天津地鐵某控制中心工程巖土工程勘察和評價

楊孟清

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司, 天津 300142)

1 工程概況

天津地鐵某控制中心為地下3層、地上38層建筑,地上建筑物高度為158 m。本工程為框架核心筒結(jié)構(gòu),塔樓和裙樓地下、地上連為一體?；幼畲箝_挖寬度約100 m,開挖深度約19 m,局部21.5 m。基坑下設(shè)樁基。

2 綜合勘察方法和原則

2.1 勘察方法

在場地詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查測繪及綜合分析區(qū)域和初勘地質(zhì)資料基礎(chǔ)上,采用鉆探取樣、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、靜力觸探試驗、扁鏟側(cè)脹試驗、剪切波速測試及抽提水試驗等綜合勘察方法,對采集到的地質(zhì)信息進(jìn)行綜合分析與評價。

2.2 勘探點布置原則

勘探點的布置結(jié)合擬建物的位置,間距20～35 m,最大孔深100 m?？碧娇追譃橐话阈钥碧娇缀涂刂菩钥碧娇?一般性勘探孔深度取基坑開挖深度的2～2.5倍與樁底5 m的高值,控制性勘探孔取基坑開挖深度的3倍與樁底10 m的高值。

2.3 水土試驗

(1)巖土室內(nèi)試驗

在黏性土、砂土中采用取土(砂)器采取原狀土(砂)樣,并對所取樣品進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(包括含水量、重力密度、顆粒分析、滲透試驗等)、力學(xué)性質(zhì)試驗(包括不同壓力下固結(jié)回彈試驗、直接剪切試驗、三軸試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗、靜止側(cè)壓力系數(shù)試驗和基床系數(shù)試驗等),綜合分析確定土的物理力學(xué)指標(biāo)。

(2)水文地質(zhì)試驗

測定各含水層的初見和穩(wěn)定水位、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù),分層取樣進(jìn)行腐蝕性評價,分析各含水層的水力聯(lián)系,為降水設(shè)計施工提供依據(jù)。除利用3個勘探孔進(jìn)行了抽水試驗以外,還進(jìn)行了大口徑群井抽水試驗工作。

3 場地工程地質(zhì)條件

3.1 地形地貌

濱海平原,地形平坦,地面高程2.96～3.971 m。工程區(qū)多為道路及房屋建筑,地下管網(wǎng)復(fù)雜。

3.2 地層巖性

場區(qū)除表層為人工填土層,其下為海陸交互相沉積層,局部填土下部分布有新近沉積層。

3.3 各土層主要物理力學(xué)參數(shù)

通過對室內(nèi)土工試驗、各種原位測試成果及類似地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗的綜合分析研究,提出各土層設(shè)計所需主要物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

表1 各土層基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計主要物理力學(xué)參數(shù)

3.4 地震及場地類別

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)本場地地震動峰值加速度為0.15g。

依據(jù)物探剪切波速測試成果,等效剪切波速為155～165 m/s,判定本場地場地土類型為軟弱—中硬場地土；場地類別為Ⅲ類。

3.5 圍巖分級、土石可挖性分級及承載力基本值

根據(jù)場地地層類型和特征,圍巖分級為Ⅵ級,土石可挖性分級為Ⅰ～Ⅱ級,承載力基本值f0=55～300 kPa。

4 水文地質(zhì)特征

4.1 地下水類型

根據(jù)水文試驗成果,本場地地下水類型可分為潛水、淺層承壓水和深層承壓水。

(1)潛水

主要賦存于第Ⅰ陸相層和第Ⅰ海相層的粉土、黏性土與粉土互層的地層中?？睖y期間地下水位埋深0.8～3.5 m,滲透系數(shù)K=0.5 m/d,影響半徑R=25 m。

(2)承壓水

承壓水以第Ⅱ陸相層的沼澤相沉積⑤1、河床—河漫灘相沉積⑥1層粉質(zhì)黏土(埋深14.0～21.4 m)為相對隔水頂板。含水層主要為⑤1至11之間的粉土，粉、細(xì)砂層中的地下水為淺層承壓水。依據(jù)水文地質(zhì)試驗成果,其穩(wěn)定水位埋深4.2～6.7 m。

分布深度在70 m以下,粉土、粉砂、細(xì)砂和中砂層中的地下水為深層承壓水。

4.2 各含水層之間的水力聯(lián)系

上部潛水、淺層承壓含水層之間具有一定的水力聯(lián)系,深層承壓含水層與上部各含水層水力聯(lián)系微弱。各含水層之間的水力聯(lián)系強(qiáng)弱與隔水層的滲透性、厚度、連續(xù)性有直接關(guān)系。

4.3 地下水腐蝕性評價

經(jīng)分層取水試驗分析,綜合評價如下。

潛水：對混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替的環(huán)境中具弱腐蝕,在長期浸水的環(huán)境中不具腐蝕；對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕。

微承壓水：對混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽弱腐蝕,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在干濕交替的環(huán)境中具中等腐蝕,在長期浸水的環(huán)境中不具腐蝕,對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕。

5 巖土工程分析評價

5.1 場地穩(wěn)定性和適宜性評價

場地地層從上到下按成因類型分為如下11個結(jié)構(gòu)層(①為地層編號),其巖性和工程特性等評價如下。

(1)第四系全新統(tǒng)人工填土層(人工堆積Qml)①：雜填土和素填土,分布深度為0.8～5.1 m,組成成分復(fù)雜,土質(zhì)松散,密實程度差,底部多夾有淤泥質(zhì)土,工程性質(zhì)差。

(2)新近沉積層(第四系全新統(tǒng)坑底淤積Q43Nsi)②：巖性為淤泥質(zhì)土,分布深度為1.2～5.4 m,流塑、含腐殖質(zhì),工程性質(zhì)差。

(3)第Ⅰ陸相層(第四系全新統(tǒng)上組河床—河漫灘相沉積Q43al)③：黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)土和淤泥,分布深度為1.4～8.5 m,工程性質(zhì)較差。

(4)第Ⅰ海相層(第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m)④：粉質(zhì)黏土、粉土和淤泥質(zhì)土,分布深度為5.1～16.2 m,10 m深基坑基底位于該層④2層粉土中,工程性質(zhì)差,應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

(5)第Ⅱ陸相層(第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層Q41h和河床—河漫灘相沉積Q41al)⑤和⑥：粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂和淤泥質(zhì)土,分布深度為14.0～22.2 m,上部為沼澤相沉積層分布厚度較小,工程性質(zhì)較差；下部為河床—河漫灘相沉積層土質(zhì)較密實,為良好的持力層。基坑基底位于該層。

(6)第Ⅲ陸相層(第四系上更新統(tǒng)五組河床—河漫灘相沉積Q3eal)⑦：黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂和細(xì)砂,分布深度為19.1～29.4 m,工程性質(zhì)較好。

(7)第Ⅱ海相層(第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练eQ3dmc)⑧：黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂,分布深度為26.1～34.9 m,工程性質(zhì)較好。

(8)第Ⅳ陸相層(第四系上更新統(tǒng)三組河床—河漫灘相沉積Q3cal)⑨：黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂,分布深度為33.5～49.1 m,地連墻底位于該層的⑨1層粉質(zhì)黏土中,工程性質(zhì)較好。

(9)第Ⅲ海相層(第四系上更新統(tǒng)二組淺?！獮I海相沉積Q3bm)⑩：黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂,分布深度為46.4～58.4 m,工程性質(zhì)較好。

(10)第Ⅴ陸相層(第四系上更新統(tǒng)一組河床—河漫灘相沉積Q3aal)：黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂和細(xì)砂,分布深度為55.4～83.6 m,該層層位穩(wěn)定,是良好的樁尖持力層。

(11)第Ⅳ海相層(第四系中更新統(tǒng)上組濱海三角洲相沉積Q23mc)：黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂和細(xì)砂,分布深度為80 m以下。該層層位穩(wěn)定,工程性質(zhì)較好,可作為良好的樁尖持力層。

場地屬穩(wěn)定場地,適宜本工程建設(shè)。但場地內(nèi)存在軟弱地層和承壓水,工程地質(zhì)條件復(fù)雜,應(yīng)針對具體工程要求采取適宜的處理措施。

5.2 基坑巖土工程問題分析與評價

(1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑開挖范圍內(nèi)主要為填土、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土、粉砂和細(xì)砂,土質(zhì)松軟,直立性差,地下水位較高,周圍建筑物多,不具備放坡開挖的地質(zhì)和環(huán)境條件。

主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜采用地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁加樁間止水帷幕、多排內(nèi)支撐支護(hù)方案,出入口宜采用SMW工法。圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜穿透承壓水含水層置于下部⑧、⑨相對隔水的黏性土層中。經(jīng)計算，天然狀態(tài)下直立基坑是不穩(wěn)定的。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜采用地下連續(xù)墻,多排內(nèi)支撐支護(hù)方案。圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜穿透微承壓水含水層置于具體應(yīng)根據(jù)不同方案經(jīng)計算確定。

(2)基坑坑底隆起

由于基坑開挖卸荷及基坑內(nèi)、外水土壓力差作用,可能造成坑底土體向上隆起,危及基坑及附近建筑物的安全。為防止基坑坑底隆起,需加強(qiáng)坑底土體強(qiáng)度和控制基坑內(nèi)外的水位差。經(jīng)初步計算：最深處基坑抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)K=2.43。

(3)基坑坑底管涌及涌水

基坑開挖范圍內(nèi)分布有多層粉土、粉砂層,基坑開挖時,易造成涌水、涌砂現(xiàn)象。因此，在基坑開挖前應(yīng)采取合理的降水等措施,止水帷幕宜插入黏性土層中,達(dá)到降堵承壓水的目的。

(4)結(jié)構(gòu)抗浮

本工程地下結(jié)構(gòu)作為一種特殊的地下構(gòu)筑物,將長期處于地下水位以下,使其整體受到地下水的“浮托力”作用,影響其使用及安全。進(jìn)行抗浮檢算時宜按最不利組合考慮,在不能滿足抗浮要求時應(yīng)采取必要的抗浮措施。計算時主要考慮在工程施工階段的抗浮。

(5)地表變形

由于基坑周邊及底部以軟弱黏性土為主,局部具有較明顯觸變及流變特性,在動力作用下土體強(qiáng)度極易降低。在開挖過程中應(yīng)盡量減少土體擾動,加強(qiáng)基坑支護(hù)。施工降水過程中，由于土體失水產(chǎn)生固結(jié),產(chǎn)生地面沉降,影響附近地下管線及地面建筑物使用及安全,應(yīng)控制降水規(guī)模及范圍。

(6)降水控制

基坑開挖深度范圍內(nèi)黏性土夾粉土及淤泥質(zhì)土,土層滲透系數(shù)小于0.5 m/d,粉、細(xì)砂滲透系數(shù)一般為3～5 m/d,坑內(nèi)可以采用管井等降水方案,水位降深應(yīng)達(dá)到基坑開挖面以下0.5～1.0 m,坑外應(yīng)布置適當(dāng)?shù)幕毓嗑陀^測井。為避免降水引起周圍地面沉降和地下管線、既有建筑物的損壞,要合理控制降水強(qiáng)度,嚴(yán)格執(zhí)行“分層降水,按需降水,過程控制”的原則,并建立坑內(nèi)坑外的降水監(jiān)測體系。

5.3 樁基巖土工程問題分析與評價

(1)宜采用鉆孔灌注樁,根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載情況,通過計算采用適宜樁型、樁徑和樁長。

(2)樁端持力層的選擇可結(jié)合樁的受力情況和地層特性通過計算確定。

(3)由于樁入土深,下部地層多為硬塑狀黏性土或密實的粉土、粉細(xì)砂,黏性土中局部富含姜石,成樁困難,應(yīng)選用大功率成孔機(jī)械,加強(qiáng)施工控制,保證樁的垂直度和混凝土灌注質(zhì)量,加強(qiáng)成樁質(zhì)量檢測。

(4)由于灌注樁長度長,接觸的地層復(fù)雜,大面積開工前應(yīng)先進(jìn)行靜載試驗、抗壓抗拔試驗,以修正設(shè)計參數(shù)。

(5)由于結(jié)構(gòu)上浮力大,抗拔樁設(shè)置較密集,設(shè)計計算時應(yīng)考慮群樁效應(yīng)。

(6)本工程塔樓為地上38層,裙樓為地上6層,局部為純地下3層地下室,塔樓和裙樓地下、地上連為一體。平面上各部位上部荷載差異極大,應(yīng)根據(jù)不同部位的受力情況采取不同的基礎(chǔ)設(shè)計,避免產(chǎn)生差異沉降。

6 結(jié)論

天津地鐵某東南角控制中心工程建筑規(guī)模和開挖深度大,工程結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件和環(huán)境條件復(fù)雜,勘察中采用地質(zhì)鉆探和多種原位測試相結(jié)合的綜合勘察方法,并做了大量的室內(nèi)外試驗,查明了場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,提出了合理的水土參數(shù),滿足了設(shè)計和施工需要。

根據(jù)工程特點和地質(zhì)條件,對場地的穩(wěn)定性和適宜性、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、基坑坑底隆起和管涌、結(jié)構(gòu)抗浮、降水控制及樁基設(shè)計等巖土工程問題進(jìn)行了分析與評價,并進(jìn)行了初步檢算,提出了具體的工程措施意見。

[1]鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.天津地鐵某控制中心工程詳細(xì)勘察巖土工程勘察報告[R].天津：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,2007

[2]JGJ72—2004 高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S]

[3]DB29—20—2000 巖土工程技術(shù)規(guī)范[S]

[4]GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[5]GB50307—1999 地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范[S]

[6]GB/T50123—1999 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]

[7]GB50011—2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[8]GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[9]JGJ94—94 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S]

[10]JGJ120—99 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S]

[11]GB18306—2001 中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S]