城市地下工程中的環(huán)境巖土工程問題
摘要近年來,隨著城市人口的急劇增長,交通與住房擁擠狀況日趨突出,在我國一些大中城市中,道路交通隧道、地鐵工程、地下商城等地下工程建設(shè)項目在逐年增多。由于城市工程環(huán)境特殊性和地下工程的特點,在其施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)基坑失穩(wěn)(明挖) 、地面沉降、巖溶塌陷、洞室失穩(wěn)、巷道突水等多種環(huán)境巖土工程問題,不僅嚴重影響地下工程建設(shè)和周圍建筑物環(huán)境安全,而且給國家造成重大經(jīng)濟損失。這一問題已引起巖土工程領(lǐng)域很許多專家的關(guān)注,并成為該領(lǐng)域的研究熱點。本文結(jié)合南京市區(qū)地下工程建設(shè)的實際情況,探討城市地下工程環(huán)境巖土工程問題的特點和形成機理,并提出解決地下工程環(huán)境巖土工程問題的方法和建議。
1 引 言
伴隨著工業(yè)化的進程,城市化成為當(dāng)今世界發(fā)展的一大特征。城市化的發(fā)展使人口大量集中。50 年代,世界上人口超過800 萬的城市只有紐約和倫敦,現(xiàn)在已超過20 個。目前,我國約有467 個城市, 預(yù)計到2010 年將超過1000 個,城市人口達6. 3 億, 城市化達到45 %。人口急劇增長,造成城市交通擁擠。城市化的發(fā)展使得城市土地資源日趨緊張,因此,城市建設(shè)呈現(xiàn)“上天“入地的趨勢,即高層建、筑的竟高和地下空間的深層次開發(fā)。20 世紀80 年代,國際隧道協(xié)會( ITA) 提出“大力開發(fā)地下空間, 開始人類新的穴居時代的口號(翁家杰,1995) 。地下空間作為一種新的資源進行開發(fā)和應(yīng)用,成為許多國家今后的發(fā)展趨勢。1998 年,北京、上海、廣州地鐵續(xù)建項目和南京、深圳、武漢地鐵新建項目被批準立項、標志著我國大規(guī)模城市地下空間開發(fā)的戰(zhàn)幕正在拉開。總之,伴隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,地下空間作為一種新的資源的開發(fā)、利用,已經(jīng)進入空前發(fā)展的時期。國際上公認“21 世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世紀”,這將為未來的發(fā)展所證實。
由于城市的大型建筑物密集、管線密布、工程地基無選擇性等特殊性,地下工程建設(shè)帶來一系列的環(huán)境巖土工程問題,而且嚴重影響著城市工程建設(shè)的正常運行和建筑物的安全使用。本文結(jié)合南京市的實際情況,對地下工程中可能出現(xiàn)的環(huán)境巖土工程問題作以分析,并提出解決巖土工程問題的方法和建議。
2 城市地下工程的特點以及影響地下工程穩(wěn)定性的主要因素 城市地下工程建設(shè)是在人口集中、大型建筑物密集、管線密布、工程地基無選擇性等的工程條件進行的。它有以下幾個特點:
⑴城市地下工程一般埋深淺,多以基坑開挖和巷道開挖相結(jié)合的形式進行。
⑵城市的高層、超高層建筑大都集中在建筑密度大,人口密集、交通擁擠的狹小場地中。而鄰近常有必須保護的永久性建筑和市政公用設(shè)施,因此對圍巖和基坑穩(wěn)定和位移控制的要求很嚴。
⑶工程施工周期長,從開挖到完成地面以下的安全隱蔽工程,常需經(jīng)歷多次降雨、周邊堆載、振動、施工失當(dāng)?shù)仍S多不利因素、其安全度的隨機性比較大。
⑷地質(zhì)條件復(fù)雜,巖土體性質(zhì)千變?nèi)f化,不均勻,數(shù)據(jù)離散性大,給基坑工程的設(shè)計和施工增加了難度。
另外,影響地下工程穩(wěn)定性的主要因素有:
⑴工程地質(zhì)條件: 如地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙特征及組合規(guī)律、初始地應(yīng)力場、地溫場、地下水等。
⑵巖體力學(xué)參數(shù),包括巖石的物理力學(xué)參數(shù)、巖體的物理力學(xué)參數(shù)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)。
⑶工程結(jié)構(gòu)參數(shù),如埋深、斷面形式、尺寸、支護結(jié)構(gòu)形式、支護材料、工程用途、服務(wù)年限等。
⑷施工參數(shù),如開挖方式、開挖順序,支護形式、支護時間,防、堵、排水,工程監(jiān)測與信息處理,作業(yè)方式與工程進度等。
3 南京市地下工程中幾個主要環(huán)境巖土工程問題
3. 1 南京市地質(zhì)環(huán)境特點
⑴地形地貌:南京位處長江中下游,它三面環(huán)山一面臨水,是長江河谷的一部分,地貌上屬低山丘陵區(qū)。北面沿江低山有幕府山(海拔199m～200m) , 棲霞山(274m) ; 東面紫金山(448m) ; 南面牛首山(225m) ;西面北面為臨江的寬廣漫灘地面,高程7m ～10m 。市區(qū)為階地但已經(jīng)被分割為坳溝和低丘。初步確定的四級階地(基底) 之高程,分別是: Ⅰ級23m～33m (17m) , Ⅱ級45m～50m(30m～40m) , Ⅲ 級65m～86m (60m) , Ⅳ級為100m～110m。市區(qū)階地為坳溝和秦淮河道所分割,構(gòu)成了不同地基類型。特別是秦淮河古河道從水西門和集合村起,經(jīng)升州路和六角井,至三山街和長于路,再折回西北,經(jīng)大行宮到市政府,穿過北極閣與九華山之間的隘路抵玄武湖,經(jīng)由大樹根至模范馬路,又向福建路方向直奔金川門。最后由大橋南路匯入長江。
⑵地層巖性:市區(qū)基巖埋深一般20m～40m , 最大基巖埋深43m 左右從(圖1) 看到,拾取由北向南,獅子山、幕府山;清涼山、北極閣;雨花臺、菊花臺為三個基巖突起帶,中間夾兩個基巖盆地 北盆地中心在玄武湖,南盆地中心在瞻園一帶。基巖埋深較大的部位,多在秦淮河古河道帶上。長江浦口岸河漫灘基巖埋深最大為98m ,即這里是長江古河 道通過的位置。城外長江漫灘基巖埋深一般為50m 學(xué)院100m 深以下具有富水性較好的T1 -2石灰?guī)r地～60m。從巖性上看,市區(qū)基巖基本為弱透水的侏層。羅紀———白堊紀紅層和火山巖系,僅南京站和化工
表1 南京市工程地質(zhì)分區(qū)說明
區(qū)亞區(qū)地貌類型基巖地質(zhì)構(gòu)造特征長河漫灘Ⅰ 長河漫灘長江破碎帶存在古河道Ⅱ Ⅱ1 古河道北部為基巖構(gòu)造層T -Z , 南部為蓋層構(gòu)造層。Ⅱ2 古湖泊蓋層構(gòu)造層J -K 北盆地Ⅲ Ⅲ1 丘崗階地Ⅲ2 低山丘林高階地基底構(gòu)造強烈,褶皺斷裂發(fā)育南盆地Ⅳ Ⅳ1 Ⅳ2 丘崗、坳溝、低階地、丘林、高階地蓋層結(jié)構(gòu)和緩褶皺斷裂不發(fā)育,地層軟弱,富水性差。 土層結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性質(zhì)土層容重含水量塑限液限壓縮模量承載力環(huán)境巖土工程問題巖土工程問題評價上為亞粘土泥質(zhì)粘土,下為沙性土,二元結(jié)構(gòu)亞粘土1. 90 33. 1 17. 0 35. 3 4 -～6 100～ 200 過量深井抽水引起地面沉降,河水沖刷坍岸。地基軟弱需進行加固處理, 防砂基液化和坍岸。亞粘土,泥質(zhì)粘土和沙性土互層,多層結(jié)構(gòu)。淤泥質(zhì)土1. 82 37. 7 20. 5 35. 0 3～5 80～90 抽取地下水引起地面沉降,基坑豎井施工不當(dāng)引起流土。同,特別注意秦淮河古河道和低階地坳溝的砂基液化淤泥質(zhì)軟土, 沙土, 粘性土, 多層結(jié)構(gòu)。淤泥泥炭1. 64 1. 06 54. 5 105 27. 2 79. 01 46. 7 101. 1 2 1～2 40～60 20 地面沉降,振動砂基液化。下蜀土為單一結(jié)構(gòu),坳溝為多層結(jié)構(gòu)沙性土1. 9 31. 0 10. 25 110～ 200 低山前下蜀土易產(chǎn)生工程滑坡,紫金山南有膨脹土、地下工程失穩(wěn)與水害。土層強度較高, 坳溝區(qū)地基不均勻沉降,基巖起伏,斷裂帶軟弱、強風(fēng)化、洞室穩(wěn)定和水害問題。下蜀土為單一結(jié)構(gòu),低階地多層結(jié)構(gòu)下蜀土1. 98 23. 5 15. 5 33. 4 10～ 15 180～ 250 紅層巖坡塌陷與滑坡,地下工程變形與失穩(wěn)。地基強度較高, 防不均勻沉降; 地下工程防斷層和漏水。
⑶構(gòu)造特征:斷裂構(gòu)造規(guī)模較大者為鼓樓 定淮門NWW 向斷裂,鼓樓 獅子山NW -NNW 向斷裂,九華山— 老虎山NW 向斷裂和北極閣NN E 向斷裂等。
圖1 及表1 基本概括了南京市地質(zhì)環(huán)境的特征和環(huán)境地質(zhì)問題。應(yīng)該指出,深基坑變形和地下工程失穩(wěn)問題,隨著城市發(fā)展已經(jīng)日顯重要。由此可見: ①南京區(qū)域穩(wěn)定性條件較好,江南又略勝于江北,但斷裂活動性研究深度不夠; ② 寬廣的漫灘和階地坳溝、秦淮河古河道構(gòu)成了大片軟基存在; ③ 階地區(qū)下蜀土構(gòu)成南京較好地基,但應(yīng)注意坳溝存在引起地基下均一性; ④長江古道為富水地段。
3. 2 南京市地下工程幾個主要環(huán)境巖土工程問題
同地面建筑、工程相比,地下工程的設(shè)計與實施具有更多的復(fù)雜性,表1 作了簡要概括。目前,地鐵 工程正在建設(shè)之中,其地基地質(zhì)條件較為復(fù)雜,主要環(huán)境巖土工程問題有:地面沉降;地面塌陷;巷道突水;基坑管涌與突涌;以及裂隙水、孔隙水、巖溶水等工程問題。
3. 2. 1 地面沉降
城市地下工程的埋深一般較淺,多在地面以下20m 以內(nèi),多采用坑槽明挖和隧道開挖兩種形式。在軟土地層中因施工過程的降水排水問題,不可避免地引起地面沉降。如果沉降量過大將會導(dǎo)致基坑周圍或隧道上面的建筑物和地下構(gòu)筑物的損壞。我們以南京地鐵三山街地下站為例,來正確地認識這一問題。
南京地鐵一號線全長21. 6km ,設(shè)有16 座車站, 其中地下站11 座,三山街站是位于古河道范圍內(nèi)的地下站。該站基坑位于含水層中(有水基坑) 、基坑底板無隔水層存在。其水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征主要有: ① 含水層厚度大,可達30m 以上,含水層巖性主要為粉土、淤泥質(zhì)土、粉砂等; ② 軟土層厚度大,分布廣,其巖性和含水層巖性大體一致; ③ 軟土層強度低、壓縮性高、多為軟～ 流塑狀態(tài);孔隙比大,含水量高達35 %～50 % ; ④ 地下水位埋藏淺,多為1～2m 且地下水類型多為潛水。
根據(jù)上述的水文地質(zhì)工程地質(zhì)特征,在施工中圍護結(jié)構(gòu)的插入深度一般小于含水層厚度,同一含水層在坑內(nèi)外不能被圍護結(jié)構(gòu)分隔開來,于是基坑外圍的地下水便通過圍護結(jié)構(gòu)的下端繞流進入基坑內(nèi),為預(yù)防涌水現(xiàn)象,工程實踐過程中必須進行基坑內(nèi)降水,由于坑內(nèi)降水,便引起基坑四周地表沉降變形,使得附近建筑物開裂,造成較大的危害。
3. 2. 2 地面塌陷
塌陷是承壓巖溶含水體在地下水位下降到蓋層底板以下時發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害,淺埋巖溶區(qū)因抽取地下水和礦山疏干排水均可能會引發(fā)地面塌陷。我們以南京鉛鋅銀礦開采引起棲霞寺鏡湖塌陷為例。
棲霞山位于南京東北郊,是南京重要的文物風(fēng)景區(qū), 也是江南有名的多金屬礦基地。沿著寺西J1 —2(侏羅紀中下統(tǒng)) 與C～ P(石炭系和二疊系) 地層不整合帶和N E 向斷裂,在結(jié)晶灰?guī)r中有規(guī)模巨大的優(yōu)質(zhì)鉛鋅銀(含金) 礦床向寺的WS 方向展布, 礦帶傾向NW 。距棲霞寺最近水平距離僅200m , 主礦體標高從? 75m 延伸到? 700m 。發(fā)展礦業(yè),特別是鉛鋅銀這種稀缺礦種, 正是國家建設(shè)的需要。1971 年礦山進入大規(guī)模巷道開采以來,采掘深度已達? 175m 。礦方由分段采礦一次充填空區(qū),進而采
用水平分層干式充填采樣法的先進工藝,避免了采礦塌陷,有效地保護了地面安全。但是,礦坑日排水量常約1000m3 ,該區(qū)水位降落漏斗不斷擴大,沿著寺西北灰?guī)r分布的桃花澗溝谷小型巖溶區(qū)塌陷時有發(fā)生。特別是1981 年6 月寺前秀麗的明鏡湖突然塌陷(圖2) ,湖中曲橋斷裂,彩虹亭倒塌,3400m3 的湖水漏失一空。昔日美景不在,采礦與園林保護的矛盾隨之升溫:一方認為礦山排水造成湖陷,應(yīng)負全責(zé);另一方以湖水漏失時礦坑涌水量無異常增加為由,只能承擔(dān)間接責(zé)任。雙方相持不下,使礦山建設(shè)受阻,園林發(fā)展受制,一拖數(shù)載,使寺前明鏡湖的破敗景象與古寺的園林勝景形成鮮明的對照。
3. 2. 3 巷道突水
涌水是地下工程遇到的最常見、最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。其中,突水(突然大量涌水) 危害最為嚴重。我們以鼓樓交通隧道的不當(dāng)止水為例。
止水是為了防治突水災(zāi)害而采取的一種措施, 鼓樓交通隧道地處5 條主干道的交會中心,線路沿中山路進入地下,穿過鼓樓廣場,再沿中央路引出地面,全長1150. 50m , 最大開挖跨度23. 18m , 通道穿過的地層大部分為中、晚更新統(tǒng)的沖、洪積粉質(zhì)粘土以及白堊系上統(tǒng)的紅砂巖、侏羅系火山灰質(zhì)凝灰質(zhì)強風(fēng)化砂巖,巖層節(jié)理發(fā)育,節(jié)理間水量較豐富,因此易發(fā)生突水。雖然,施工單位在施工工程中采用了止水措施,但由于方法選取不當(dāng),加之施工過程中存在的偏差,造成止水失效,從而在眾人防范不足的狀態(tài)下,隧道內(nèi)部發(fā)生大面積的突水,從而影響了整個工程的正常運行并為人民的生活帶來了不便。
3. 2. 4 基坑管涌和突涌
由于高層建筑地基基坑工程的特殊性和軟土地區(qū)地基土體的地質(zhì)條件的復(fù)雜性,在軟土地區(qū)進行基坑開挖時,必須進行降排水,從而產(chǎn)生基坑內(nèi)外水頭差,在高水頭差的作用下易于出現(xiàn)滲透變形問題。滲透變形主要有管涌、突涌等形式。我們以南京市某大廈發(fā)生的基坑內(nèi)管涌、突涌為例。
南京市某大廈位于長江路附近,高35 層,二層半地下室。基坑長65m , 寬55m , 基坑開挖深度為 10. 1～11. 8m , 基坑支護采用鉆孔灌注樁加兩層鋼管角支撐(如圖3) 。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜,西、北兩側(cè)均有6～8 層淺層基礎(chǔ)的建筑物,距基坑約6m ; 東側(cè)為道路及21 層大樓,南側(cè)為長江路,路邊有煤氣管、自來水管及通訊電纜等。
圖3 某高層建筑地基支護示意圖
1996 年6 月1 日,基坑施工架設(shè)第二道支撐, 架設(shè)完成后繼續(xù)開挖; 在此期間連日陰雨,工期延誤,并于6 月19 日、6 月29 日在基坑?xùn)|北角二次出現(xiàn)較大面積之管涌,致使發(fā)生東北角地面塌陷、百貨站圍墻破裂平房倒塌的事故,經(jīng)研究采用高壓注漿結(jié)合基坑內(nèi)堆積水泥袋封堵方法,消除險情。但隨后在7 月17 日基坑?xùn)|南角又出現(xiàn)更大規(guī)模的管涌, 造成了長江路路面大范圍塌陷,主干水管斷裂、煤氣管道破裂的重大事故,同樣采取基坑內(nèi)堆積水泥袋封堵方法搶險,48 h 后堵住涌砂。
上述這些城市環(huán)境巖土工程問題,是小環(huán)境問題。它分布廣泛,發(fā)生頻繁,對于一個城市而言,研究意義顯得更加直接。城市環(huán)境巖土工程問題的防治城市環(huán)境巖土工程問題,是當(dāng)今人類在開發(fā)自然的同時所必須面對的重要的環(huán)境課題,它直接影響著人民的生活以及國家經(jīng)濟的發(fā)展。因此它的防治就顯得尤其的主要,若防止不當(dāng),就會帶來可怕的地質(zhì)災(zāi)害,危及人民生命財產(chǎn)的安全。
4. 1 地表環(huán)境巖土工程問題的防治
本文所述的地表環(huán)境巖土工程問題主要包括地面沉降和地面塌陷。
對已發(fā)生地面沉降地區(qū)的治理方法據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(1992) 主要有: ① 壓縮地下水開采量,減少水位下降幅度,地面沉降劇烈時暫停開采地下水; ② 向含水層進行人工回灌,回灌時要嚴格控制回灌水源的水質(zhì),以防地下水污染,根據(jù)地下水動態(tài)和地面沉降規(guī)律,制定合理的采灌方案; ③ 調(diào)整地下水開采層次,進行合理開采,適當(dāng)開采更深層的地下水。對于可能發(fā)生地面沉降的地區(qū),主要是預(yù)測地面沉降發(fā)生的可能性及其危害程度。
具體方法有:
① 估計沉降量,并預(yù)測其發(fā)展趨勢; ② 結(jié)合水資源評價,研究確定地下水資源的合理開采方案,在最小地面沉降量條件下達到最大可能的地下水開采量; ③ 采取適當(dāng)?shù)慕ㄖ胧?如避免在沉降中心或嚴重沉降地區(qū)建一級建筑物,在進行房屋、道路、管道、堤壩、水井等規(guī)劃設(shè)計時,預(yù)先對可能發(fā)生的地面沉降量作充分考慮。
對于地面塌陷問題的防治,我們應(yīng)注意以下問題: ① 富水優(yōu)勢斷裂分布地段、低洼和覆蓋層薄的地區(qū)和強烈抽排水地區(qū)是塌陷的重點研究和設(shè)防區(qū)。 ② 控制地表水灌入和地下水超采,及時回填塌陷坑并埋設(shè)通氣管以防負壓產(chǎn)生。③ 地面防治以“ 鋪、填、截、攔、疏、排”六種措施為主。井下則采取“ 防、排、堵、制”對策。
4. 2 環(huán)境巖土工程中“水”問題的防治
環(huán)境巖土工程中的“水”問題主要包括如上所述的突水問題,管涌和突涌問題,以及裂隙水、孔隙水、巖溶水等工程問題。環(huán)境巖土工程中的水問題主要在于預(yù)防,但除了采取有效的防水措施以外,還要進行排水疏導(dǎo),減少圍巖集水對襯砌混凝土的水壓力,從而達到更加有效地防水。
我們平常所說的防水技術(shù)主要有三種類型:一是從圍巖、結(jié)構(gòu)和附加防水層入手,體現(xiàn)以防為主的水密型防水(又稱全包式防水),二是從疏水、泄水著手,體現(xiàn)以排為主的泄水型或引流自排型防水(又稱半包式防水),三是防排結(jié)合的控制型防排水。全包式防水適用于對保護地下水環(huán)境,限制地層沉降要求高的工程,可以為隧道結(jié)構(gòu)的耐久性提供極為重要的環(huán)境條件,也為隧道安全運營提供了極為重要的環(huán)境條件。半包式防水適用于對保護地下水環(huán)境,限制地層沉降沒有嚴格要求的工程,結(jié)合其它必要的輔助措施和設(shè)備,也可以為隧道結(jié)構(gòu)的耐久性以及安全運營提供良好環(huán)境條件。控制型防排水, 是近年來限制地層沉降而出現(xiàn)的一種新型的隧道防水措施。在半包式防水的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)對水位和地層變形的監(jiān)測數(shù)據(jù),及時地自動或半自動地調(diào)整排水量。
現(xiàn)今,地下工程防水的原則,提法甚多,比如:
(1) 城建系統(tǒng)提出:以排為主、以防為輔、排防結(jié)合、綜合整治。
(2) 國防系統(tǒng)提出:以排為主,防排結(jié)合。
(3) 人防系統(tǒng)提出:防為基礎(chǔ)、防排結(jié)合、因地制宜,綜合治理。
(4) 鐵道系統(tǒng)提出:以排為主,截、堵、排相結(jié)合。
(5) 公路隧道系統(tǒng)提出:以排為主,防、排、截、堵相結(jié)合。
(6) 北京地下鐵道提出:以防為主,以排為輔。
以上提法,分別從各自工程的特點出發(fā). 可以歸納為“以防為主”和“以排為主”兩種截然不同的防水原則。地下工程防水技術(shù)規(guī)范則綜合各專業(yè)系統(tǒng)的意見,提出了“ 防、排、截相結(jié)合,因地制宜,綜合治理”的原則。我們在處理環(huán)境工程的水問題時應(yīng)本著以上的原則處理實際問題。
5 結(jié) 論
保護環(huán)境和發(fā)展經(jīng)濟是關(guān)系到人類前途和命運的大事,如今社會,各國城市化的加速發(fā)展已經(jīng)成為世界發(fā)展的重要趨勢。城市地下工程中的環(huán)境巖土工程問題更是城市化的必然結(jié)果,這些問題都在不同程度上影響著人類社會的發(fā)展及世界人民的生活。因此,我們必須努力研究,希望能在深層次地理解環(huán)境巖土工程問題的發(fā)生機制同時,更能進一步加強預(yù)防和做好治理措施。
此文曾刊登于：《工程地質(zhì)學(xué)報》
原作者：許 崧，閻長虹，孫亞哲
