地鐵隧道結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的影響

地鐵隧道結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的影響

1工業(yè)地質(zhì)及地下水系統(tǒng)成都地鐵將分階段建設(shè)。該一期從北部的紅花池延伸至世紀(jì)工廠，全長(zhǎng)14.975公里。有14個(gè)地下車站和車輛段、綜合基地、車站和其他相關(guān)設(shè)施，總投資約68億元。根據(jù)初步設(shè)計(jì),所有車站均采用明挖法施工;小天竺以北,區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工;小天竺以南采用明挖法施工(圖1、圖2)。成都市地處岷江沖洪積扇狀平原的南東邊緣,區(qū)內(nèi)地形平坦,地勢(shì)受扇狀平原控制,總體上西高東低、北高南低,海拔490～520m;地鐵沿線北高南低,地面高程490.31～507.74m,相對(duì)高差17.3m;地鐵圍巖為飽水的Q3+Q4砂卵礫石,車站埋深1～5m、區(qū)間隧道埋深2～15m。地鐵車站及區(qū)間隧道明挖疏干排水可能引發(fā)地面沉降及建筑物破壞;由于排水量巨大、排水時(shí)間長(zhǎng),可能對(duì)成都市地下水系統(tǒng)的徑流、交替有一定影響;隧道建成后,整個(gè)隧道就象一座大型地下潛壩,必將對(duì)地下水徑流產(chǎn)生影響,并可能在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生雍水。地下水水位的升高,將造成淺表部粘土層的軟化,并威脅一些中、低層建筑物的安全。此外,由于整個(gè)隧道都將被泡在飽水砂卵石層中,還存在結(jié)構(gòu)防水及路基穩(wěn)定等問(wèn)題。由于該工程規(guī)模巨大、特別是沿線交通繁忙、高樓林立、居民區(qū)密集,對(duì)上述可能出現(xiàn)的環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估是十分必要的。2地下水c3地鐵一期工程沿線初勘鉆孔所揭穿的地層單位自上而下依次為第四系全新統(tǒng)(Q4)\,上更新統(tǒng)(Q3)和白堊系上統(tǒng)(K2?g)。Q4上段為雜填土,主要為建筑垃圾混粘性土,分布連續(xù),厚度1.1～6.8m。下段上部為黃灰色粉質(zhì)粘土,呈可塑-硬塑狀態(tài),濕;分布不連續(xù),埋深1.7～3.5m,厚度1.2～3.6m。下段底部為灰黃色卵石土,卵石呈圓-次圓狀。漂石組、卵石組、礫石組和土粒組在卵石土中所占的重量百分比分別為15.4%、69.2%、7.1%和8.3%。根據(jù)密實(shí)程度,卵石土可以劃分出稍密卵石、中密卵石和密實(shí)卵石3個(gè)亞層。卵石層埋藏深1.6～5.3m,厚度5.2～9.7m。Q3(Q1313+Q23)主體為褐黃色卵石土,卵礫石呈圓-次圓狀;按重量百分比,漂石組、卵石組、礫石組和土粒組分別占14.8%、68.5%、5.9%和10.8%。卵石土飽和、局部鈣質(zhì)膠結(jié),可以劃分為稍密卵石、中密卵石和密實(shí)卵石3個(gè)類別。Q3中含有少量呈可塑-硬塑狀態(tài)的粘土、粉質(zhì)粘土及粉士透鏡體,厚度0.7～3.7m,分布不連續(xù)。Q3中存在以透鏡狀不連續(xù)分布的飽水砂層,出現(xiàn)于卵石土層頂或夾于其中,厚度1.5～3.0m;砂層呈稍密-中密、稍濕-飽和狀態(tài),可細(xì)分為細(xì)砂和中砂兩種砂層。Q3下部(Q13)為冰水堆積,含有10%～15%(個(gè)別地段20%～30%)、粒徑20～40cm的“大礫石”,個(gè)別地段富集成層。此外,Q13中還零星分布有膠結(jié)礫石層透鏡體。Q3+Q4中粘土、砂卵石層的物理力學(xué)指標(biāo)被總結(jié)于表1、表2。K2g(灌口組)為淺紫紅色中-厚層泥巖,從上向下可分為全風(fēng)化泥巖(0.5～4.0m)、強(qiáng)風(fēng)化泥巖(0.3～4.2m)及中風(fēng)化泥巖(1.80～22.0m)。區(qū)內(nèi)地下水主要為Q3+Q4砂礫卵石層孔隙潛水?？紫稘撍畯V布市區(qū)及郊區(qū),含水層埋深一般在3.0～5.0m之間,地下水位的年際變幅在1.0～3.0m之間。受地面標(biāo)高的控制,地鐵一期工程沿線含水層厚度自北端的27m逐漸減薄至南端的8m左右(圖2)。Q4+Q23\,Q13砂卵石層的滲透系數(shù)分別為20～40m/d和15～20m/d。含水層富水程度以單井出水量衡量,一般為800～1500m3/d(均以200mm井徑、5m降深計(jì))。地下水類型以HCO3—Ca型為主,次為HCO3·SO4—Ca型,礦化度小于1g/L;pH值一般在6.9～7.5之間,為中性低礦化淡水,對(duì)混凝土不具侵蝕性。地下水的補(bǔ)給充足,來(lái)源包括岷江河口(NW)方向地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給、西郊農(nóng)灌及縱橫交錯(cuò)的渠系滲漏和部分降水補(bǔ)給;以泄流方式向河流排泄是地下水最主要的排泄途徑。成都市區(qū)地下水的天然動(dòng)態(tài)總體穩(wěn)定,但在基建地區(qū)由于大量深基坑排水的影響,地下水動(dòng)態(tài)較為紊亂。3工程影響評(píng)估3.1地下疏干影響范圍小天竺站至世紀(jì)廣場(chǎng)之間的區(qū)間隧道及全線所有車站(9km),在采用明挖法施工之前,均需進(jìn)行疏干排水。由于隧道結(jié)構(gòu)的主體全部位于潛水面以下,疏干深度一般在5m以上(人北站、天府廣場(chǎng)及文武路等車站的疏干深度超過(guò)10m),如此長(zhǎng)距離、長(zhǎng)周期、大降深的線狀疏于排水對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的擾動(dòng)是地鐵工程需要考慮的重要問(wèn)題之一。確定疏干排水影響范圍一般有兩種方法,一是將所有抽水井概化為一個(gè)大口徑井或干擾井群,利用井流公式確定影響半徑;二是根據(jù)隧道涌水預(yù)測(cè)理論,利用相應(yīng)公式確定疏干范圍?？紤]到車站及區(qū)間隧道的幾何尺寸及疏干深度,這里采用隧道涌水理論估算疏于影響范圍。隧道疏干影響范圍的確定一直是難于突破的重要水文地質(zhì)問(wèn)題,不同學(xué)者、不同單位給出的計(jì)算公式往往差別較大。這里分別采用《鐵路供水水文地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范》—TB10049—96(1式)和《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》—JTJ018—97(2式)推薦的計(jì)算公式。R={r20+30×Κ×S2(1+0.00015r20)}0.5(1)r0=0.25L式中,R為疏干影響寬度(m);L為疏干長(zhǎng)度(m):K為滲透系數(shù)(m/d);S為降深(m)。R=3000×S×√Κ(2)各符號(hào)的意義同前,K的單位為m/s。用(1)、(2)式計(jì)算的各車站及區(qū)間隧道的疏干影響范圍見(jiàn)表3。小天竺以北各車站的排水影響范圍在300～600m之間;小天竺以南明挖路段的最大影響范圍為1700m,出現(xiàn)在火車南站-南三環(huán)-行政廣場(chǎng)路段,其它路段的疏干影響范圍在500m以內(nèi)。(1)式綜合考慮了降深、滲透系數(shù)和疏干段長(zhǎng)度,結(jié)果更趨合理,特別適合于長(zhǎng)距離的線狀疏干排水;(2)式由于沒(méi)有考慮疏干長(zhǎng)度,當(dāng)疏干長(zhǎng)度較小或很大時(shí),其計(jì)算結(jié)果與(1)式差別較大;當(dāng)疏干長(zhǎng)度在300～500m時(shí),兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果比較接近。根據(jù)成都市的地層結(jié)構(gòu)、地下水埋藏與分布、含水介質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征以及既有的施工排水經(jīng)驗(yàn),地鐵一期工程施工排水引起顯著地面沉降或差異沉降的可能性比較小,對(duì)地面建筑物安全的影響是比較小的。通常所說(shuō)的抽水引起的地面沉降,是由于含水層(組)內(nèi)地下水位下降,水壓降低,導(dǎo)致含水層壓密的結(jié)果。抽水期間,發(fā)生地面沉降的含水層結(jié)構(gòu)可能是復(fù)雜的,但無(wú)論什么條件,所抽取的含水層“承壓”往往是發(fā)生地面沉降的最基本條件,這類含水層可以劃分為單一承壓含水層、雙層含水層及含水層與弱透水層組成的多層含水層系統(tǒng)等。根據(jù)成都市已有的大量高層建筑勘察資料,該區(qū)地下水基本不具備上述埋藏特征。根據(jù)地鐵初勘資料,盡管地下水面距上覆粘土層高度較小,砂卵石層飽和程度較高,但仍然屬于潛水的范疇;個(gè)別路段表現(xiàn)出一定的承壓性,但承壓水頭很低(圖2)。抽水誘發(fā)含水層壓密及地面沉降除與地下水埋藏條件有關(guān)外,還與含水介質(zhì)的組成及物理力學(xué)特性密切相關(guān)。一般說(shuō)來(lái),抽水后發(fā)生壓密的含水層及弱透水層一般由砂、粉砂、砂質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘士等構(gòu)成,因?yàn)橹挥羞@些介質(zhì)才具有較大的孔隙度和較低的壓縮模量。成都地鐵工程區(qū)的含水層主體為砂卵石層,其中,卵礫石的含量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(圖3),從而形成粗粒搭架、細(xì)粒填隙的顆粒支撐結(jié)構(gòu)(圖4)。顯然,具有這種結(jié)構(gòu)的松散層的抗變形能力是比較強(qiáng)的。表4是砂卵石層的實(shí)測(cè)變形模量和通過(guò)計(jì)算獲得的壓縮模量。不難看出,砂卵石層的壓縮模量,即抵抗壓縮變形的能力是較高的。成都火車南站以北,15層以上的高層建筑已經(jīng)有數(shù)10座,這些高層建筑的基坑開(kāi)挖深度一般都在6～12m,最大疏干深度已經(jīng)接近20m,部分建筑物的疏干排水已經(jīng)達(dá)到基巖頂板。盡管這些深基坑排水大多都是在建筑密集區(qū)進(jìn)行的,但是,到目前為止,還沒(méi)有因?yàn)榛优潘@著影響既有建筑物安全的報(bào)道。順城地下商業(yè)街(圖1)全長(zhǎng)1300m,采用明挖法施工,施工期間所進(jìn)行的疏干排水類似于未來(lái)地鐵工程區(qū)間隧道的排水。工程開(kāi)挖前15d進(jìn)行了大面積井點(diǎn)降水,圖5給出了部分抽水井所揭露的地層結(jié)構(gòu)、初始水位及疏干水位。圖5表明,順城街土層結(jié)構(gòu)與地鐵沿線基本一致;地下水埋藏情況和地鐵沿線略有差別,地下水埋深較淺,砂卵石層全部被飽和,并顯示出一定的承壓性。地下水的疏干深度均在6m以上,最大降深達(dá)到14m。該深度已經(jīng)超過(guò)成都地鐵的最大疏干深度。順城街施工時(shí),臨近地區(qū)已經(jīng)分布有人民商場(chǎng)、西南影都及銀河王朝大酒店等重要建筑,但施工排水并未對(duì)這些建筑產(chǎn)生明顯影響。地面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,大面積井點(diǎn)降水引起的地面沉降僅5mm左右,基本可以忽略不計(jì)。此外,工程竣工至今已有近7a的時(shí)間,順城街沿線的地面建筑,特別是高層建筑,沒(méi)有出現(xiàn)任何因地面沉降引起的變形與破壞。順城街地下工程的排水實(shí)踐表明,抽取第四系砂卵石層中地下水引起土層壓密固結(jié)與地面沉降的可能性是較小的。綜合地面沉降條件分析和工程實(shí)錄,地鐵工程疏干排水誘發(fā)顯著地面沉降并危及既有建筑物安全的可能性是較小的。3.2滲流場(chǎng)及地面條件按設(shè)計(jì),車站及人行通道為一級(jí)防水,結(jié)構(gòu)不允許滲水,表面無(wú)濕漬;區(qū)間、輔助線隧道為二級(jí)防水,結(jié)構(gòu)不允許漏水,表面可有少量偶見(jiàn)的濕漬。由于地鐵隧道建在含有豐富地下水的Q3+Q4砂卵石層中,當(dāng)工程建成時(shí),14座車站及區(qū)間隧道實(shí)際上形成了一道長(zhǎng)約15km的地下阻水建(構(gòu))筑物。這一個(gè)構(gòu)筑物對(duì)地下水的阻礙是否會(huì)導(dǎo)致壅水并造成嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,是人們普遍關(guān)注的問(wèn)題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì),紅花堰站、府河-騾馬市及小天竺-南三環(huán)等與地下水流向正交或大角度相交的路段長(zhǎng)度已超過(guò)總里程的1/2(圖6)。14座地下車站長(zhǎng)3133.8m,在修建前的天然狀態(tài)下,地下水過(guò)水?dāng)嗝婵傆?jì)達(dá)43274m2,建成后則減小至20548m2,減小幅度平均為53%。13段區(qū)間隧道長(zhǎng)約11841m,修建前的過(guò)水?dāng)嗝娣e總計(jì)約180123m2,建成后減小至111643m2,減小幅度平均為38%。因此,發(fā)生壅水的可能性是存在的。以車站頂部標(biāo)高作為壅水最大高程時(shí)的壅水估算結(jié)果見(jiàn)表5。從表中可以看出,除個(gè)別點(diǎn)因近期降水可達(dá)6.97～8.70m外,壅水高度一般都在5m以下。表5的估算結(jié)果是偏于保守的。第一,過(guò)水?dāng)嗝鏈p小后,滲流場(chǎng)自身能通過(guò)增大殘留過(guò)水?dāng)嗝嫔系乃μ荻?而消化一部分水量(假設(shè)多余水量全部通過(guò)殘留過(guò)水?dāng)嗝媾判?水力梯度也不超過(guò)10‰,大部分介于3‰～8‰之間);第二,由于區(qū)間隧道頂部標(biāo)高低于車站,如果徑流受阻,地下水定會(huì)通過(guò)處于低位的區(qū)間隧道頂部的殘余斷面滲流,從而遏制地下水位的上升;第三,府河、府南、沙河及它們的支流本身就是區(qū)內(nèi)地下水的排泄場(chǎng)所,因此,也能夠在一定程度上抑制地下水位的抬升。對(duì)于地鐵沿線基礎(chǔ)埋置于Q4上段的淺基礎(chǔ)建筑物而言,粘性土地基承載力可能會(huì)因壅水而下降,從而對(duì)其安全性產(chǎn)生一定影響,但壅水不會(huì)影響深基礎(chǔ)高層建筑的正常使用。為控制壅水高度,建議采用明挖法修建車站和區(qū)間隧道時(shí),在其頂部回填(經(jīng)分選的)卵石土,以盡量多保留一些過(guò)水?dāng)嗝妗?.3有必要探索運(yùn)用盾構(gòu)法隧道建筑限界內(nèi)的主體地層是Q3+Q4砂卵礫石層,直徑大于5cm的礫石含量一般都在50%以上,而且具有較高的變形模量,在這樣的地層中采用盾構(gòu)法開(kāi)挖數(shù)km的隧道,是否有廠商能夠?yàn)榇酥圃鞂Ｓ迷O(shè)備,是需要近一步研究的重點(diǎn),也是基礎(chǔ)性的問(wèn)題。此外,Q3+Q4中還存在隨機(jī)分布的少量直徑大于20cm的礫石,甚至膠結(jié)礫石層,盾構(gòu)是否會(huì)因此而無(wú)法掘進(jìn),是工法選擇中需要注意的另一重要問(wèn)題(由于圍巖飽水,一旦盾構(gòu)掘進(jìn)受阻力,借助NATM為盾構(gòu)掃除障礙可能都是困難的)。如果廠方提供的盾構(gòu)既能在砂卵礫石層中掘進(jìn),又能克服少量大粒徑礫石和膠結(jié)礫石層問(wèn)題,而且采用盾構(gòu)和明挖的造價(jià)相差不大,建議全線均采用盾構(gòu)法,以降低工程對(duì)地質(zhì)環(huán)境及地面交通的擾動(dòng)。由于隧道建成后,隧道結(jié)構(gòu)的主體都是“泡”在飽水砂卵石層中的,因此,結(jié)構(gòu)防水的任務(wù)是艱巨的。盡管如此,只要采取適當(dāng)措施,實(shí)現(xiàn)不滲不漏還是可能的。地鐵沿線含水層最大厚度不超過(guò)30m,地鐵建成后,作用于襯砌外壁上的水頭壓力最大不超過(guò)0.15MPa。襯砌主體滲水的可能性很小,可能成為地下水滲入隧道的唯一通道是襯砌的各類接縫。由于水頭壓力不高,但水量大且補(bǔ)給充足,結(jié)構(gòu)防水應(yīng)以“堵”為主。對(duì)于采用盾構(gòu)施工的區(qū)段,管片式襯砌可以采用四邊形管片,并適當(dāng)減少每環(huán)的塊數(shù),以降低接縫總面積,同時(shí)應(yīng)采用性能優(yōu)良的防水材料進(jìn)行接縫止水。明挖基坑支護(hù)可以采用“錨噴支護(hù)”,疏干深度比較大的車站及區(qū)間隧道還可以考慮采用注漿錨桿,施作“錨-注-噴”一體化支護(hù)系統(tǒng),同時(shí),襯砌澆注以前,應(yīng)在底部鋪設(shè)防水層(并碾壓)。這樣,回填以后,在襯砌的外圍就可以形成一個(gè)近乎隔水的屏障。如果基坑支護(hù)系統(tǒng)的隔水能力較差或無(wú)隔水能力,僅靠止水材料來(lái)“堵”縫,有可能發(fā)生滲水,這時(shí)可以選擇一些低滲透性材料,如基坑開(kāi)挖時(shí)淺部挖出的粘土,回填,從而減輕襯砌的防水壓力。4明挖法開(kāi)挖車站及區(qū)間隧道成都地鐵圍巖主體為Q4+Q3砂卵礫石層,其承載力、強(qiáng)度及變形指標(biāo)均較高,此外,其中還存在直徑大于20