寧波軌道交通西門口站工程巖土工程勘察和評價(jià)

蔡偉忠

(浙江省工程勘察院,浙江寧波 315012)

1 工程概況

寧波市軌道交通1號(hào)線一期西門口站工程位于中山西路與望京路交叉路口東側(cè),西靠望京河,北為公園和新興大酒店,南側(cè)為住宅小區(qū)。西門口站為單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)的地下二層島式車站,主體結(jié)構(gòu)頂板埋深約3.0 m,基坑深度17.2～17.8 m。車站里程樁號(hào)為K9+589.00～K9+777.00,車站長度約為188 m,車站標(biāo)準(zhǔn)寬度18.7 m,有效站臺(tái)長118 m,中樁里程樁號(hào)為K9+705,有4個(gè)出入口和2個(gè)風(fēng)亭。地下一層為站廳層,地下二層為站臺(tái)層,結(jié)構(gòu)形式為二層框架結(jié)構(gòu),縱向柱距為8.65 m。車站兩端設(shè)盾構(gòu)始發(fā)(吊出)井，地下車站采用明挖順作法施工。

擬建工程意義和社會(huì)影響重大,工程重要性等級(jí)為一級(jí)工程,安全等級(jí)為一級(jí)，場地為中等復(fù)雜類型。擬建場地巖土種類多,均一性較差,性質(zhì)變化較大,且廣泛分布有軟弱的淤泥質(zhì)土和淤泥。按《巖土工程勘察規(guī)范》判斷,地基等級(jí)屬中等復(fù)雜地基,勘察等級(jí)屬甲級(jí)。

2 勘察方案

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(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)、剪切波速測試及抽提水試驗(yàn)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(jià)。

2.2 勘探孔平面布置

勘探孔沿著車站結(jié)構(gòu)輪廓線外側(cè)1～5 m的位置,勘探孔間距25～30 m,每個(gè)出入口及風(fēng)亭均布1～2個(gè)勘探孔。對在場地條件限制不能原位施工的勘探孔可適當(dāng)調(diào)整,孔位移動(dòng)一般不宜大于5 m。施工條件非常困難、移動(dòng)距離較大時(shí)須報(bào)現(xiàn)場監(jiān)理,由項(xiàng)目負(fù)責(zé)和現(xiàn)場監(jiān)理工程師現(xiàn)場確定。本站布水文地質(zhì)試驗(yàn)孔2個(gè)。為滿足地下車站深基坑開挖設(shè)計(jì)需要,本站共布波速試驗(yàn)孔3個(gè),扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)孔3個(gè),十字板現(xiàn)場剪切試驗(yàn)孔3個(gè),土壤電阻率測試孔2個(gè)。

2.3 勘探孔深度確定

控制性鉆孔深度一般宜為地面以下2～3倍開挖深度,并滿足結(jié)構(gòu)底板下不少于20 m(換乘站尚應(yīng)考慮換乘節(jié)點(diǎn)埋深),且孔深應(yīng)滿足抗拔和中柱樁要求,以“進(jìn)入⑧層砂土不小于5 m”為原則,孔深60.0 m左右；車站出入口勘探孔深度按“開挖深度2～3倍”原則,孔深為50 m。十字板試驗(yàn)孔打穿軟土層,預(yù)計(jì)孔深20～25 m,扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)孔孔深25～30 m,波速試驗(yàn)孔孔深為45.0 m。水文地質(zhì)試驗(yàn)孔孔深根據(jù)含水層具體位置確定,孔深為20～25 m。

3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

3.1 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水含水層介質(zhì)、水動(dòng)力特征及其賦存條件,場地范圍內(nèi)與工程有關(guān)的地下水可分為松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水兩類。

松散巖類孔隙潛水主要賦存于場區(qū)表部填土和黏土、淤泥質(zhì)土層中。表部填土富水性和透水性均較好,水量較大；淺層黏土和淤泥質(zhì)土富水性、透水性均差,滲透系數(shù)為2.0×10-6～2.07×10-7cm/s之間,水量貧乏,單井出水量小于5 m3/d。場地內(nèi)孔隙潛水主要接受大氣降水豎向入滲補(bǔ)給和地表水的側(cè)向入滲補(bǔ)給,多以蒸發(fā)方式排泄。水位受季節(jié)及氣候條件等影響,但動(dòng)態(tài)變化不大,潛水位變幅一般在0.5～1.0 m之間?？辈炱陂g測得潛水位埋深一般為1.4～2.6 m,高程1.09～2.78 m,平均高程為1.7 m。潛水最低水位按本次勘察實(shí)測水位向下1.0 m。

根據(jù)本區(qū)鉆探及附近水文地質(zhì)孔資料,擬建場地埋藏分布有三層孔隙承壓含水層,主要為淺部③層微承壓水,深部承壓含水層可劃分為第Ⅰ含水層組(Q3)和第Ⅱ含水層組(Q2)。

(1)孔隙微承壓水

淺層微承壓水主要賦存于③層含黏性土粉砂、粉土層或粉質(zhì)黏土夾粉土層中,含水層厚一般為2～4 m,局部夾較多黏性土薄層,透水性一般,水量相對較小,單井出水量在5～10 m3/d,砂質(zhì)較純、厚度較大的地段出水量相對較大,水位埋深在1.75～2.0 m左右,滲透系數(shù)在4.2×10-6～3.2×10-5cm/s,水溫為19 ℃左右,水質(zhì)為微咸水,地下水基本不流動(dòng)。

(2)Ⅰ層孔隙承壓水

第Ⅰ層孔隙承壓水賦存于⑦1T和⑧層粉砂、細(xì)砂、礫砂和圓礫層,透水性好,平均滲透系數(shù)約30.5 m/d,水量豐富,單井開采量500 m3/d,含水層頂板埋深一般為52.0～57.3 m,含水層厚度8～10 m,層位穩(wěn)定,水位埋深4.5～5.5 m,動(dòng)態(tài)變化不明顯。透水性較好,水溫為19.5～20.0 ℃,水質(zhì)為微咸水,水化學(xué)類型以Cl·SO4—Na·Ca型為主。

(3)Ⅱ?qū)涌紫冻袎核?/p>

第Ⅱ?qū)涌紫冻袎核x存于⑨3、⑩2層圓礫、卵石和中粗砂層中,透水性較好,水量較大,單井開采量一般為1 000～1 500 m3/d,是市區(qū)主要淡水開采層之一,水溫為20.5～21.0 ℃,原始水位略高于第Ⅰ含水層,水位埋深3.5～5.0 m。

3.2 工程地質(zhì)劃分

根據(jù)土層的沉積年代、沉積環(huán)境、巖性特征及物理力學(xué)性質(zhì),同時(shí)結(jié)合野外鉆探,將勘探深度范圍內(nèi)的地基土劃分為9個(gè)工程地質(zhì)層,并細(xì)分為27個(gè)工程地質(zhì)亞層。

(1)巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、各種原位測試成果及類似地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)的綜合分析研究,提出工程涉及的主要地層的主要物理力學(xué)參數(shù)(如表1)。

(2)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

本次試驗(yàn)均在黏性土層中進(jìn)行,利用每孔試驗(yàn)前后取得的修正值,分別計(jì)算出各試驗(yàn)點(diǎn)的接觸壓力(P0)、膜片膨脹至1.10 mm時(shí)的壓力(P1)和膜片回到0.05 mm時(shí)的終止壓力(P2)值,然后根據(jù)P0、P1和P2值計(jì)算側(cè)脹膜量(ED)、側(cè)脹水平壓力指數(shù)(KD)、側(cè)脹土性指數(shù)(ID),根據(jù)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)指標(biāo)確定靜止側(cè)壓力系數(shù)(K0)和水平基床系數(shù)(Kh),并繪制P0、P1、P2和KD、ID與深度的關(guān)系曲線圖表。對各孔試驗(yàn)所得參數(shù)進(jìn)行分層統(tǒng)計(jì),分別提供各指標(biāo)的最大值、最小值、算術(shù)平均值和統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)。各土層的扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果見表2。

表1 巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果

(3)熱物理參數(shù)

為獲得盾構(gòu)施工范圍內(nèi)的各地層熱物理參數(shù),根據(jù)CK1-Z74、CK1-Z94、XS-Z10、DX-Z07、HD-Z07、WH-Z11和SF-Z25號(hào)等7孔取樣進(jìn)行室內(nèi)熱物理參數(shù)測試,試驗(yàn)成果詳見表3。

表3 地基土熱物理指標(biāo)成果

(4)電阻率

為提供地鐵車站接地設(shè)備和雜散電流腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)所需的土壤電阻率,在本車站布置了3個(gè)電測井孔,經(jīng)分層統(tǒng)計(jì),淺部地層電阻率測試結(jié)果詳見表4。

表4 各地層電阻率測試成果

上述統(tǒng)計(jì)成果表明,各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù),普遍小于20%,屬低變異性參數(shù),力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)除個(gè)別變異性較高外,絕大部分變異系數(shù)低于30%,表明本次土質(zhì)單元體劃分基本合理,用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法求取的指標(biāo)是準(zhǔn)確、可靠的。

扁鏟側(cè)脹(DMT)試驗(yàn)尚處于經(jīng)驗(yàn)積累階段,其估算結(jié)果與其他測試手段所得參數(shù)可能存在差異,在工程設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)加荷速率和應(yīng)變大小等進(jìn)行修正后方可使用。

3.3 場地及地基的地震效應(yīng)

本場地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。根據(jù)鉆孔波速試驗(yàn)成果,按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001)中的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算,該場地地表下20 m深度范圍內(nèi)等效剪切波速值Vse為110～146 m/s,平均為132 m/s,其中DX-B2和初勘孔CK1-Z80等效剪切波速小于140 m/s,XMK-B1、XMK-B2等效剪切波速大于140 m/s。根據(jù)鉆孔揭示資料,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析,覆蓋層厚度大于80 m,綜合考慮,建議建筑場地類別為Ⅳ類,所屬的設(shè)計(jì)地震分組為一組,處于抗震不利地段,可不考慮軟土震陷的影響。

4 巖土工程分析與評價(jià)

4.1 地基土的分析與評價(jià)

本工程場地的地基土是由不同的土體所構(gòu)成的。土體是自然地質(zhì)作用的產(chǎn)物,其物理力學(xué)性質(zhì)與沉積年代、沉積環(huán)境有著密切的聯(lián)系。在同一時(shí)代和環(huán)境條件下形成的土體,其物理力學(xué)性質(zhì)基本相近,本身固有的各項(xiàng)指標(biāo)均有內(nèi)在的聯(lián)系,但對于不同沉積年代和沉積環(huán)境條件下形成的土體,其性質(zhì)卻有較大的差異。通常情況下,海相環(huán)境形成的土體性質(zhì)較差,陸相環(huán)境形成的土體性質(zhì)較好；而對于相同環(huán)境條件下形成的土體,不論是海相層或陸相層,一般時(shí)代越老,性質(zhì)越好,時(shí)代越新,性質(zhì)越差,在豎向上具有明顯的變化規(guī)律。

綜合場區(qū)本次勘察成果,地表下80 m深度范圍內(nèi),由淺至深各地基土可歸納為“硬殼→極軟→較硬→較軟→硬→堅(jiān)硬”的結(jié)構(gòu)特征。

4.2 不良地質(zhì)作用和特殊性巖土

本工程位于寧波平原中西部,沉降漏斗西側(cè),沉降漏斗的邊緣(0 m線附近)位于徐家漕站,望春站到天一廣場站位于沉降漏斗范圍內(nèi),其中沉降量最大的天一廣場站距沉降中心約1 km,累計(jì)地面沉降量約200 mm左右,沉降量相對較大,西門口站沉降量120 mm左右。

擬建場地屬典型的軟土地區(qū),廣泛分布厚層狀軟土,其具“天然含水量大于液限,天然孔隙比大于1.0,壓縮性高,強(qiáng)度低,靈敏度高,透水性低”等特點(diǎn)。擬建場地軟土層由①3、②1、②2-1、②2-2、②3、④1-1、④1-2和④2組成。大面積厚層軟土分布對本工程建設(shè)會(huì)帶來一系列巖土工程問題,主要表現(xiàn)為：

①由于軟土廣泛分布,過量開采地下水引發(fā)的區(qū)域性地面沉降現(xiàn)已成為寧波市的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害,將可能導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)長期處于沉降狀態(tài),最終可能使管片之間裂隙加大發(fā)生漏水、滲水,甚至造成災(zāi)害性事故。

②車站基坑開挖時(shí),為保證坑壁穩(wěn)定、周圍建(構(gòu))筑物、地下管線安全采取的支護(hù)結(jié)構(gòu)費(fèi)用較大,施工風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。

③軟土所能提供的樁側(cè)摩阻力較小,勢必會(huì)增加樁數(shù)或加大樁長,從而增大工程造價(jià)。

4.3 深基坑分析與評價(jià)

(1)基坑工程安全等級(jí)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案,西門口站為地下二層車站,基坑擬采用明挖順作法施工,開挖深度17.2～17.8 m,基坑周邊地下管線縱橫交錯(cuò),周圍環(huán)境復(fù)雜,地下水水位高,對施工影響較大,基坑破壞后果很嚴(yán)重。因此,本工程基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)。車站基坑開挖直接涉及到①1-1、①2、①3、②2-1、②2-2、②3、③1、③2和④1及④2?；拥酌嬷饕挥冖蹖踊疑べ|(zhì)粉土或粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中。表層填土結(jié)構(gòu)松散,富水性和透水性好,若止水不當(dāng)易產(chǎn)生滲漏和地表河水流入基坑導(dǎo)致基坑失穩(wěn),特別是原河流回填處；①2層灰黃色黏土強(qiáng)度略高,土層滲透性較差；下部的灰色淤泥、淤泥質(zhì)黏土等含水量大,滲透性弱,抗剪強(qiáng)度很低,土層開挖后穩(wěn)定性差，基坑必須采取支護(hù)措施。

(2)基坑開挖對周邊環(huán)境影響分析

坑底土體隆起：按照擬建基坑開挖深度,基底土主要由含水量高、強(qiáng)度低、彈性模量小、壓縮性高的②、③、④層軟弱土組成,基坑開挖后土體回彈量相對較大,因土體卸荷會(huì)造成坑底土的回彈；坑內(nèi)的卸載,使圍護(hù)結(jié)構(gòu)在多種原因共同作用下,產(chǎn)生向內(nèi)的位移,在坑底范圍內(nèi),向基坑方向擠壓土體,造成坑底隆起。除適當(dāng)加快基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工時(shí)間,施加坑底土上部荷載外,可考慮對坑底進(jìn)行加固處理,如采用水泥攪拌樁、旋噴樁等,以增加坑底一定深度范圍內(nèi)的土體抗剪強(qiáng)度。

地下連續(xù)墻位移：地下連續(xù)墻墻體變形改變基坑外圍土體的水平向原始應(yīng)力狀態(tài)而引起地層移動(dòng)。在基坑開始開挖后,地下連續(xù)墻開始受力變形,在基坑內(nèi)側(cè)卸去原有的土壓力時(shí),在墻外側(cè)則受到主動(dòng)土壓力,而在坑底的地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)則受到全部或部分的被動(dòng)土壓力。由于總是開挖在前,支撐在后,所以地下連續(xù)墻在開挖過程中,安裝支撐前總是已發(fā)生一定的先期變形。

因此,基坑開挖時(shí)要求做到充分考慮并利用軟土基坑時(shí)空效應(yīng)理論,采用“化整為零”施工技術(shù),沿縱向逐段開挖,做到“隨挖隨撐、減少坑底土暴露時(shí)間”,且基坑開過程中注意開挖坡度,防止坑內(nèi)滑坡的發(fā)生；基坑開挖前進(jìn)行必要的基坑土體加固,如：①在地下連續(xù)墻底下因清孔不好或土體很軟時(shí),可進(jìn)行地下連續(xù)墻墻底注漿加固,以防止開挖時(shí)引起地下連續(xù)墻沉降和墻外側(cè)土體松動(dòng)沉降；②車站端頭井內(nèi)土體加固以保開挖土體的穩(wěn)定；③在基坑底面以下地下連續(xù)墻被動(dòng)土壓力區(qū)以注漿法或其他方法加固固土體。

(3)基坑抗浮設(shè)計(jì)措施

本工程為地下工程,建筑物荷載較小,基坑開挖深度大,場地地下水位埋深淺,孔隙潛水一般在地面下1.4～2.6 m,高程1.09～2.78 m,平均高程為1.7 m,③層微承壓水水位較高,埋深1.75～2.0 m左右。由于地下工程埋深大,地下水位高,浮力較大,應(yīng)考慮設(shè)抗浮樁。場地地形平坦,孔隙潛水與地表水水力聯(lián)系密切,雨水排放受西塘河水位制約,綜合考慮,建議地下車站抗浮設(shè)計(jì)水位可取后塘河50年一遇的防洪設(shè)計(jì)水位2.80 m。

地鐵使用期限為100年,從技術(shù)可行的角度,降水抗浮不能滿足使用期限的要求,鋼渣混凝土不能滿足地鐵車站雜散電流的要求,技術(shù)可靠性較差,不能滿足技術(shù)要求,而摩擦樁能滿足地鐵抗浮的需求。建議西門口站抗浮采用抗浮樁,樁型宜采用鉆孔灌注樁,并可采用擴(kuò)底樁,以增加抗浮效率。

4.4 地鐵建設(shè)與周邊環(huán)境的相互影響

地鐵建設(shè)涉及的環(huán)境巖土工程問題主要為盾構(gòu)施工環(huán)境問題、車站深基坑開挖及降水所帶來的環(huán)境問題。

與地下水相關(guān)的環(huán)境巖土工程問題主要有兩個(gè),一是地鐵建設(shè)中的施工降水引起土層壓密和損失,導(dǎo)致地面及其周邊建筑物的沉降和變形,地下管線的沉降和移位；二是由于地鐵施工對地下水環(huán)境的影響,改變地下水的滲流路徑,改變地下水的分布狀態(tài)。

①施工降水引起動(dòng)水位以上地層的固結(jié)沉降,土層壓密,地表下沉。

②在施工過程中,由于地下水滲透作用引起基底隆起,流砂等現(xiàn)象,降水過程中,水流帶走大量的砂土,引起土層損失,造成土體坍塌、地面沉陷；由于動(dòng)水壓力的作用,造成連續(xù)墻接縫處砂土流失,加大圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土層的變形。

③地鐵施工降水范圍廣、降水量大、歷時(shí)長,將在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)形成施工降落漏斗,使地下水的動(dòng)力場和化學(xué)場發(fā)生變化,引起地下水中某些物理化學(xué)組分。

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

[2]GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[3]DB33/1001—2003 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4]DG33/T1008—2008 基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程[S]

[5]DBJ10—5—98 巖土工程勘察文件編制標(biāo)準(zhǔn)[S]