使土中有效應(yīng)力進(jìn)一步增加,產(chǎn)生土體主固結(jié)沉降。對(duì)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(jìn)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(shí),將引起土體的下沉[2~4]。

盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體變形(地表位移)沿盾構(gòu)前進(jìn)方向可以分為五個(gè)不同的區(qū)段,見(jiàn)圖1。

2.2基坑開(kāi)挖引起的環(huán)境巖土工程問(wèn)題

沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)有10座車(chē)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(wèn)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(kāi)裂和傾斜,地下管線(xiàn)發(fā)生側(cè)移、沉降和開(kāi)裂。

上述問(wèn)題的出現(xiàn)主要涉及以下幾個(gè)方面:

(1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形

基坑開(kāi)挖過(guò)程中,圍護(hù)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(kāi)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(shí)隨著開(kāi)挖的不斷進(jìn)行,樁體側(cè)向位移也將增加。圖2為沈陽(yáng)地鐵某明挖區(qū)間實(shí)測(cè)圍護(hù)樁水平位移曲線(xiàn),圖3為某圍護(hù)樁鋼管支撐軸力變化曲線(xiàn)。

(2)墻外土體的的固結(jié)沉降

基坑圍護(hù)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(jìn)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(wú)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�引起的沉降量和影響范圍都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(duì)透水性低,土層重量小于浮力,亦會(huì)產(chǎn)生基底隆起[6]。因此盡管沈陽(yáng)的地層多為砂性土,坑底隆起變形仍是沈陽(yáng)地鐵施工中應(yīng)加以關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。

坑底隆起變形主要由以下幾個(gè)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(hù)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(kāi)挖后擱置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、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(wèn)題

基坑施工過(guò)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(dòng)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(yáng)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(dòng)水力坡度大于砂土的極限動(dòng)水力坡度時(shí),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(shí)候,將引起基坑塌陷和地面下沉。

當(dāng)土層中的細(xì)小顆粒被滲透水流帶走,在滲流口形成空洞,進(jìn)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(qiáng)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(lái)隧道施工面臨的重要地質(zhì)問(wèn)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(wèn)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(jì)和施工過(guò)程中還應(yīng)該考慮下列相關(guān)問(wèn)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(kāi)挖面暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng),一次性開(kāi)挖范圍過(guò)大,未能及時(shí)支護(hù)等原因,造成土體的滑落、流失。

2.3與地下水相關(guān)的問(wèn)題

沈陽(yáng)地鐵全部線(xiàn)路都埋藏在地下水位以下,全線(xiàn)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(diǎn)多、線(xiàn)長(zhǎng)、施工時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),地鐵一號(hào)線(xiàn)穿越鐵西廣場(chǎng)、沈陽(yáng)站、中街等多個(gè)商業(yè)區(qū),周邊多種型式的建筑物林立,地下管線(xiàn)密集,因此與地下水相關(guān)的環(huán)境巖土工程問(wèn)題是沈陽(yáng)地鐵建設(shè)的一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)題。

與地下水相關(guān)的環(huán)境巖土工程問(wèn)題主要涉及兩個(gè)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(xiàn)的沉降和移位,乃至破壞;二是由于地鐵施工對(duì)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(xiàng)沉降是施工過(guò)程中不可避免的。沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)18座車(chē)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�影響范圍大,保證施工的前提下,降排水量大,對(duì)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(dá)16.5m,根據(jù)前期的研究,初步確定其降水影響半徑可達(dá)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(guò)程中,由于施工工藝及管理等問(wèn)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(guò)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(dòng)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(hù)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(hù)壁作用,導(dǎo)致土體向側(cè)向變形,同時(shí)引起豎直沉降變形等[8]。

(2)地鐵建設(shè)對(duì)地下水的影響

①施工期間產(chǎn)生的影響。沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)施工降水范圍廣、降水量大、歷時(shí)長(zhǎng),將在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)形成施工降落漏斗,使地下水的動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)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(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)的張士站和沈新路站臨近張士水源地,這兩個(gè)車(chē)站及其區(qū)間的施工降水,將對(duì)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(qiáng)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(jī)械漏油等,都可能影響地下水質(zhì)。

②地鐵運(yùn)營(yíng)期間對(duì)地下水的影響。地鐵沿線(xiàn)全部處于地下水含水層中,地鐵線(xiàn)路猶如一道圍堰貫穿沈陽(yáng)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(shí)向渾河、運(yùn)河排泄,污染物不斷積累,污染加劇。地鐵隧道對(duì)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(zhǎng),進(jìn)而影響整個(gè)城市的生態(tài)環(huán)境,這個(gè)影響是大范圍、長(zhǎng)久的[9]。沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)在東西部分別穿越新開(kāi)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(bǔ)給量和排泄量。

4結(jié)論

地鐵工程建設(shè)是沈陽(yáng)自建市以來(lái),規(guī)模最大、工期最長(zhǎng)、投資最多、社會(huì)效益最受關(guān)注的一項(xiàng)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(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面都將發(fā)揮巨大作用,同時(shí)還要用科學(xué)的觀點(diǎn)和方法,將地鐵建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響降到最小,做到科學(xué)設(shè)計(jì)、嚴(yán)格管理;加強(qiáng)施工和運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè),力求實(shí)現(xiàn)信息化施工;保證安全施工,減小施工對(duì)地面、建筑物和地下管線(xiàn)的影響,做到防患于未然;盡可能減小地鐵建設(shè)對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的影響和破壞。

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