贵阳市轨道交通工程主要岩土工程问题

　　摘 要：贵阳城市轨道交通工程以地下线为主, 少量高架线及地面线, 施工中存在的主要岩土工程问题有:围岩稳定问题, 涌水突泥问题, 隐伏岩溶问题, 地面塌陷问题, 明挖基坑的边坡稳定、基坑涌水及岩溶地基稳定问题, 桩基及高回填地基稳定问题等。结合工程实践, 从暗挖隧道、明挖基坑、桩基及高回填地基这3种形式入手, 对贵阳城市轨道交通建设施工中的存在的主要岩土工程问题进行了探讨, 并提出了针对性的处理措施。关键词：城市轨道交通工程; 岩溶; 岩土工程问题; 处理措施;作者简介：陈再谦 (1981—) , 男, 贵州天柱人, 高级工程师, 主要从事岩土工程勘察设计及研究工作;

　　0 引言

　　城市轨道交通工程各建 (构) 筑物施工方法不尽相同。其中, 车站主要为明挖法、暗挖法以及盖挖法;区间主要为暗挖法、明挖法以及盾构法;附属建筑物 (出入口、风井等) 主要为明挖法、盖挖法等。各建 (构) 筑物施工方法的选择, 主要根据各建 (构) 筑物结构特征、工程地质及水文地质条件、工程周边环境等因素综合考虑。与传统的市政工民建岩土工程相比, 城市轨道交通工程建设有明显不同的特点: (1) 场地周边环境条件复杂, 一般穿行于城市人口密度大、高层或超高层建筑集中、交通繁忙的城区;市政设施和地下管线密集, 场地可选择性、调整性小;社会因素复杂。 (2) 工程地质及水文地质条件复杂, 填土、粘土较多, 地基均匀性差, 贵州地区可溶岩发育, 岩溶及水文地质条件复杂, 红粘土广布, 其工程性质受含水率影响较大。 (3) 工程安全风险因素较多, 且施工周期较长, 工程降水、周边工程施工、车辆荷载及地下水抽排对工程影响较大。目前, 针对地铁岩土工程问题已经有了较为全面的研究[1-4], 但西南地区地质条件复杂, 岩溶发育, 红粘土广布, 有其自身的特殊性, 各类岩土工程问题突出, 需提出新的针对性处理措施[5-7]。贵阳城市轨道交通工程以地下线为主, 少量高架线及地面线, 施工中存在的主要岩土工程问题有:围岩稳定问题, 涌水突泥问题, 隐伏岩溶问题, 地面塌陷问题, 明挖基坑的边坡稳定、基坑涌水及岩溶地基稳定问题, 桩基及高回填地基稳定问题等。本文结合工程实践, 从暗挖隧道、明挖基坑、桩基及高回填地基这3种形式入手, 对贵阳城市轨道交通建设施工中存在的主要岩土工程问题进行探讨。

　　1.1 围岩稳定问题及处理措施

　　1.1.1 围岩稳定性

　　地铁隧道拱顶多位于强风化基岩或覆盖层内, 有些甚至全断面位于覆盖层内, 隧道围岩稳定性差, 一旦隧道围岩失稳坍塌, 可能导致路面沉降、塌陷、房屋开裂、地下管线破损等问题, 影响较大。隧道开挖引起的围岩应力状态的重大变化一般在隧道周边一定范围之内, 一般为地下洞室横剖面最大尺寸的3~5倍, 隧道开挖使围岩的性状发生很大变化。促使围岩力学状态发生变化的因素除卸荷回弹及应力重分布外, 还有场区地下水的重分布。一般说来, 洞室开挖后, 如果围岩岩体承受不了卸荷回弹应力或重分布应力的作用, 围岩将发生变形甚至破坏, 这种变形或破坏通常是从洞室周边, 特别是从压力或拉应力集中的部位开始, 而后逐步向围岩内部发展的。隧道围岩失稳的主要处理措施有喷锚法、支护法、对顶支撑法、灌浆法等。

　　1.1.2 工程实例分析及处理措施

　　贵阳市地铁某隧道覆盖层为8~17 m, 下伏基岩为三叠系下统大冶组 (T1d) 灰色、深灰色薄至中厚层状灰岩, 隧道拱顶埋深8~10 m, 地下水位埋深3.2~9.0 m, 基覆界面处溶槽溶沟发育, 隧道拱顶多位于软塑~可塑状红粘土层, 日涌水量约4 000 m3, 拱顶多处出现塌方。隧道地质剖面示意见图1。隧道拱顶坍塌情况见图2。复核处理措施:采取“地表+洞内”固结灌浆。注浆结束后, 取芯验证注浆效果, 若检查孔不坍孔, 不涌泥, 涌水量小于0.2 L/min, 浆液填充率达80%, 则判定注浆效果达标;若达不到, 应进行补孔注浆。处理后取芯结果显示, 掌子面红粘土强度明显改善, 效果较好 (见图3) , 颠覆了“红粘土不宜采用注浆方式进行加固”的认识。

　　1.2.1 涌水量预测

　　隧道涌水突泥是由于隧道掘进破坏了含水层结构, 使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变, 造成地下水体所储存能量以泥水流体高速运移形式瞬间释放, 而产生一种动力破坏现象。岩溶地区隧道涌水往往具有突发性、破坏性、难以预防等特征, 施工单位应引起特别重视, 加强预防、预报手段及应急处理措施。目前, 贵阳地区岩溶隧道或基坑涌水量预测主要采取径流模数法、降雨入渗法以及水动力学法等3种。针对岩溶山区地铁隧道涌水量计算, 采取径流模数法、降雨入渗法较水动力学法预测基坑/隧道涌水更为合理。分析其原因, 水动力学法基本假设条件是土体为均匀含水介质, 有稳定的地下水位, 为面状涌水, 与冲积平原地质条件较为吻合。而岩溶山区一般是上部红粘土、下部碳酸盐岩的地层结构, 上部红粘土为不透水层, 下部碳酸盐岩岩体裂隙或岩溶管道是主要的储水及过水通道, 其含水介质具有不均匀性的特点, 出水状况为股状或线状。同一场区内通过抽水试验确定渗透系数k值时, 随着局部岩体孔隙、孔洞发育情况而差别很大, 即岩体完整性较好的抽水孔渗透率测试值极小, 而岩体裂隙发育处, 渗透率则较高, 如抽水孔恰好位于充水型岩溶管道处, 则渗透率极大。由于同一场区渗透率k值测试结果离散性大, 代表性差, 水动力学法预测结果准确性自然较差。根据隧道涌水段所处的位置不同, 施工中按不同区段分别采用不同的处理方案: (1) 完整岩体区段。结构性能可保证施工安全, 但大面淌水且流量小于控制排水量时, 采取直接通过。 (2) 较完整岩体区段。结构性能可保证施工安全, 但大面淌水且流量大于控制排水量时, 采取先通过后注浆堵水。 (3) 小段落的岩层破碎带、次断层构造带区段。大面淌水且流量大于控制排水量时, 采取超前管棚支护先通过后注浆堵水。 (4) 大段落的岩层破碎带、断层构造带区段。极易产生集中涌水地段, 根据对施工的影响程度不同, 分别采取不同的超前注浆措施。

　　1.2.2 工程实例分析及处理措施

　　工程实例1。贵阳市某地铁暗挖隧道埋深约20 m, 开挖到一定里程后出现隧道涌水 (见图4) 。场区位于黔灵湖向斜核部以西, 汇水面积达约30km2, 自西向东穿越三叠系中统杨柳井组 (T2yl) 、改茶组 (T2gc) 、上统三桥组 (T3sq) 、二桥组 (T3e) 、侏罗系下统自流井群 (J1zl) 地层, 地处富水、透水地层与隔水地层分界部位。事故发生后, 采取洞内全断面帷幕注浆, 效果较好。

　　图4 隧道涌水 下载原图工程实例2。贵阳市某地铁暗挖隧道发生涌水突泥导致上部路面塌陷, 房屋出现裂缝 (见图5) , 交通、供水中断。该隧道拱顶埋深约15 m, 地下水埋深约10 m, 覆盖层 (红粘土) 厚约10 m, 下伏基岩为三叠系下统大冶组 (T1d) 灰岩, 拱顶上方基岩厚约5 m, 为强溶蚀带, 竖向裂隙强发育。事故发生后, 及时进行原因调查, 采取物探、试验及水文地质测绘等手段, 对场区岩溶、周边水源、水质进行分析, 得到事故发生的原因。原因分析: (1) 地表自来水、雨污水管损坏漏水, 对土体长期浸泡, 恶化土体性状; (2) 浅表层土体竖向溶蚀裂隙发育, 地下水埋深浅, 软塑、流塑状的红粘土沿陡倾裂隙、溶洞涌入隧道, 引起地面塌陷。处理措施: (1) 修复沿线破损的管线; (2) 回填坍坑; (3) 加强超前地质预报, 加强掌子面前方灌浆, 采用冷开方式掘进。

　　实际工程中, 由于勘探揭示的有限性和岩溶发育的不确定性, 很多岩溶只有在施工开挖时才能确定其具体位置、规模及充填情况。岩溶区隧道开挖后地基往往会遇到溶洞, 出现地基不均匀问题, 需对溶洞进行处理, 以满足承载力及地基不均匀变形要求。隧道地基岩溶处理方式一般为换填、注浆及跨越。当隧道开挖遇到底板溶洞时, 应采用洞内钻探结合跨孔CT的方式进行补勘, 查明底板隐伏岩溶发育的深度、规模及充填特征, 以便针对性进行处理。隐伏岩溶处理方案:凿开部分仰拱混凝土→施工穿越隐伏岩溶区的300钢筋混凝土灌注桩→地基系统灌浆堵水→桩顶设置钢筋混凝土板。

　　2 明挖基坑

　　2.1 边坡问题及处理措施

　　2.1.1 边坡主要问题

　　主要问题有:红粘土边坡、填土边坡、基岩顺层及不利结构面组合边坡;地下水对边坡的稳定性影响。红粘土遇水软化, 孔隙比较高, 受水的影响力学性质变化较大, 往往呈上硬下软的分布特征, 基覆界面往往为软~流塑状。基坑边坡开挖后, 需分层及时支护, 同时注意排水。贵州地区广布红粘土, 红粘土基坑边坡支护不当, 很容易引发圆弧滑动等边坡失稳问题。岩质边坡主要破坏模式为顺层面滑动、楔形体滑动及倾倒破坏。顺层面滑动破坏易发生在不连续面的主节理沿相同方向发育的岩石;楔形破坏是沿2个不连续面发生的岩块的滑动破坏形式;倾倒破坏的发生条件是劈裂面与节理面的倾斜方向相反或节理面的主向与劈裂面的主向基本相同时。

　　2.1.2 工程实例及处理措施

　　贵阳市地铁某明挖区间底板埋深约10 m, 位于基覆分界线及地下水位线附近, 施工采用“土钉+喷混凝土”支护, 边坡出现失稳破坏 (见图6) ;贵阳市地铁某车站基坑边坡为顺向岩石边坡 (岩层倾角13°) , 受2组裂隙切割及地表水入渗, 施工采用“1∶1放坡+锚杆”支护, 产生楔形体破坏 (见图7) 。

　　某明挖区间覆盖层边坡失稳 下载原图由于地质条件、环境条件的复杂性, 以及变形控制的严格性, 明挖基坑边坡一般采取“围护桩+内支撑”的支护体系 (见图8) , 实施效果较好。

　　红粘土边坡及岩石楔形体边坡失稳 下载原图

　　“围护桩+内支撑”的支护体系 下载原图2.2 涌水问题及处理措施

　　2.2.1 涌水问题

　　明挖基坑涌水量计算一般分为均质稳定流地层和非均质非稳定流地层2种计算方法, 可参照相关规范计算。

　　2.2.2 工程实例及处理措施

　　工程实例1。贵阳市地铁某车站出现基坑涌水 (见图9) , 最大涌水量达9 L/s。通过对场区周边水文地质测绘及水质分析得到分析剖面 (见图10) 。分析表明, 施工期降水对地下水环境可能造成一定影响, 主体结构施工完成后, 由于地下水径流总体方向未变, 通过采取相应工程措施 (对隧道或车站结构底板及顶板铺设透水材料) , 地下水位将逐渐恢复, 对周边水环境不会构成影响。工程实例2。贵阳市地铁某车站基底出现岩溶泉眼, 2016年7月14日基坑开挖至5 m (1 273.5 m高程) 出现泉水, 水量约20 L/s, 一直到基坑底板 (1 253.9 m高程) , 泉眼的出水量较稳定, 底部出水口长约1.1 m, 宽约0.4 m, 水量约30 L/s。泉眼涌水造成车站基坑被淹, 对工程影响较大。原因分析:岩溶发育的复杂性以及勘察手段的局限性, 勘察期间对岩溶场地地下水判定容易出现误差或错误, 进而导致地下水位及其承压性判断不准, 引发施工问题或事故, 这种问题很难应对但却又十分重要, 这就要求在正确判定场区地下水的同时, 要分析周围地表水及岩溶管道的影响, 对场区钻孔地下水位的判定要认真结合钻孔岩溶、岩芯完整性、裂隙发育程度分析进行取值, 选取岩溶发育、岩体较破碎的具有代表性的钻孔稳定水位作为场区的地下水位。

　　某车站基坑涌水 下载原图处理措施:泉水流量较大且有一定的承压性。泉眼水流压力如能将水流引排至基坑上方市政雨污水管道中, 则采用50钢管对泉眼水流进行引排;如不满足, 则对泉眼进行注浆堵水。经引排处理后, 情况得到一定的缓解。

　　2.3 岩溶地基稳定问题及处理措施

　　地铁建设场区往往属于二次开发场地, 回填土层及地下设施分布较多, 可溶岩地区岩溶发育具有不确定性, 这些都导致场区地基均匀性差, 出现不均匀沉降等问题, 工程建设需要进行地基处理或采取适宜的基础形式。某明挖埋深约10 m, 多位于基覆交界部位, 为岩土混合地基, 基底处溶缝、溶沟发育, 局部地段出现溶洞, 地基均匀性较差, 地基承载力要求不高, 主要是变形协调问题。溶沟溶槽采用换填法处理, 岩土交界部位采取褥垫层法处理;小型溶洞可采用跨越或回填素混凝土处理;遇大型溶洞, 应采取物探、钻探或钎探手段查明溶洞发育规模及范围后进行处理, 一般对上部采取清除软塑粘土后用级配碎石换填处理, 对隐伏溶洞采取钻孔注浆处理措施, 对上部结构采取加强结构底板配筋, 以增强其整体性及刚度的处理方式。

　　3 桩基及高回填地基

　　桩基勘察应满足相关建筑物勘察技术要求。存在的问题主要有:机械成孔桩往往无法验基, 故勘探深度应满足下卧层稳定分析要求;桩基穿越溶洞及软~流塑状红粘土层难以成孔, 可采取下钢护筒或采用回填块碎石 (混凝土) 处理。回填地基未按相关技术要求进行回填, 导致工后沉降及差异沉降超标, 进而需对其进行地基处理。应加强过程控制。

　　4 结论及建议

　　城市轨道交通工程穿行于不同的地质、水文单元, 沿线面临的岩土工程问题复杂且不尽相同, 应重视地质调绘, 加强宏观分析判断, 采取综合勘察手段开展岩土工程勘察工作。鉴于贵阳市地铁建设工程的特点及岩土工程问题, 应对工程风险采取全过程控制, 施工过程中应加强超前地质预报如红外探测、地质雷达、超前钻孔等, 变形监测与检测工作, 加强工程施工风险的管控、预测及预报工作, 最大限度降低施工风险。暗挖法主要有浅埋隧道稳定问题、隧道涌水突泥及其对周边环境的影响问题、地基隐伏岩溶问题等。处理建议:加强初期支护, 必要时可对掌子面前方地层进行固结或帷幕注浆, 仰拱填充前进行地基检测及系统堵排水。明挖法主要有边坡稳定问题、基坑涌水涌泥及其对周边环境的影响问题、地基稳定问题等。处理建议:采用“围护桩 (必要时咬合) +内支撑”结合适当的堵排水措施。桩基应保证基底以下足够的勘察深度, 回填地基施工应严格按照设计要求进行。

　　参考文献

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