城市地下工程中的環境巖土工程問題
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項目在逐年增多。由于城市工程環境特殊性和地下工程的特點,在其施工過程中經常出現基坑失穩(明挖) 、地面沉降、巖溶塌陷、洞室失穩、巷道突水等多種環境巖土工程問題,不僅嚴重影響地下工程建設和周圍建筑物環境安全,而且給國家造成重大經濟損失。這一問題已引起巖土工程領域很許多專家的關注,并成為該領域的研究熱點。本文結合南京市區地下工程建設的實際情況,探討城市地下工程環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境巖土工程問題的方法和建議。
1 引 言
伴隨著工業化的進程,城市化成為當今世界發展的一大特征。城市化的發展使人口大量集中。50 年代,世界上人口超過800 萬的城市只有紐約和倫敦,現在已超過20 個。目前,我國約有467 個城市, 預計到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。城市化的發展使得城市土地資源日趨緊張,因此,城市建設呈現“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。20 世紀80 年代,國際隧道協會( ITA) 提出“大力開發地下空間, 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和應用,成為許多國家今后的發展趨勢。1998 年,北京、上海、廣州地鐵續建項目和南京、深圳、武漢地鐵新建項目被批準立項、標志著我國大規模城市地下空間開發的戰幕正在拉開。總之,伴隨著全球經濟的發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、利用,已經進入空前發展的時期。國際上公認“21 世紀是人類開發利用地下空間的世紀”,這將為未來的發展所證實。
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,地下工程建設帶來一系列的環境巖土工程問題,而且嚴重影響著城市工程建設的正常運行和建筑物的安全使用。本文結合南京市的實際情況,對地下工程中可能出現的環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定性的主要因素 城市地下工程建設是在人口集中、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施,因此對圍巖和基坑穩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,常需經歷多次降雨、周邊堆載、振動、施工失當等許多不利因素、其安全度的隨機性比較大。
⑷地質條件復雜,巖土體性質千變萬化,不均勻,數據離散性大,給基坑工程的設計和施工增加了難度。
另外,影響地下工程穩定性的主要因素有:
⑴工程地質條件: 如地質構造、巖性、巖體結構、風化程度、節理裂隙特征及組合規律、初始地應力場、地溫場、地下水等。
⑵巖體力學參數,包括巖石的物理力學參數、巖體的物理力學參數、結構面力學參數。
⑶工程結構參數,如埋深、斷面形式、尺寸、支護結構形式、支護材料、工程用途、服務年限等。
⑷施工參數,如開挖方式、開挖順序,支護形式、支護時間,防、堵、排水,工程監測與信息處理,作業方式與工程進度等。
3 南京市地下工程中幾個主要環境巖土工程問題
3. 1 南京市地質環境特點
⑴地形地貌:南京位處長江中下游,它三面環山一面臨水,是長江河谷的一部分,地貌上屬低山丘陵區。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 。市區為階地但已經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。市區階地為坳溝和秦淮河道所分割,構成了不同地基類型。特別是秦淮河古河道從水西門和集合村起,經升州路和六角井,至三山街和長于路,再折回西北,經大行宮到市政府,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 學院100m 深以下具有富水性較好的T1 -2石灰巖地～60m。從巖性上看,市區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 南京市工程地質分區說明
區亞區地貌類型基巖地質構造特征長河漫灘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造層T -Z , 南部為蓋層構造層。Ⅱ2 古湖泊蓋層構造層J -K 北盆地Ⅲ Ⅲ1 丘崗階地Ⅲ2 低山丘林高階地基底構造強烈,褶皺斷裂發育南盆地Ⅳ Ⅳ1 Ⅳ2 丘崗、坳溝、低階地、丘林、高階地蓋層結構和緩褶皺斷裂不發育,地層軟弱,富水性差。 土層結構物理力學性質土層容重含水量塑限液限壓縮模量承載力環境巖土工程問題巖土工程問題評價上為亞粘土泥質粘土,下為沙性土,二元結構亞粘土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,泥質粘土和沙性土互層,多層結構。淤泥質土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軟土, 沙土, 粘性土, 多層結構。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。下蜀土為單一結構,坳溝為多層結構沙性土1. 9 31. 0 10. 25 110～ 200 低山前下蜀土易產生工程滑坡,紫金山南有膨脹土、地下工程失穩與水害。土層強度較高, 坳溝區地基不均勻沉降,基巖起伏,斷裂帶軟弱、強風化、洞室穩定和水害問題。下蜀土為單一結構,低階地多層結構下蜀土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。地基強度較高, 防不均勻沉降; 地下工程防斷層和漏水。
⑶構造特征:斷裂構造規模較大者為鼓樓 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環境的特征和環境地質問題。應該指出,深基坑變形和地下工程失穩問題,隨著城市發展已經日顯重要。由此可見: ①南京區域穩定性條件較好,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、秦淮河古河道構成了大片軟基存在; ③ 階地區下蜀土構成南京較好地基,但應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境巖土工程問題
同地面建筑、工程相比,地下工程的設計與實施具有更多的復雜性,表1 作了簡要概括。目前,地鐵 工程正在建設之中,其地基地質條件較為復雜,主要環境巖土工程問題有: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,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致基坑周圍或隧道上面的建筑物和地下構筑物的損壞。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。其水文地質工程地質特征主要有: 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;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。
根據上述的水文地質工程地質特征,在施工中圍護結構的插入深度一般小于含水層厚度,同一含水層在坑內外不能被圍護結構分隔開來,于是基坑外圍的地下水便通過圍護結構的下端繞流進入基坑內,為預防涌水現象,工程實踐過程中必須進行基坑內降水,由于坑內降水,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生的地質災害,淺埋巖溶區因抽取地下水和礦山疏干排水均可能會引發地面塌陷。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景區, 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) 與C～ P(石炭系和二疊系) 地層不整合帶和N E 向斷裂,在結晶灰巖中有規模巨大的優質鉛鋅銀(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 。發展礦業,特別是鉛鋅銀這種稀缺礦種, 正是國家建設的需要。1971 年礦山進入大規模巷道開采以來,采掘深度已達? 175m 。礦方由分段采礦一次充填空區,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 ,該區水位降落漏斗不斷擴大,沿著寺西北灰巖分布的桃花澗溝谷小型巖溶區塌陷時有發生。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,應負全責;另一方以湖水漏失時礦坑涌水量無異常增加為由,只能承擔間接責任。雙方相持不下,使礦山建設受阻,園林發展受制,一拖數載,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、最主要的地質災害之一。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止水為例。
止水是為了防治突水災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、晚更新統的沖、洪積粉質粘土以及白堊系上統的紅砂巖、侏羅系火山灰質凝灰質強風化砂巖,巖層節理發育,節理間水量較豐富,因此易發生突水。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,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下,隧道內部發生大面積的突水,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地基土體的地質條件的復雜性,在軟土地區進行基坑開挖時,必須進行降排水,從而產生基坑內外水頭差,在高水頭差的作用下易于出現滲透變形問題。滲透變形主要有管涌、突涌等形式。我們以南京市某大廈發生的基坑內管涌、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) 。基坑周邊環境復雜,西、北兩側均有6～8 層淺層基礎的建筑物,距基坑約6m ; 東側為道路及21 層大樓,南側為長江路,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,基坑施工架設第二道支撐, 架設完成后繼續開挖; 在此期間連日陰雨,工期延誤,并于6 月19 日、6 月29 日在基坑東北角二次出現較大面積之管涌,致使發生東北角地面塌陷、百貨站圍墻破裂平房倒塌的事故,經研究采用高壓注漿結合基坑內堆積水泥袋封堵方法,消除險情。但隨后在7 月17 日基坑東南角又出現更大規模的管涌, 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。
上述這些城市環境巖土工程問題,是小環境問題。它分布廣泛,發生頻繁,對于一個城市而言,研究意義顯得更加直接。城市環境巖土工程問題的防治城市環境巖土工程問題,是當今人類在開發自然的同時所必須面對的重要的環境課題,它直接影響著人民的生活以及國家經濟的發展。因此它的防治就顯得尤其的主要,若防止不當,就會帶來可怕的地質災害,危及人民生命財產的安全。
4. 1 地表環境巖土工程問題的防治
本文所述的地表環境巖土工程問題主要包括地面沉降和地面塌陷。
對已發生地面沉降地區的治理方法據《工程地質手冊》(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,以防地下水污染,根據地下水動態和地面沉降規律,制定合理的采灌方案; ③ 調整地下水開采層次,進行合理開采,適當開采更深層的地下水。對于可能發生地面沉降的地區,主要是預測地面沉降發生的可能性及其危害程度。
具體方法有:
① 估計沉降量,并預測其發展趨勢; ② 結合水資源評價,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 采取適當的建筑措施,如避免在沉降中心或嚴重沉降地區建一級建筑物,在進行房屋、道路、管道、堤壩、水井等規劃設計時,預先對可能發生的地面沉降量作充分考慮。
對于地面塌陷問題的防治,我們應注意以下問題: ① 富水優勢斷裂分布地段、低洼和覆蓋層薄的地區和強烈抽排水地區是塌陷的重點研究和設防區。 ② 控制地表水灌入和地下水超采,及時回填塌陷坑并埋設通氣管以防負壓產生。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 環境巖土工程中“水”問題的防治
環境巖土工程中的“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。環境巖土工程中的水問題主要在于預防,但除了采取有效的防水措施以外,還要進行排水疏導,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主要有三種類型:一是從圍巖、結構和附加防水層入手,體現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),三是防排結合的控制型防排水。全包式防水適用于對保護地下水環境,限制地層沉降要求高的工程,可以為隧道結構的耐久性提供極為重要的環境條件,也為隧道安全運營提供了極為重要的環境條件。半包式防水適用于對保護地下水環境,限制地層沉降沒有嚴格要求的工程,結合其它必要的輔助措施和設備,也可以為隧道結構的耐久性以及安全運營提供良好環境條件。控制型防排水, 是近年來限制地層沉降而出現的一種新型的隧道防水措施。在半包式防水的基礎上,可以根據對水位和地層變形的監測數據,及時地自動或半自動地調整排水量。
現今,地下工程防水的原則,提法甚多,比如:
(1) 城建系統提出:以排為主、以防為輔、排防結合、綜合整治。
(2) 國防系統提出:以排為主,防排結合。
(3) 人防系統提出:防為基礎、防排結合、因地制宜,綜合治理。
(4) 鐵道系統提出:以排為主,截、堵、排相結合。
(5) 公路隧道系統提出:以排為主,防、排、截、堵相結合。
(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. 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。地下工程防水技術規范則綜合各專業系統的意見,提出了“ 防、排、截相結合,因地制宜,綜合治理”的原則。我們在處理環境工程的水問題時應本著以上的原則處理實際問題。
5 結 論
保護環境和發展經濟是關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展已經成為世界發展的重要趨勢。城市地下工程中的環境巖土工程問題更是城市化的必然結果,這些問題都在不同程度上影響著人類社會的發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境巖土工程問題的發生機制同時,更能進一步加強預防和做好治理措施。
此文曾刊登于：《工程地質學報》
原作者：許 崧，閻長虹，孫亞哲
