地铁建设中的环境岩土工程问题分析

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。

(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。