沈陽(yáng)站改擴(kuò)建工程巖土條件分析

劉曉東

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043)

1 概述

沈陽(yáng)站改擴(kuò)建工程高架候車室、地下聯(lián)系通道東與既有東站房相連,西與新建子站房相連。高架站房建筑面積21390 m2,全長(zhǎng)222 m,寬103 m,總高 48 m,為三層框架結(jié)構(gòu),平行于鐵軌方向最大柱間跨度為20 m,垂直于鐵軌方向最大柱間跨度為31 m。地下聯(lián)系通道建筑面積13340 m2,長(zhǎng)度為208 m,寬度為55 m。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

沈陽(yáng)地區(qū)地貌屬于渾河沖洪積扇,地勢(shì)平坦,市內(nèi)最高處是東部的大東區(qū),海拔65 m,最低處是西部的鐵西區(qū),海拔36 m,平均海拔約50 m,地勢(shì)由東向西緩慢傾斜。

本工程位于既有沈陽(yáng)站后南貨場(chǎng)院內(nèi),沈陽(yáng)地鐵從其下穿過(guò)。站內(nèi)地下管線復(fù)雜,電氣化區(qū)段上部有高壓接觸網(wǎng),車流、人流密集。建筑場(chǎng)地地形較平坦,地面高程介于43.62～45.86 m之間,地表相對(duì)高差2.24 m。

2.2 地層巖性及物理力學(xué)特征

沈陽(yáng)市第四系地層相對(duì)較厚,其下基巖為前震旦系花崗片麻巖及第三系始新統(tǒng)泥質(zhì)礫巖、泥質(zhì)砂巖。第四系地層分布規(guī)律、巖性特點(diǎn)及時(shí)代成因從老到新分述如下。

(1)下更新統(tǒng)

上部為坡、洪積砂礫石層,下部為冰水沉積,冰水沉積層的下部為棕紅色黏土,并含有20%左右分選和磨圓度較差的礫石,底部為灰白色黏土,含有30%左右分選和磨圓度差的礫石。

(2)中更新統(tǒng)

為沖洪積相沉積,上部為棕紅色砂礫石,礫石含量多,但分選不好,磨圓度中等,偶夾有較薄的棕紅色黏土層,下部為棕黃色黏土。

(3)上更新統(tǒng)

上部為沖洪積形成的棕黃色、黃褐色粉質(zhì)黏土,塑性指數(shù)較高,具柱狀節(jié)理;下部為沖洪積形成的砂礫石層,底部的圓礫層混黏性土較多,礫石分選程度和磨圓度不好。

(4)全新統(tǒng)

第四系全新統(tǒng)地層在區(qū)內(nèi)廣泛分布,由粉質(zhì)黏土、砂礫石層組成,構(gòu)成渾河新扇或渾河高低漫灘相沉積。全新統(tǒng)沖積相地層上部為粉質(zhì)黏土,中、粗砂,下部為礫砂、圓礫層,局部為卵石層。

2.3 場(chǎng)地地基土的構(gòu)成

根據(jù)鉆探揭露,本場(chǎng)地地基土主要由雜填土、黏性土、砂類土、碎石類土和基巖組成。地基土除③層中砂、④粗砂、⑤層礫砂、⑧層粗砂以外,其余各層均以薄層、透鏡體出現(xiàn)。各地層情況詳見(jiàn)表1。

各地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)詳見(jiàn)表2、表3。

表1 場(chǎng)地地基土一覽

表2 場(chǎng)地地基土重型動(dòng)力觸探統(tǒng)計(jì)

2.4 場(chǎng)地的地質(zhì)構(gòu)造

在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上,沈陽(yáng)市區(qū)位于華北地塊,根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的特點(diǎn),沈陽(yáng)市位于沈北凹陷地塊,大地構(gòu)造上處于遼東塊隆與下遼河-遼東灣塊陷相交接的部位。在區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上,位于千山-龍崗上升區(qū),第四紀(jì)時(shí)期主要表現(xiàn)為掀拈式上升。

表3 地基土物理力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)

2.5 水文地質(zhì)條件

(1)地下水賦存條件及含水層性質(zhì)

地下水賦存于第四系的中、粗、礫砂及圓礫層中,屬孔隙潛水,地下水位埋深一般為地面下7.00～9.00 m,高程為36.00～38.00 m。受地鐵施工降水影響,勘探期間靜水頭埋深一般為13.50～20.10 m,靜水位高程為24.09～31.56 m。

(2)地下水補(bǔ)給、排泄、徑流條件

該場(chǎng)地地下水的補(bǔ)給主要是大氣降水、地表人工河渠垂向滲透補(bǔ)給及渾河側(cè)向滲透補(bǔ)給,地下水水位季節(jié)性變幅在0.5～2.0 m,地下水的排泄主要為地下水向下游徑流排泄和人工開(kāi)采。在枯水期地下水向渾河等地表水系排泄,同時(shí)有少量的地面蒸發(fā)。場(chǎng)地地下水徑流條件良好,流向由東向西,由于市內(nèi)有較多的人為開(kāi)采,使得局部地下水流向有所變化。

(3)地下水水文地質(zhì)參數(shù)

為了評(píng)價(jià)場(chǎng)地地下水水文地質(zhì)參數(shù),結(jié)合地鐵抽水試驗(yàn)資料(見(jiàn)表4)以及室內(nèi)試驗(yàn),給出土的滲透性指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)值,主要土層的滲透系數(shù)建議值見(jiàn)表5。

根據(jù)地鐵抽水試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合沈陽(yáng)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),建議潛水含水層滲透系數(shù)取85 m/d。

表4 地鐵抽水試驗(yàn)結(jié)果

表5 地層滲透系數(shù)(k)建議值

(4)地下水腐蝕性評(píng)價(jià)

(5)環(huán)境土的腐蝕性評(píng)價(jià)

3 場(chǎng)地地震效應(yīng)

3.1 建筑場(chǎng)地類別

對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行波速測(cè)試及計(jì)算,場(chǎng)地地基土等效剪切波速度Vse=266 m/s,建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

3.2 抗震設(shè)防有關(guān)參數(shù)

場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g(對(duì)應(yīng)于抗震設(shè)防烈度7度),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地特征周期為0.35 s。

3.3 場(chǎng)地卓越周期

根據(jù)各層土的剪切波速度,利用《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算場(chǎng)地卓越周期。取地面以下30 m左右的完整地層為計(jì)算厚度,卓越周期計(jì)算值為0.337 s。

3.4 場(chǎng)地土的類型

依據(jù) 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ50111—2006)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001),分別對(duì)場(chǎng)地土類型和場(chǎng)地類別進(jìn)行劃分。

根據(jù) 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ50111—2006)的規(guī)定,其平均剪切波速計(jì)算深度應(yīng)為25 m,并不得小于基礎(chǔ)底面以下10 m;依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)規(guī)定,等效剪切波速計(jì)算深度取覆蓋層厚度和20 m二者較小值,本場(chǎng)地取20 m。場(chǎng)地類別的劃分是區(qū)域性評(píng)價(jià)的概念,由于本場(chǎng)區(qū)地表雜填土的剪切波速值較低,對(duì)等效剪切波速指標(biāo)影響較大,測(cè)定本場(chǎng)地等效剪切波速為266 m/s,結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合判定,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

3.5 地基液化與震陷可能

按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ50111—2006)附錄二及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)第4.3.4條規(guī)定,抗震設(shè)防烈度7度區(qū)只對(duì)地下水位以下,20.0 m以上的砂土和粉土進(jìn)行判別,本場(chǎng)地不存在粉、細(xì)砂地層,場(chǎng)地的中、粗砂、礫砂呈中密-密實(shí)狀態(tài),判定該場(chǎng)地土層不液化,為非液化場(chǎng)地。

在地震活動(dòng)帶劃分上,沈陽(yáng)市區(qū)位于華北地震區(qū),郯廬斷裂帶北段,自1493年至1991年共發(fā)生4級(jí)以上地震19次。沈陽(yáng)市處于郯廬斷裂帶北段的營(yíng)口-沈陽(yáng)亞段與沈陽(yáng)-開(kāi)原亞段的相交部位,營(yíng)口-沈陽(yáng)段差異運(yùn)動(dòng)不明顯,地震活動(dòng)水平低,沈陽(yáng)-開(kāi)原段有軟弱的差異升降運(yùn)動(dòng),現(xiàn)今微震活動(dòng)頻繁。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》5.7.11的條文解釋可知:強(qiáng)烈地震時(shí)軟土易發(fā)生震陷,而本場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度區(qū),當(dāng)?shù)鼗休d力特征值或等效剪切波速值分別大于80 kPa或90 m/s時(shí),可不考慮軟土的震陷影響。

4 巖土工程分析評(píng)價(jià)

4.1 不良地質(zhì)作用評(píng)價(jià)

本場(chǎng)地地層主要為強(qiáng)透水層(滲透系數(shù)40～100 m/d),地下水十分豐富。受沈陽(yáng)地鐵降水的影響,水位埋深差異較大,場(chǎng)區(qū)靜止水位埋深13.30～19.60 m,高程24.71～30.76 m,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底板埋深15.3 m,高程在30.7 m左右,局部埋深在17.80 m,高程為28.2 m,基坑底板處于現(xiàn)有水位以上2.00～3.00 m左右。大部分基礎(chǔ)底板坐在⑤層中密的礫砂上,個(gè)別部位有可能坐在密實(shí)狀態(tài)的粗砂⑥或中密狀態(tài)的⑥1圓礫上,為強(qiáng)透水層。如地鐵停止降水,根據(jù)以前的勘察資料可知,本區(qū)地下水位埋深在7.00～9.00 m,由于地下水的存在,施工降水可能產(chǎn)生流土、管涌和接觸沖刷以及降水引起的地面沉降,將會(huì)對(duì)基坑穩(wěn)定和周圍建筑物的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

4.2 特殊性巖土評(píng)價(jià)

雜填土為本區(qū)的特殊性巖土,主要由建筑垃圾、碎石、粉質(zhì)黏土、爐渣等組成,稍濕,松散—稍密狀態(tài)。該層上部多為瀝青路面及水泥地面,另沈陽(yáng)站東貨場(chǎng)地下管線埋深變化較大,且局部為原有建筑基礎(chǔ),回填土的性質(zhì)差異較大,對(duì)將來(lái)基坑開(kāi)挖及支護(hù)產(chǎn)生一定的影響。

4.3 地基土的壓縮性和砂土的密實(shí)度

根據(jù)土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本場(chǎng)地粉質(zhì)黏土均為中等壓縮性,中砂③、粗砂④、礫砂⑤、圓礫⑥1、礫砂⑦、圓礫⑧、礫砂⑧1均為中密狀態(tài),其他各土層均為密實(shí)狀態(tài)。

4.4 地基土的均勻性

場(chǎng)地各土層層厚較均勻,物理力學(xué)差異性不大,地基土均勻性較好。

4.5 地基土承載力

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)和野外原位測(cè)試結(jié)果,結(jié)合地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn),場(chǎng)地地基土承載力特征值及主要變形參數(shù)見(jiàn)表6。

4.6 樁側(cè)阻力和端阻力特征值

根據(jù)擬建工程概況,本場(chǎng)地建議采用樁筏基礎(chǔ),樁型建議采用鉆孔灌注樁或壓灌樁,樁長(zhǎng)應(yīng)為10.0～15.0 m,持力層選擇圓礫⑧層。對(duì)于地下部分,由于其埋深-15.3～-17.8 m,在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮抗浮,各巖土層參數(shù)見(jiàn)表7。

表6 地基土承載力、變形參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表7 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

4.7 單樁豎向承載力估算

擬建工程基底埋深為-15.3 m,擬建場(chǎng)地的 ±0.00為45.98 m,根據(jù)現(xiàn)有場(chǎng)地的地面高程,基底的持力層為粗砂⑥層。假定樁徑1 000 mm,樁長(zhǎng)為15.0 m,樁端持力層為圓礫⑧層。根據(jù)上表提供的qsa值和qpa值,按照《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(DB21/907—2005)(遼寧地方標(biāo)準(zhǔn))提供的公式,估算單樁豎向承載力特征值如表8所示。

表8 單樁豎向承載力估算

4.8 洪水的影響及地下室抗浮設(shè)計(jì)水位

一般狀況下,該地下水的補(bǔ)給主要是大氣降水、地表人工河渠垂向滲透補(bǔ)給及渾河側(cè)向滲透補(bǔ)給,如突遇洪水,本區(qū)地層均為強(qiáng)透水層,上部弱透水層粉質(zhì)黏土較薄,且分布不連續(xù),水位漲幅迅速。根據(jù)勘探資料表明,本區(qū)地下水十分豐富。受沈陽(yáng)站地鐵施工降水的影響,水位埋深差異較大,場(chǎng)區(qū)未降水前靜止水位埋深為7.00～9.00 m,高程為36.00～38.00 m,如地鐵停止降水,靜水位將迅速回升,水位高程有可能升回到40.00 m,本工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底板埋深15.30 m,高程在30.7 m左右,局部底板埋深17.80 m,高程為28.20 m,基坑底板處于正常水位以下7.00～9.80 m之間。由于沈陽(yáng)市近年來(lái)城市供水大部分來(lái)源于大伙房水庫(kù),同時(shí)限制地下水的開(kāi)采,使沈陽(yáng)市地下水位有上升的趨勢(shì),目前的水位為多年觀測(cè)的最高水位。另外根據(jù)多年觀測(cè)資料,沈陽(yáng)市地下水位年變幅為0.5～2.0 m。因此進(jìn)行抗浮驗(yàn)算時(shí),建議在目前水位的基礎(chǔ)上,綜合考慮沈陽(yáng)市整體地下水位上升的趨勢(shì)、年季節(jié)性變化以及地下管道漏水等因素來(lái)確定抗浮設(shè)計(jì)水位。

5 基坑開(kāi)挖與支護(hù)的方案建議

根據(jù)場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)底板埋深情況,充分考慮周圍環(huán)境地質(zhì)條件,基坑開(kāi)挖時(shí)須進(jìn)行支護(hù),基坑支護(hù)可采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐或密排樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式,支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)樁采用鉆孔壓灌樁,錨索采用自成孔錨索,放坡坡面采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土施工工藝,護(hù)坡樁采用旋挖鉆孔泵壓混凝土灌注樁,鉆孔灌注樁樁徑 φ800 mm,樁芯混凝土 C25,樁間距1.2 m。也可選用“密排樁(CFG樁)加錨桿錨拉”的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方法。

由于沈陽(yáng)地鐵正在施工降水,因此本場(chǎng)地目前水位較低,現(xiàn)在施工可不考慮工程降水。如需要降水,可采用管井降水的方式,基坑采用坑外降水,降水井成井采用沖擊工藝,過(guò)濾器采用鋼筋骨架包竹批子外纏絲結(jié)構(gòu),排水采用集水管收集,經(jīng)過(guò)沉砂池沉淀后排入市政管網(wǎng)。

6 結(jié)論

(1)場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水豐富,地層滲透系數(shù)大,透水性強(qiáng),地下水對(duì)工程的設(shè)計(jì)和施工將產(chǎn)生不利影響。地層主要由雜填土、黏性土、砂類土和碎石類土組成,層位較穩(wěn)定,無(wú)其他不良地質(zhì)現(xiàn)象,場(chǎng)地穩(wěn)定,適宜工程建設(shè)。

(2)雜填土結(jié)構(gòu)松散,埋藏深淺不一,土質(zhì)不均,不宜作天然地基持力層,其余各層均是良好的天然地基與樁基礎(chǔ)持力層。

(3)場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.20 m。

(4)場(chǎng)地地震設(shè)防烈度為7度區(qū),地震動(dòng)峰值加速度0.10g,特征周期0.35 s。

(5)場(chǎng)地地下水位以下,20 m深度范圍內(nèi)無(wú)粉、細(xì)砂和粉土,中粗砂、礫砂為中密—密實(shí)狀態(tài),在抗震設(shè)防烈度為7度時(shí),無(wú)液化土層。該場(chǎng)地地形平坦,大部分為密實(shí)的中硬土,為對(duì)抗震有利地段。

(6)場(chǎng)地地下水和環(huán)境土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

[1]中道第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.沈陽(yáng)站新建西站房及高架候車室?guī)r土工程勘察報(bào)告[R].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,2009

[2]遼寧有色勘察研究院.沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線巖土工程勘察報(bào)告[R].沈陽(yáng):遼寧有色勘察研究院,2003

[3]GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[4]DB21/907—2005 建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范[S]

[5]GB50011—2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6]GBJ50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[7]張倬元,王士天,王蘭生.工程地質(zhì)分析原理[M].北京:地質(zhì)出版社,1993