城市地下工程中的环境岩土工程问题
摘要近年来,随着城市人口的急剧增长,交通与住房拥挤状况日趋突出,在我国一些大中城市中,道路交通隧道、地铁工程、地下商城等地下工程建设项目在逐年增多。由于城市工程环境特殊性和地下工程的特点,在其施工过程中经常出现基坑失稳(明挖) 、地面沉降、岩溶塌陷、洞室失稳、巷道突水等多种环境岩土工程问题,不仅严重影响地下工程建设和周围建筑物环境安全,而且给国家造成重大经济损失。这一问题已引起岩土工程领域很许多专家的关注,并成为该领域的研究热点。本文结合南京市区地下工程建设的实际情况,探讨城市地下工程环境岩土工程问题的特点和形成机理,并提出解决地下工程环境岩土工程问题的方法和建议。
1 引 言
伴随着工业化的进程,城市化成为当今世界发展的一大特征。城市化的发展使人口大量集中。50 年代,世界上人口超过800 万的城市只有纽约和伦敦,现在已超过20 个。目前,我国约有467 个城市, 预计到2010 年将超过1000 个,城市人口达6. 3 亿, 城市化达到45 %。人口急剧增长,造成城市交通拥挤。城市化的发展使得城市土地资源日趋紧张,因此,城市建设呈现“上天“入地的趋势,即高层建、筑的竟高和地下空间的深层次开发。20 世纪80 年代,国际隧道协会( ITA) 提出“大力开发地下空间, 开始人类新的穴居时代的口号(翁家杰,1995) 。地下空间作为一种新的资源进行开发和应用,成为许多国家今后的发展趋势。1998 年,北京、上海、广州地铁续建项目和南京、深圳、武汉地铁新建项目被批准立项、标志着我国大规模城市地下空间开发的战幕正在拉开。总之,伴随着全球经济的发展和城市化进程的加快,地下空间作为一种新的资源的开发、利用,已经进入空前发展的时期。国际上公认“21 世纪是人类开发利用地下空间的世纪”,这将为未来的发展所证实。
由于城市的大型建筑物密集、管线密布、工程地基无选择性等特殊性,地下工程建设带来一系列的环境岩土工程问题,而且严重影响着城市工程建设的正常运行和建筑物的安全使用。本文结合南京市的实际情况,对地下工程中可能出现的环境岩土工程问题作以分析,并提出解决岩土工程问题的方法和建议。
2 城市地下工程的特点以及影响地下工程稳定性的主要因素 城市地下工程建设是在人口集中、大型建筑物密集、管线密布、工程地基无选择性等的工程条件进行的。它有以下几个特点:
⑴城市地下工程一般埋深浅,多以基坑开挖和巷道开挖相结合的形式进行。
⑵城市的高层、超高层建筑大都集中在建筑密度大,人口密集、交通拥挤的狭小场地中。而邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施,因此对围岩和基坑稳定和位移控制的要求很严。
⑶工程施工周期长,从开挖到完成地面以下的安全隐蔽工程,常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工失当等许多不利因素、其安全度的随机性比较大。
⑷地质条件复杂,岩土体性质千变万化,不均匀,数据离散性大,给基坑工程的设计和施工增加了难度。
另外,影响地下工程稳定性的主要因素有:
⑴工程地质条件: 如地质构造、岩性、岩体结构、风化程度、节理裂隙特征及组合规律、初始地应力场、地温场、地下水等。
⑵岩体力学参数,包括岩石的物理力学参数、岩体的物理力学参数、结构面力学参数。
⑶工程结构参数,如埋深、断面形式、尺寸、支护结构形式、支护材料、工程用途、服务年限等。
⑷施工参数,如开挖方式、开挖顺序,支护形式、支护时间,防、堵、排水,工程监测与信息处理,作业方式与工程进度等。
3 南京市地下工程中几个主要环境岩土工程问题
3. 1 南京市地质环境特点
⑴地形地貌:南京位处长江中下游,它三面环山一面临水,是长江河谷的一部分,地貌上属低山丘陵区。北面沿江低山有幕府山(海拔199m～200m) , 栖霞山(274m) ; 东面紫金山(448m) ; 南面牛首山(225m) ;西面北面为临江的宽广漫滩地面,高程7m ～10m 。市区为阶地但已经被分割为坳沟和低丘。初步确定的四级阶地(基底) 之高程,分别是: Ⅰ级23m～33m (17m) , Ⅱ级45m～50m(30m～40m) , Ⅲ 级65m～86m (60m) , Ⅳ级为100m～110m。市区阶地为坳沟和秦淮河道所分割,构成了不同地基类型。特别是秦淮河古河道从水西门和集合村起,经升州路和六角井,至三山街和长于路,再折回西北,经大行宫到市政府,穿过北极阁与九华山之间的隘路抵玄武湖,经由大树根至模范马路,又向福建路方向直奔金川门。最后由大桥南路汇入长江。
⑵地层岩性:市区基岩埋深一般20m～40m , 最大基岩埋深43m 左右从(图1) 看到,拾取由北向南,狮子山、幕府山;清凉山、北极阁;雨花台、菊花台为三个基岩突起带,中间夹两个基岩盆地 北盆地中心在玄武湖,南盆地中心在瞻园一带。基岩埋深较大的部位,多在秦淮河古河道带上。长江浦口岸河漫滩基岩埋深最大为98m ,即这里是长江古河 道通过的位置。城外长江漫滩基岩埋深一般为50m 学院100m 深以下具有富水性较好的T1 -2石灰岩地～60m。从岩性上看,市区基岩基本为弱透水的侏层。罗纪———白垩纪红层和火山岩系,仅南京站和化工
表1 南京市工程地质分区说明
区亚区地貌类型基岩地质构造特征长河漫滩Ⅰ 长河漫滩长江破碎带存在古河道Ⅱ Ⅱ1 古河道北部为基岩构造层T -Z , 南部为盖层构造层。Ⅱ2 古湖泊盖层构造层J -K 北盆地Ⅲ Ⅲ1 丘岗阶地Ⅲ2 低山丘林高阶地基底构造强烈,褶皱断裂发育南盆地Ⅳ Ⅳ1 Ⅳ2 丘岗、坳沟、低阶地、丘林、高阶地盖层结构和缓褶皱断裂不发育,地层软弱,富水性差。 土层结构物理力学性质土层容重含水量塑限液限压缩模量承载力环境岩土工程问题岩土工程问题评价上为亚粘土泥质粘土,下为沙性土,二元结构亚粘土1. 90 33. 1 17. 0 35. 3 4 -～6 100～ 200 过量深井抽水引起地面沉降,河水冲刷坍岸。地基软弱需进行加固处理, 防砂基液化和坍岸。亚粘土,泥质粘土和沙性土互层,多层结构。淤泥质土1. 82 37. 7 20. 5 35. 0 3～5 80～90 抽取地下水引起地面沉降,基坑竖井施工不当引起流土。同,特别注意秦淮河古河道和低阶地坳沟的砂基液化淤泥质软土, 沙土, 粘性土, 多层结构。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,振动砂基液化。下蜀土为单一结构,坳沟为多层结构沙性土1. 9 31. 0 10. 25 110～ 200 低山前下蜀土易产生工程滑坡,紫金山南有膨胀土、地下工程失稳与水害。土层强度较高, 坳沟区地基不均匀沉降,基岩起伏,断裂带软弱、强风化、洞室稳定和水害问题。下蜀土为单一结构,低阶地多层结构下蜀土1. 98 23. 5 15. 5 33. 4 10～ 15 180～ 250 红层岩坡塌陷与滑坡,地下工程变形与失稳。地基强度较高, 防不均匀沉降; 地下工程防断层和漏水。
⑶构造特征:断裂构造规模较大者为鼓楼 定淮门NWW 向断裂,鼓楼 狮子山NW -NNW 向断裂,九华山— 老虎山NW 向断裂和北极阁NN E 向断裂等。
图1 及表1 基本概括了南京市地质环境的特征和环境地质问题。应该指出,深基坑变形和地下工程失稳问题,随着城市发展已经日显重要。由此可见: ①南京区域稳定性条件较好,江南又略胜于江北,但断裂活动性研究深度不够; ② 宽广的漫滩和阶地坳沟、秦淮河古河道构成了大片软基存在; ③ 阶地区下蜀土构成南京较好地基,但应注意坳沟存在引起地基下均一性; ④长江古道为富水地段。
3. 2 南京市地下工程几个主要环境岩土工程问题
同地面建筑、工程相比,地下工程的设计与实施具有更多的复杂性,表1 作了简要概括。目前,地铁 工程正在建设之中,其地基地质条件较为复杂,主要环境岩土工程问题有:地面沉降;地面塌陷;巷道突水;基坑管涌与突涌;以及裂隙水、孔隙水、岩溶水等工程问题。
3. 2. 1 地面沉降
城市地下工程的埋深一般较浅,多在地面以下20m 以内,多采用坑槽明挖和隧道开挖两种形式。在软土地层中因施工过程的降水排水问题,不可避免地引起地面沉降。如果沉降量过大将会导致基坑周围或隧道上面的建筑物和地下构筑物的损坏。我们以南京地铁三山街地下站为例,来正确地认识这一问题。
南京地铁一号线全长21. 6km ,设有16 座车站, 其中地下站11 座,三山街站是位于古河道范围内的地下站。该站基坑位于含水层中(有水基坑) 、基坑底板无隔水层存在。其水文地质工程地质特征主要有: ① 含水层厚度大,可达30m 以上,含水层岩性主要为粉土、淤泥质土、粉砂等; ② 软土层厚度大,分布广,其岩性和含水层岩性大体一致; ③ 软土层强度低、压缩性高、多为软～ 流塑状态;孔隙比大,含水量高达35 %～50 % ; ④ 地下水位埋藏浅,多为1～2m 且地下水类型多为潜水。
根据上述的水文地质工程地质特征,在施工中围护结构的插入深度一般小于含水层厚度,同一含水层在坑内外不能被围护结构分隔开来,于是基坑外围的地下水便通过围护结构的下端绕流进入基坑内,为预防涌水现象,工程实践过程中必须进行基坑内降水,由于坑内降水,便引起基坑四周地表沉降变形,使得附近建筑物开裂,造成较大的危害。
3. 2. 2 地面塌陷
塌陷是承压岩溶含水体在地下水位下降到盖层底板以下时发生的地质灾害,浅埋岩溶区因抽取地下水和矿山疏干排水均可能会引发地面塌陷。我们以南京铅锌银矿开采引起栖霞寺镜湖塌陷为例。
栖霞山位于南京东北郊,是南京重要的文物风景区, 也是江南有名的多金属矿基地。沿着寺西J1 —2(侏罗纪中下统) 与C～ P(石炭系和二叠系) 地层不整合带和N E 向断裂,在结晶灰岩中有规模巨大的优质铅锌银(含金) 矿床向寺的WS 方向展布, 矿带倾向NW 。距栖霞寺最近水平距离仅200m , 主矿体标高从? 75m 延伸到? 700m 。发展矿业,特别是铅锌银这种稀缺矿种, 正是国家建设的需要。1971 年矿山进入大规模巷道开采以来,采掘深度已达? 175m 。矿方由分段采矿一次充填空区,进而采
用水平分层干式充填采样法的先进工艺,避免了采矿塌陷,有效地保护了地面安全。但是,矿坑日排水量常约1000m3 ,该区水位降落漏斗不断扩大,沿着寺西北灰岩分布的桃花涧沟谷小型岩溶区塌陷时有发生。特别是1981 年6 月寺前秀丽的明镜湖突然塌陷(图2) ,湖中曲桥断裂,彩虹亭倒塌,3400m3 的湖水漏失一空。昔日美景不在,采矿与园林保护的矛盾随之升温:一方认为矿山排水造成湖陷,应负全责;另一方以湖水漏失时矿坑涌水量无异常增加为由,只能承担间接责任。双方相持不下,使矿山建设受阻,园林发展受制,一拖数载,使寺前明镜湖的破败景象与古寺的园林胜景形成鲜明的对照。
3. 2. 3 巷道突水
涌水是地下工程遇到的最常见、最主要的地质灾害之一。其中,突水(突然大量涌水) 危害最为严重。我们以鼓楼交通隧道的不当止水为例。
止水是为了防治突水灾害而采取的一种措施, 鼓楼交通隧道地处5 条主干道的交会中心,线路沿中山路进入地下,穿过鼓楼广场,再沿中央路引出地面,全长1150. 50m , 最大开挖跨度23. 18m , 通道穿过的地层大部分为中、晚更新统的冲、洪积粉质粘土以及白垩系上统的红砂岩、侏罗系火山灰质凝灰质强风化砂岩,岩层节理发育,节理间水量较丰富,因此易发生突水。虽然,施工单位在施工工程中采用了止水措施,但由于方法选取不当,加之施工过程中存在的偏差,造成止水失效,从而在众人防范不足的状态下,隧道内部发生大面积的突水,从而影响了整个工程的正常运行并为人民的生活带来了不便。
3. 2. 4 基坑管涌和突涌
由于高层建筑地基基坑工程的特殊性和软土地区地基土体的地质条件的复杂性,在软土地区进行基坑开挖时,必须进行降排水,从而产生基坑内外水头差,在高水头差的作用下易于出现渗透变形问题。渗透变形主要有管涌、突涌等形式。我们以南京市某大厦发生的基坑内管涌、突涌为例。
南京市某大厦位于长江路附近,高35 层,二层半地下室。基坑长65m , 宽55m , 基坑开挖深度为 10. 1～11. 8m , 基坑支护采用钻孔灌注桩加两层钢管角支撑(如图3) 。基坑周边环境复杂,西、北两侧均有6～8 层浅层基础的建筑物,距基坑约6m ; 东侧为道路及21 层大楼,南侧为长江路,路边有煤气管、自来水管及通讯电缆等。
图3 某高层建筑地基支护示意图
1996 年6 月1 日,基坑施工架设第二道支撑, 架设完成后继续开挖; 在此期间连日阴雨,工期延误,并于6 月19 日、6 月29 日在基坑东北角二次出现较大面积之管涌,致使发生东北角地面塌陷、百货站围墙破裂平房倒塌的事故,经研究采用高压注浆结合基坑内堆积水泥袋封堵方法,消除险情。但随后在7 月17 日基坑东南角又出现更大规模的管涌, 造成了长江路路面大范围塌陷,主干水管断裂、煤气管道破裂的重大事故,同样采取基坑内堆积水泥袋封堵方法抢险,48 h 后堵住涌砂。
上述这些城市环境岩土工程问题,是小环境问题。它分布广泛,发生频繁,对于一个城市而言,研究意义显得更加直接。城市环境岩土工程问题的防治城市环境岩土工程问题,是当今人类在开发自然的同时所必须面对的重要的环境课题,它直接影响着人民的生活以及国家经济的发展。因此它的防治就显得尤其的主要,若防止不当,就会带来可怕的地质灾害,危及人民生命财产的安全。
4. 1 地表环境岩土工程问题的防治
本文所述的地表环境岩土工程问题主要包括地面沉降和地面塌陷。
对已发生地面沉降地区的治理方法据《工程地质手册》(1992) 主要有: ① 压缩地下水开采量,减少水位下降幅度,地面沉降剧烈时暂停开采地下水; ② 向含水层进行人工回灌,回灌时要严格控制回灌水源的水质,以防地下水污染,根据地下水动态和地面沉降规律,制定合理的采灌方案; ③ 调整地下水开采层次,进行合理开采,适当开采更深层的地下水。对于可能发生地面沉降的地区,主要是预测地面沉降发生的可能性及其危害程度。
具体方法有:
① 估计沉降量,并预测其发展趋势; ② 结合水资源评价,研究确定地下水资源的合理开采方案,在最小地面沉降量条件下达到最大可能的地下水开采量; ③ 采取适当的建筑措施,如避免在沉降中心或严重沉降地区建一级建筑物,在进行房屋、道路、管道、堤坝、水井等规划设计时,预先对可能发生的地面沉降量作充分考虑。
对于地面塌陷问题的防治,我们应注意以下问题: ① 富水优势断裂分布地段、低洼和覆盖层薄的地区和强烈抽排水地区是塌陷的重点研究和设防区。 ② 控制地表水灌入和地下水超采,及时回填塌陷坑并埋设通气管以防负压产生。③ 地面防治以“ 铺、填、截、拦、疏、排”六种措施为主。井下则采取“ 防、排、堵、制”对策。
4. 2 环境岩土工程中“水”问题的防治
环境岩土工程中的“水”问题主要包括如上所述的突水问题,管涌和突涌问题,以及裂隙水、孔隙水、岩溶水等工程问题。环境岩土工程中的水问题主要在于预防,但除了采取有效的防水措施以外,还要进行排水疏导,减少围岩集水对衬砌混凝土的水压力,从而达到更加有效地防水。
我们平常所说的防水技术主要有三种类型:一是从围岩、结构和附加防水层入手,体现以防为主的水密型防水(又称全包式防水),二是从疏水、泄水着手,体现以排为主的泄水型或引流自排型防水(又称半包式防水),三是防排结合的控制型防排水。全包式防水适用于对保护地下水环境,限制地层沉降要求高的工程,可以为隧道结构的耐久性提供极为重要的环境条件,也为隧道安全运营提供了极为重要的环境条件。半包式防水适用于对保护地下水环境,限制地层沉降没有严格要求的工程,结合其它必要的辅助措施和设备,也可以为隧道结构的耐久性以及安全运营提供良好环境条件。控制型防排水, 是近年来限制地层沉降而出现的一种新型的隧道防水措施。在半包式防水的基础上,可以根据对水位和地层变形的监测数据,及时地自动或半自动地调整排水量。
现今,地下工程防水的原则,提法甚多,比如:
(1) 城建系统提出:以排为主、以防为辅、排防结合、综合整治。
(2) 国防系统提出:以排为主,防排结合。
(3) 人防系统提出:防为基础、防排结合、因地制宜,综合治理。
(4) 铁道系统提出:以排为主,截、堵、排相结合。
(5) 公路隧道系统提出:以排为主,防、排、截、堵相结合。
(6) 北京地下铁道提出:以防为主,以排为辅。
以上提法,分别从各自工程的特点出发. 可以归纳为“以防为主”和“以排为主”两种截然不同的防水原则。地下工程防水技术规范则综合各专业系统的意见,提出了“ 防、排、截相结合,因地制宜,综合治理”的原则。我们在处理环境工程的水问题时应本着以上的原则处理实际问题。
5 结 论
保护环境和发展经济是关系到人类前途和命运的大事,如今社会,各国城市化的加速发展已经成为世界发展的重要趋势。城市地下工程中的环境岩土工程问题更是城市化的必然结果,这些问题都在不同程度上影响着人类社会的发展及世界人民的生活。因此,我们必须努力研究,希望能在深层次地理解环境岩土工程问题的发生机制同时,更能进一步加强预防和做好治理措施。
此文曾刊登于：《工程地质学报》
原作者：许 崧，阎长虹，孙亚哲
